DE102019210318A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, Steuergerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) verbrannt wird und zur Optimierung der Verbrennung das Verhältnis Luft zu Kraftstoff unter Berücksichtigung der jeweiligen Kraftstoffqualität geregelt wird. Erfindungsgemäß wird die Kraftstoffqualität während des Fahrbetriebs bestimmt. Zur Bestimmung der Kraftstoffqualität werden jeweils ein Ist-Lambda-Wert (λIst) sowie ein Ist-Luftmassenstrom (ṁL,Ist) an mindestens zwei verschiedenen Betriebspunkten ermittelt, aus den ermittelten Werten wird die jeweilige Differenz errechnet und die Differenz wird einer Auswertung unterzogen, wobei das Ergebnis der Auswertung ein kraftstoffspezifisches Merkmal ist, anhand dessen die Kraftstoffqualität bestimmbar ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät (5) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
• Stand der Technik
• Die Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren hinsichtlich der Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten steigen stetig und müssen sowohl im realen Fahrbetrieb, als auch über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs eingehalten werden. Dies gilt unabhängig vom Fahrzeugtyp, beispielsweise Personenkraftfahrzeug, Nutzkraftfahrzeug und/oder Off-Highway-Fahrzeug, sowie unabhängig vom verwendeten Kraftstoff, beispielsweise Benzin, Dieselkraftstoff, Autogas und/oder Erdgas. Erdgas kann dabei gasförmig als CNG („Compressed Natural Gas“) oder flüssig als LNG („Liquefied Natural Gas“) an Bord eines Fahrzeugs mitgeführt werden. Die Einhaltung der Anforderungen wird üblicherweise mit Hilfe von On-Board-Diagnosesystemen überwacht, so dass bei Nicht-Einhaltung nachgeregelt bzw. eine Korrektur durchgeführt werden kann. Für eine exakte Diagnose bzw. ein optimales Regelungsverhalten stellt dabei die Qualität des jeweils eingesetzten Kraftstoffs eine wichtige Kenngröße dar. Denn je nach Marktsegment bzw. Region, in der das Fahrzeug eingesetzt werden soll, kann diese stark variieren.
• Für Verbrennungsmotoren, die mit Benzin oder Dieselkraftstoff betrieben werden, wird die Kraftstoffqualität insbesondere durch zwei wichtige Kraftstoffeigenschaften bestimmt. Diese sind die Cetanzahl und die Aromaten. Die Cetanzahl gibt an, wie schnell sich der Kraftstoff entzünden lässt. Eine niedrige Cetanzahl lässt auf einen minderwertigen Kraftstoff schließen. Die Aromaten beeinflussen die Brenngeschwindigkeit. Da ein hoher Aromaten-Anteil die Verbrennung verlangsamt, weist dies ebenfalls auf einen minderwertigen Kraftstoff hin.
• Bei Verbrennungsmotoren, die mit Erdgas betrieben werden, bestimmt sich die Kraftstoffqualität nach dem Methan-, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoffanteil. Je geringer der Methananteil ist, desto schlechter ist die Gasqualität. Denn ein geringer Methananteil führt zu einem erhöhten Zündverzug. Damit sinkt der Heizwert des Erdgases und zur Erzielung des gleichen Drehmoments wird mehr Kraftstoff benötigt.
• Bei einem sogenannten Dual-Fuel-Fahrzeug, das zwei Kraftstoffe einsetzt, beispielsweise Dieselkraftstoff und Erdgas, hilft das Erkennen der Kraftstoffqualität das Umschalten zwischen den Kraftstoffen zu optimieren, so dass dieses möglichst ohne Auswirkungen auf das Fahrverhalten und möglichst momentenneutral ist.
• Aus dem Stand der Technik sind daher bereits verschiedene Verfahren zur Detektion einer abweichenden Kraftstoffqualität sowie zur Korrektur einer entsprechenden Abweichung bekannt.
• Ein erstes Verfahren, das in der Regel bei einem mit Dieselkraftstoff betriebenen Personenkraftwagen zum Einsatz gelangt, beruht auf einem drehzahlbasierten Ansatz. Denn Schlechtkraftstoffe können zu einzelnen Verbrennungs- bzw. Zündaussetzern führen und beeinflussen somit den Rundlauf eines Motors. Dieser Zusammenhang wird ausgewertet und auf Basis dessen werden Korrekturwerte für ein Luftsystem, das der Versorgung des Motors mit Verbrennungsluft dient, und/oder ein Einspritzsystem, mittels dessen Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird, errechnet. Beispielsweise kann zur Kompensation einer langsamen Verbrennung der Druck in einem Kraftstoff-Rail eines Einspritzsystems auf Basis der errechneten Korrekturwerte erhöht werden. Nachteilig an dem drehzahlbasierten Ansatz ist, dass eine entsprechende Kalibrierung vom jeweiligen Fahrzeug bzw. Antriebsstrang des Fahrzeugs abhängig ist und nur am Fahrzeug vorgenommen werden kann. Da insbesondere im Bereich der Nutzkraftfahrzeuge üblicherweise ein bestimmter Motortyp in unterschiedlichen Fahrzeugen und/oder Anwendungen eingesetzt wird, muss für jede dieser Varianten, mit u. U. nur geringen Stückzahlen, eine separate Kalibrierung durchgeführt werden. Dies erhöht den Applikationsaufwand und ist somit nicht wirtschaftlich.
• Ein zweites Verfahren, das vorrangig bei mit Benzin oder Erdgas betriebenen Personenkraftfahrzeugen und/oder bei mit Erdgas betriebenen Nutzkraftahrzeugen zum Einsatz gelangt, beruht auf einem Lambda-basierten Ansatz. Bei diesen Fahrzeugen ist in der Regel eine Lambda-Regelung zur Korrektur der Kraftstoffmasse bereits vorhanden, so dass diese genutzt werden kann. Der Lambda-basierte Ansatz beruht auf der Abhängigkeit des Lambda-Werts vom stöchiometrischen Verhältnis eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, das wiederum von der jeweiligen Kraftstoffsorte abhängt. Beim Lambda-basierten Ansatz werden die Korrekturwerte der Lambda-Regelung vor und nach einem Tankvorgang verglichen. Treten Abweichungen auf, wird angenommen, dass diese durch unterschiedliche Kraftstoffqualitäten verursacht wurden. Dieser Unterschied wird anschließend in der Lambda-Regelung als Vorsteuergröße berücksichtigt, so dass die Einspritzmenge entsprechend erhöht oder reduziert wird. Als nachteilig erweist sich hierbei, dass Fehlannahmen getroffen werden können, die auf Fehler beruhen, die während des Tankvorgangs oder während der Berechnung eines gültigen Korrekturwerts auftreten können. Liegen beispielsweise unterschiedliche Randbedingungen (z. B. Motortemperatur) vor und nach dem Tanken vor, können diese zu einem fehlerhaften Korrekturwert führen. Darüber hinaus kann mit Hilfe des Lambda-basierten Ansatzes keine Änderung der Kraftstoffqualität, die während des laufenden Fahrbetriebs eintritt, erkannt werden. Eine Ausnahme liegt bei Verwendung von LNG als Kraftstoff vor, da dieser - je nachdem, ob er einer im Tank vorhandenen Flüssigphase oder Gasphase entnommen wird - unterschiedliche Eigenschaften besitzt.
• Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Erkennen von unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten sicherer und einfacher zu gestalten, und zwar insbesondere während des Fahrbetriebs, so dass die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten erleichtert wird.
• Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens angegeben.
• Offenbarung der Erfindung
• Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum des Verbrennungsmotors verbrannt wird und zur Optimierung der Verbrennung das Verhältnis Luft zu Kraftstoff unter Berücksichtigung der jeweiligen Kraftstoffqualität geregelt wird. Erfindungsgemäß wird die Kraftstoffqualität während des Fahrbetriebs bestimmt. Zur Bestimmung der Kraftstoffqualität werden jeweils ein Ist-Lambda-Wert λ_lst sowie ein Ist-Luftmassenstrom ṁ_L,Ist an mindestens zwei verschiedenen Betriebspunkten ermittelt. Aus den ermittelten Werten wird dann die jeweilige Differenz errechnet und die Differenz wird einer Auswertung unterzogen, wobei das Ergebnis der Auswertung ein kraftstoffspezifisches Merkmal ist, anhand dessen die Kraftstoffqualität bestimmbar ist.
• Das vorgeschlagene Verfahren besitzt gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. Ansätzen, insbesondere gegenüber dem Lambda-basierten Ansatz, den Vorteil, dass es während des Fahrbetriebs durchgeführt wird, so dass sehr schnell auf eine detektierte Veränderung der Kraftstoffqualität reagiert werden kann. Im realen Fahrbetrieb werden hierzu an mindestens zwei verschiedenen Betriebspunkten (Lernpunkten) jeweils der tatsächliche Lambda-Wert und der tatsächliche Luftmassenstrom ermittelt. Aus den Unterschieden zwischen den Betriebspunkten wird ein charakterisierendes Merkmal für den aktuell verwendeten Kraftstoff gewonnen, das dann zur Detektion von Schlechtkraftstoffen und/oder zur Korrektur von Kraftstoffunterschieden herangezogen werden kann. Zur Korrektur kann beispielsweise eine Verschiebung des Zündzeitpunkts oder eine Anpassung innerhalb einer vorhandenen Lambda-Regelung vorgenommen werden. Dadurch, dass der Lambda-Wert und der Luftmassenstrom an mindestens zwei verschiedenen Betriebspunkten ermittelt werden, kann das charakterisierende bzw. kraftstoffspezifische Merkmal mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden.
• Ein weiterer Vorteil, insbesondere gegenüber dem drehzahlbasierten Ansatz, ist darin zu sehen, dass keine Antriebsstrangabhängig besteht. Das heißt, dass eine Applikation, die beispielsweise für einen bestimmten Verbrennungsmotor an einem Motorprüfstand vorgenommen worden ist, auf verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Antriebssträngen übertragbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit insbesondere bei Nutzkraftfahrzeugen angewendet werden, da Verbrennungsmotoren für Nutzkraftfahrzeuge in der Regel in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Applikationsaufwand deutlich verringert werden.
• Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise im Rahmen der Auswertung ein bestehender Zusammenhang genutzt, der zwischen dem Ist-Lambda-Wert λ_Ist, dem Ist-Luftmassenstrom ṁ_L,_Ist, einer Ist-Kraftstoffmenge ṁ_K,_Ist und einem stöchiometrischen Verhältnis Lst_Ist gemäß der folgenden Gleichung besteht: $${\lambda }_{Ist}=\frac{{\dot{\text{m}}}_{L,Ist}}{{\dot{\text{m}}}_{K,Ist}\ast Ls{t}_{Ist}\left(KS\right)}$$

  
• In dieser ist das stöchiometrische Verhältnis Lst_Ist eine Funktion der jeweiligen Kraftstoffsorte KS. Diese Abhängigkeit wird in dem vorgeschlagenen Verfahren dazu genutzt, Kraftstoffunterschiede zu erkennen und zu korrigieren.
• Da im Allgemeinen nicht alle in der Gleichung genannten Werte zur Verfügung stehen, werden sie ermittelt.
• Der Ist-Lambda-Wert λ_Ist und/oder der Ist-Luftmassenstrom ṁ_L,ist werden vorzugsweise mit Hilfe eines Sensors, insbesondere mit Hilfe eines Lambda-Sensors und/oder eines Luftmassenstromsensors, ermittelt bzw. gemessen. Da moderne Verbrennungsmotoren in der Regel eine Lambda-Regelung aufweisen, sollte mindestens ein Lambda-Sensor verfügbar sein, mit dessen Hilfe der Ist-Lambda-Wert λ_Ist ermittelt bzw. gemessen werden kann.
• Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Ist-Luftmassenstrom ṁ_L,Ist anhand eines Modells, beispielsweise anhand eines Drosselklappen- oder Saugrohrmodells, ermittelt bzw. bestimmt wird. Beim Drosselklappenmodell wird anhand des Drucks vor und nach der Drosselklappe der Frischluftmassenstrom durch die Drosselklappe bestimmt. Das Saugrohrmodell basiert auf dem Saugrohrdruck und bestimmt den Gesamtmassenstrom in den Motor. Wird der Ist-Luftmassenstrom ṁ_L,Ist anhand eines Modells bestimmt, ist ein spezieller Sensor zur Erfassung des Luftmassenstroms entbehrlich.
• Da der Ist-Luftmassenstrom - abhängig von der jeweiligen Sensor- oder Modellkonfiguration - gemessen oder modelliert werden kann, wird vorzugsweise der Index „Mx“ für den Ist-Luftmassenstrom verwendet.
• Weiterhin ist im Allgemeinen die tatsächliche Kraftstoffmenge ṁ_K,_Ist nicht bekannt bzw. verfügbar. Stattdessen kann ein Steuergeräte-Wert ṁ_K,SG verwendet werden, der dem einzuspritzenden bzw. einzublasenden Kraftstoff-Sollwert entspricht.
• Mit diesen Annahmen erhält man die folgende Gleichung: $${\lambda }_{Mess}=\frac{{\dot{\text{m}}}_{L,Mx}}{{\dot{\text{m}}}_{K,SG}}\ast Ls{t}_{Ist}\left(KS\right)$$

  
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise mindestens zwei Betriebspunkte angefahren, die zur Ermittlung des Ist-Lambda-Werts λ_Ist und/oder des Ist-Luftmassenstroms ṁ_L,Ist bzw. ṁ_L,Mx besonders geeignet sind. Vorteilhafterweise werden solche Betriebspunkte ausgewählt, in denen die Durchführung des Verfahrens möglichst geringe Auswirkungen auf den Fahrbetrieb hat, insbesondere im Hinblick auf Emissionen, Fahrbarkeit, Momentenaufbau bzw. -abbau und/oder Momentenabgabe. Bevorzugt werden daher stationäre Betriebspunkte angefahren.
• Die Stationarität eines Systems kann beispielsweise über den Gradienten einer Zustandsgröße x gemäß der nachfolgenden Gleichung bestimmt werden: $${\mathrm{\psi }}_{neg}\le \dot{x}\left(t\right)\le {\psi }_{pos}mit{\psi }_{neg}<0und{\psi }_{pos}>0$$

  

  Ist der negative Gradient größer als die Schwelle ψ_neg bzw. der positive Gradient kleiner als die Schwelle ψ_pos, liegt Stationarität vor. Eine mögliche Erweiterung ist, dass der durch die vorstehende Gleichung wiedergegebene Zusammenhang für den Gradienten ẋ erst eine gewisse Zeit erfüllt sein muss, um Stationarität zu erkennen.
• Alternativ oder ergänzend zur Gradientenmethode kann überprüft werden, ob die absolute Zustandsgröße x für einen gewissen Zeitraum Δt_Stat innerhalb eines Bandes liegt (Schwellenmethode): $$x\epsilon \Omega =\left[{\omega }_{Oben},{\omega }_{Unten}\right]mit{\omega }_{Unten}\le {\omega }_{Oben}$$

  
• Für die Stationarität gilt in diesem Fall: $${\omega }_{Unten}\le x\left(t\right)\le {\omega }_{Oben}mitt\ge t_{SP}+\Delta t_{Stat}$$

  
• Mit t_SP wird der Zeitpunkt bezeichnet, in dem der Verlauf von x das erste Mal eine Schwelle ω_Oben bzw. eine Schwelle ω_Unten kreuzt. Der Zeitpunkt t_Ende entspricht dem Zeitpunkt, in dem der Bereich Ω wieder verlassen wird (siehe 2, die weiter unten näher beschrieben wird).
• Als Zustandsgröße „x“ eignet bzw. eignen sich zum Beispiel die Drehzahl, der Raildruck und/oder der Luftmassenstrom durch die Drosselklappe bzw. in den Verbrennungsmotor. Es können auch mehrere Zustandsgrößen x kombiniert werden. Beispielsweise kann gefordert sein, dass der Gradient des Luftmassenstroms und der Gradient der Drehzahl jeweils unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegen.
• Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren im Schubbetrieb, im Segelbetrieb oder im Leerlauf-Segelbetrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt. In all diesen Fällen liegen stationäre Bedingungen vor.
• Ist ein geeigneter Betriebspunkt erkannt, werden die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Werte ermittelt, wobei der Ist-Luftmassenstrom ṁ_L,Ist bzw. ṁ_L,Mx gemessen oder modelliert werden kann. Ferner wird das stöchiometrische Verhältnis Lst_Ist bestimmt, wobei unterschiedliche Verfahren angewendet werden können.
• Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren, insbesondere zur Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses Lst_Ist, bei konstantem Luftmassenstrom und variablem Kraftstoffmassenstrom durchgeführt. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren bei konstantem Kraftstoffmassenstrom und variablem Luftmassenstrom durchgeführt. Das heißt, dass eine Größe variiert wird, während die andere Größe konstant bleibt.
• Erfolgt die Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses Lst_Ist bei konstantem Luftmassenstrom führt das Variieren der Soll-Kraftstoffmenge zu unterschiedlichen Ist-Lambda-Werten an den verschiedenen Betriebspunkten gemäß der nachfolgenden Gleichungen: $${\lambda }_{Mess\mathrm{,1}}=\frac{{\dot{\text{m}}}_{L,Mx1}+\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler,\perp }}{\left({\dot{\text{m}}}_{K,SG\mathrm{,1}}+\Delta {\dot{\text{m}}}_{K,Fehler\mathrm{,1}}\right)\ast Ls{t}_{SG}\left(KS\right)}+\Delta {\lambda }_{Mess,Fehler\mathrm{,1}}$$

  

  $${\lambda }_{Mess\mathrm{,2}}=\frac{{\dot{\text{m}}}_{L,Mx2}+\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler\mathrm{,2}}}{\left({\dot{\text{m}}}_{K,SG\mathrm{,2}}+\Delta {\dot{\text{m}}}_{K,Fehler\mathrm{,2}}\right)\ast Ls{t}_{SG}\left(KS\right)}+\Delta {\lambda }_{Mess,Fehler\mathrm{,2}}$$

  
• Bei Wahl geeigneter Betriebspunkte können zudem folgende Annahmen getroffen werden: $$\begin{array}{cc}{\dot{\text{m}}}_{L,Mx\mathrm{,1}}={\dot{\text{m}}}_{L,Mx\mathrm{,2}}& ={\dot{\text{m}}}_{L,Mx}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{cc}\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler\mathrm{,1}}=\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler\mathrm{,2}}& =\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler}\end{array}$$

  
• An beiden Betriebspunkten ist demnach der Luftmassenstrom identisch. Ferner kann angenommen werden, dass an beiden Betriebspunkten der Fehler der Lambda-Messung und der Fehler der Soll-Kraftstoffmasse nahezu konstant bleiben, so dass gilt: $$\Delta {\lambda }_{Mess,Fehler\mathrm{,1}}\approx \Delta {\lambda }_{Mess,Fehler\mathrm{,2}}$$

  

  $$\Delta {\dot{\text{m}}}_{K,Fehler\mathrm{,1}}\approx \Delta {\dot{\text{m}}}_{K,Fehler\mathrm{,2}}$$

  
• Unter den vorstehend genannten Annahmen erhält man aus der Differenz der beiden zuvor genannten invertierten Gleichungen einen Wert für das aktuell vorhandene stöchiometrische Verhältnis, wobei sich die Fehler jeweils herauskürzen, so dass man einen Wert für das stöchiometrische Verhältnis erhält, der sich nach folgender Gleichung bestimmt: $$Ls{t}_{SG,Var1}\left(\text{KS}\right)=\frac{1}{{\lambda }_{Mess\mathrm{,2}}}-\frac{1}{{\lambda }_{Mess\mathrm{,1}}}\ast \frac{{\dot{\text{m}}}_{L,M}+\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler}}{{\dot{\text{m}}}_{K,SG\mathrm{,2}}-{\dot{\text{m}}}_{K,SG\mathrm{,1}}}$$

  
• Die Bestimmung des aktuellen stöchiometrischen Verhältnisses hängt nur noch von der Toleranz der Luftmassenbestimmung ab und ist damit sehr genau.
• Falls eine Lambda-Regelung vorhanden ist, müssen die aktuellen Korrekturwerte eingefroren werden oder die Lambda-Regelung muss abgeschaltet werden.
• Alternativ kann die Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses Lst_Ist bei konstantem Kraftstoffmasse und variablem Luftmassenstrom durchgeführt werden. Bei dieser Variante wird ebenfalls zwischen zwei Betriebspunkten hin und her geschaltet, wobei jedoch die Soll-Kraftstoffmasse des Steuergeräts konstant gelassen wird. Bei Wahl geeigneter Betriebspunkte sind folgende Annahmen erlaubt: $${\dot{\text{m}}}_{K\mathrm{,1}}={\dot{\text{m}}}_{K\mathrm{,2}}{\text{ =}\dot{\text{m}}}_K$$

  

  $$\Delta {\dot{\text{m}}}_{K,Fehler\mathrm{,1}}=\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Mx,Fehler\mathrm{,2}}{\text{ =}\dot{\text{m}}}_{K,Fehler}$$

  

  $$\Delta {\lambda }_{Mess,Fehler\mathrm{,1}}\approx \Delta {\lambda }_{Mess,Fehler\mathrm{,2}}$$

  

  $$\Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Fehler\mathrm{,1}}\approx \Delta {\dot{\text{m}}}_{L,Fehler\mathrm{,2}}$$

  
• Das heißt, dass an beiden Betriebspunkten die Kraftstoffmasse identisch ist und die Fehler der Lambda-Messung und der Soll-Kraftstoffmenge nahezu konstant sind. Für das aktuell vorhandene stöchiometrische Verhältnis ergibt sich damit folgender Zusammenhang: $$Ls{t}_{SG,Var2}\left(KS\right)=\frac{{\dot{\text{m}}}_{L,Mx\mathrm{,2}}-{\dot{\text{m}}}_{L,Mx\mathrm{,1}}}{\left({\dot{\text{m}}}_K+\Delta {\dot{\text{m}}}_{K,Fehler}\right)\ast \left({\lambda }_{Mess\mathrm{,2}}-{\lambda }_{Mess\mathrm{,1}}\right)}$$

  
• Da sich die Fehler der Luftmassenbestimmung und der Lambda-Messung wieder herauskürzen, hängt die Bestimmung des aktuellen stöchiometrischen Verhältnisses nur noch von der Toleranz der Kraftstoffmasse ab und ist damit ebenfalls sehr genau.
• Welche der beiden vorstehend beschriebenen Varianten vorteilhafter für eine Anwendung ist, ist projektspezifisch zu entscheiden und hängt davon ab, bei welcher Variante der Toleranzbeitrag geringer ist. Zudem hängt die Wahl davon ab, welche Aktuatoren für die Luftregelung (Drosselklappe oder variable Steuerung der Ein- und Auslassventile) eingesetzt werden bzw. wie die Kraftstoffmasse eingebracht wird (zylinderindividuell oder mittels zentraler Saugrohreinspritzung oder Direkteinspritzung).
• Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Auswertung, wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Motorsteuergerät handeln, so dass das Ergebnis der Auswertung bei einer detektierten Änderung der Kraftstoffqualität unmittelbar zur Korrektur eingesetzt werden kann. Insbesondere kann die Regelung des Luftmassenstroms und/oder der Kraftstoffmenge angepasst werden.
• Bevorzugt wird im Steuergerät ein korrigierter Wert für das stöchiometrische Verhältnis Lst abgelegt bzw. gespeichert. Der im Steuergerät bisher gespeicherte Lst-Wert wird dabei durch den neu bestimmten Lst-Wert ersetzt. Des Weiteren bevorzugt wird der korrigierte Wert für das stöchiometrische Verhältnis Lst als Korrekturwert eingesetzt, insbesondere zur Anpassung der Luftmasse oder der Kraftstoffmasse in einer Lambda-Regelung.
• Es ist denkbar, dass die Anwendung des neuen Lst-Werts nicht unmittelbar erfolgt, sondern verzögert eingeblendet wird.
• Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird daher ferner ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, einzelne oder alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Das Steuergerät ist vorzugsweise ein Motorsteuergerät.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Erdgas-Nkw-Systems, umfassend ein Kraftstoffsystem, ein Luftsystem, ein Zündsystem und ein Abgassystem,
• 2 ein Diagramm zur Darstellung der Dynamikerkennung anhand der Schwellenmethode,
• 3 ein Diagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
• 4 eine schematische Darstellung eines Mess- und Regelkreises zur Kraftstoffbestimmung und Lambda-Regelung für ein Kraftstoffsystem gemäß der 1.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• Das in der 1 beispielhaft dargestellte Erdgas-Nkw-System dient der Versorgung eines Verbrennungsmotors 1 mit Erdgas und Frischluft. Das Erdgas wird in einem Tank 6 mit Tankventil 16 bevorratet. Der Kraftstoff wird über die Filter 15 und 17 gereinigt und anhand des Druckreglers 14 auf den Einspritzdruck geregelt. Mit Hilfe mehrerer Injektoren 8 wird der Kraftstoff in ein Saugrohr 7 eingeblasen, über welches der Verbrennungsmotor 1 mit der für die Verbrennung benötigten Luft versorgt wird. Der Luftmassenstrom ist mit dem Buchstaben „A“ gekennzeichnet, der Erdgasstrom mit dem Buchstaben „G“.
• Über das Saugrohr 7 gelangt das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum 2 des Verbrennungsmotors 1. Dort wird es mit Hilfe einer Zündkerze 9 gezündet. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird über ein Abgasrohr 10 abgeführt. Der Abgasstrom ist mit dem Buchstaben „E“ gekennzeichnet.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist am Abgasrohr 10 mindestens ein Lambda-Sensor 3 angeordnet. Der Lambda-Sensor 3 dient der Ermittlung des Ist-Lambda-Werts λ_Ist. Je nach Methode zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ_L,Ist ist am Saugrohr 7 ein Luftmassenstromsensor 4 oder mindestens ein Druck- und Temperatursensor 11, 13 vorzusehen. Sämtliche Sensoren 3, 4, 11, 13 sind über Signalleitungen 12 mit einem Steuergerät 5 verbunden, das die mit Hilfe der Sensoren 3, 4, 11, 13 erfassten Messsignale auswertet und bei einer detektierten Änderung der Kraftstoffqualität eine Korrektur des Luftmassenstroms und/oder der Kraftstoffmenge durchführt.
• Je nach Methode zur Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses Lst wird durch Testeinspritzungen die Kraftstoffmenge oder durch Ansteuerung der Luftsteller (Drosselklappe, variable Ventilsteuerung) der Luftmassenstrom variiert, und zwar an geeigneten Betriebspunkten. Dies sind solche Betriebspunkte, die im Fahrbetrieb keine oder möglichst geringe Auswirkungen auf Emissionen, Fahrbarkeit, Momentenaufbau oder - abbau und/oder Momentenabgabe habe. Zugleich sollten alle gesetzlichen Anforderungen an den Verbrennungsmotor 1 bzw. Das Kraftfahrzeug erfüllt sein. Besonders geeignet sind daher stationäre Betriebspunkte.
• Ob ein stationärer Betriebspunkt vorliegt, lässt sich nach verschiedenen Methoden bestimmen. Eine Methode ist die zuvor bereits beschriebene Schwellenmethode. Hierbei wird der zeitliche Verlauf einer Zustandsgröße x betrachtet. Dabei wird geprüft, ob sich die Zustandsgröße x über einen vorgegebenen Zeitraum Δt_Stat zwischen zwei Schwellen ω_Unten und ω_Oben bewegt (siehe 2).Ist dies der Fall liegt Stationarität vor. Der Zeitpunkt, in dem die Zustandsgröße x erstmalig unter die Schwelle ω_Oben fällt, ist mit t_SP bezeichnet. Der Zeitpunkt, in dem die Zustandsgröße x wieder einen Wert oberhalb der Schwelle ω_Oben erreicht, ist mit T_Ende bezeichnet.
• Anhand der 3 wird nachfolgend beispielhaft der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
• Der Start S0 des Verfahrens kann durch ein Ereignis getriggert werden, beispielsweise durch Beenden eines Tankvorgangs, durch Zeitablauf oder durch Erreichen einer bestimmten Anzahl an Fahrzyklen nach der letzten Adaption. Nach dem Start S0 des Verfahrens wird zunächst in Schritt S1 geprüft, ob ein geeigneter, vorzugsweise stationärer, Betriebspunkt vorliegt. Verläuft die Prüfung positiv, wird in Schritt S1.1 ein erster Betriebspunkt angefahren, um einen ersten Ist-Lambda-Wert sowie den Ist-Luftmassenstrom zu ermitteln. Anschließend wird in Schritt S1.2 ein zweiter Betriebspunkt angefahren, um einen zweiten Ist-Lambda-Wert sowie den Ist-Luftmassenstrom an diesem Betriebspunkt zu ermitteln. Der Ist-Luftmassenstrom kann jeweils gemessen oder einem Modell entnommen werden, während der Ist-Lambda-Wert jeweils gemessen wird. In Schritt S2 werden die gemessenen bzw. modellierten Werte ausgewertet, wobei das aktuelle stöchiometrische Verhältnis nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten ermittelt wird. In Schritt S3 wird geprüft, ob das stöchiometrische Verhältnis einen stabilen Wert aufweist bzw. sich der aktuelle Wert nur geringfügig geändert hat. Verläuft die Prüfung positiv, wird in Schritt 4 der aktuelle Wert eingelernt bzw. im Steuergerät abgespeichert. In Schritt 5 wird der aktuelle Wert an eine Lambda-Regelung oder an eine Regelung zur Bestimmung der Kraftstoffmenge übergeben, so dass die ggf. notwendige Korrektur durchgeführt werden kann. Verläuft die Prüfung in Schritt S3 negativ, wird das Verfahren beendet oder erneut mit Schritt S1 begonnen.
• Das Verfahren kann in vorteilhafterweise unter Einbeziehung einer bereits vorhandenen Lambda-Regelung durchgeführt werden, wie beispielhaft in der 4 dargestellt. Bei der 4 handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung eines mit Erdgas betriebenen Systems, ohne Sollpfad und ohne Regelkreis für die Luftmasse.
• In der 4 erfolgt bei 100 die Berechnung der Kraftstoffmenge nach der dort angegebenen Formel. Dabei werden ein gemessener oder modellierter Luftmassenstrom ṁ_L sowie ein Lambda-Korrekturwert λ_Korr berücksichtigt, der durch eine Lambda-Regelung 13 zur Verfügung gestellt wird. Bei 110 wird zusätzlich ein Kraftstoff-Korrekturwert berechnet, der ebenfalls in die Berechnung bei 100 mit einfließt. Der Kraftstoff-Korrekturwert wird erfindungsgemäß auf Basis des gemessenen oder modellierten Luftmassenstroms ṁ_L und eines gemessenen Lambda-Werts λ_Mess berechnet. Der Korrekturwert wird als korrigiertes stöchiometrisches Verhältnis L_St,Korr ausgegeben und bei der Berechnung der Kraftstoffmenge berücksichtig.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) verbrannt wird und zur Optimierung der Verbrennung das Verhältnis Luft zu Kraftstoff unter Berücksichtigung der jeweiligen Kraftstoffqualität geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffqualität während des Fahrbetriebs bestimmt wird und zur Bestimmung der Kraftstoffqualität jeweils ein Ist-Lambda-Wert (λ_Ist) sowie ein Ist-Luftmassenstrom (ṁ_L,Ist) an mindestens zwei verschiedenen Betriebspunkten ermittelt werden, aus den ermittelten Werten die jeweilige Differenz errechnet wird und die Differenz einer Auswertung unterzogen wird, wobei das Ergebnis der Auswertung ein kraftstoffspezifisches Merkmal ist, anhand dessen die Kraftstoffqualität bestimmbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Auswertung ein bestehender Zusammenhang genutzt wird, der zwischen dem Ist-Lambda-Wert (λ_Ist), dem Ist-Luftmassenstrom (ṁ_L,_Ist), einer Ist-Kraftstoffmenge (ṁ_K,Ist) und einem stöchiometrischen Verhältnis (Lst_Ist) gemäß der Gleichung $${\lambda }_{Ist}=\frac{{\dot{\text{m}}}_{L,Ist}}{{\dot{\text{m}}}_{L,Ist}\ast Ls{t}_{Ist}\left(KS\right)}$$

   

   besteht, in der das stöchiometrische Verhältnis (Lst_Ist) eine Funktion der jeweiligen Kraftstoffsorte (KS) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Lambda-Wert (λ_Ist) und/oder der Ist-Luftmassenstrom (ṁ_L,ist) mit Hilfe eines Sensors (3, 4), insbesondere eines Lambda-Sensors (3) und/oder eines Luftmassenstromsensors (4), gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Luftmassenstrom (ṁ_L,Ist) anhand eines Modells, beispielsweise anhand eines Drosselklappen- oder Saugrohrmodells, bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Lambda-Wert (λ_Ist) und/oder der Ist-Luftmassenstrom (ṁ_L,Ist) an stationären Betriebspunkten ermittelt werden, vorzugsweise im Schub-, Segel- und/oder Leerlauf-Segelbetrieb des Verbrennungsmotors (1).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, insbesondere zur Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses (Lst_Ist), bei konstantem Luftmassenstrom und variablem Kraftstoffmassenstrom oder bei konstantem Kraftstoffmassenstrom und variablem Luftmassenstrom durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, insbesondere die Auswertung, mit Hilfe eines Steuergeräts (5) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (5) ein korrigierter Wert (Lst_Korr) für das stöchiometrische Verhältnis abgelegt wird und/oder als Korrekturwert eingesetzt wird, insbesondere zur Anpassung der Luftmasse oder der Kraftstoffmasse in einer Lambda-Regelung (18).
9. Steuergerät (5), das dazu eingerichtet ist, einzelne oder alle Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

Images