DE102023116769A1

DE102023116769A1 - Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102023116769A1
Application number: DE102023116769.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp Simm; Joschka Schaub; Michael Torkler; Simon Gottorf; Lukas Virnich; Volker Müller
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2023-06-26
Publication date: 2024-02-15
Also published as: DE102022119641A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors (100) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Common-Rail-Injektionsvorrichtung (1) mit über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher (11) mit Kraftstoff versorgbaren Injektoren (12), wobeia) nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls während einer Abschaltphase der Verbrennungsmotor (100) im Leerlauf weiterbetrieben wird, bis dass der Gasdruck im Hochdruckspeicher (11) unter einen ersten Schwellwert gesunken ist, und/oderb) die Common-Rail-Injektionsvorrichtung (1) mit einem Auslassventil (13) zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher (11) vor einen Oxidationskatalystor im Abgastrakt oder in eine Umgebung des Verbrennungsmotors (100) bereitgestellt wird, wobei nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls während einer Auslassphase das Auslassventil (13) geöffnet wird, bis dass der Gasdruck im Hochdruckspeicher (11) unter einen zweiten Schwellwert gesunken ist, und/oderc) nach Eingehen eines Motorstartbefehls während einer Startphase der Verbrennungsmotor (100) mittels des Motoranlassers gedreht wird, bis dass der Kraftstoffgehalt in den Brennräumen und/oder im Ansaugtrakt (2) des Verbrennungsmotors (100) unter einen dritten Schwellwert gesunken ist, wobei während der Abschaltphase, der Auslassphase und der Startphase die Kraftstoffzuleitung stromaufwärts des Hochdruckspeichers (11) geschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, ein Motorsteuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einen zugehörigen Verbrennungsmotor.
STAND DER TECHNIK
Mit gasförmigem Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG), betriebene Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge stellen modifizierte Versionen von herkömmlichen Verbrennungsmotoren dar und sind typischerweise als Hubkolbenmotoren nach dem Ottoprinzip ausgebildet. Üblicherweise wird der gasförmige Kraftstoff über eine Common-Rail-Injektionsvorrichtung in den Ansaugtrakt (Port Fuel Injection, PFI) oder in die Motorbrennräume (Direct Injection, DI) eingedüst, wobei die Injektoren über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher (Common Rail) mit dem Kraftstoff versorgt werden. Dabei liegt der Betriebsdruck des gasförmigen Kraftstoffs im Hochdruckspeicher typischerweise im Bereich von 5 - 10 bar (PFI) bzw. 10 - 50 bar (DI).
Ein Problem bei der Verwendung von gasförmigem Kraftstoff stellt die unzureichende Gasdichtheit der Injektoren dar, insbesondere der üblicherweise als Tellerventile ausgebildeten DI-Injektoren. Aufgrund der extremen Betriebsbedingungen der in die Brennräume hineinragenden DI-Injektoren sind die Möglichkeiten von konstruktiven Maßnahmen zur Verbesserung Gasdichtheit stark eingeschränkt. Aufgrund dieser mangelnden Gasdichtheit kommt es nach Motorabschaltung zu einem Leckstrom von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher über die Injektoren in die Brennräume bzw. den Ansaugtrakt, und in weiterer Folge kann es zu einer Flutung des gesamten Motorgehäuses sowie weiterer Bereiche des zugehörigen Kraftfahrzeugs mit gasförmigem Kraftstoff kommen. Daraus resultiert ein unerwünschtes Sicherheitsrisiko sowie die Gefahr einer Beschädigung des Verbrennungsmotors beim nachfolgenden Start durch eine unkontrollierte Verbrennung (Klopfen, Früh- oder Selbstzündung, überkritische Zylinderdruck-Lastspitzen). Insbesondere weisen Luft-Wasserstoff-Gemische sehr weite Zündgrenzen auf, die bis zu 4 Vol.-% Wasserstoff herabreichen, sodass bei Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff bereits geringe Leckströme zur Bildung eines zündfähigen Gemischs ausreichen können.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Common-Rail-Injektionsvorrichtung mit über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgbaren Injektoren, wobei

a) nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls während einer Abschaltphase der Verbrennungsmotor im Leerlauf weiterbetrieben wird, bis dass der Gasdruck im Hochdruckspeicher unter einen ersten Schwellwert gesunken ist, und/oder
b) die Common-Rail-Injektionsvorrichtung mit einem Auslassventil zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher vor einen Oxidationskatalysator im Abgastrakt oder in eine Umgebung des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird, wobei nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls während einer Auslassphase das Auslassventil geöffnet wird, bis dass der Gasdruck im Hochdruckspeicher unter einen zweiten Schwellwert gesunken ist, und/oder
c) nach Eingehen eines Motorstartbefehls während einer Startphase der Verbrennungsmotor mittels des Motoranlassers gedreht wird, bis dass der Kraftstoffgehalt in den Brennräumen und/oder im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors unter einen dritten Schwellwert gesunken ist,

Die Erfindung geht gemäß der Variante a) von dem Gedanken aus, den nach dem Fahrbetrieb im Hochdruckspeicher verbliebenen Kraftstoff kontrolliert im Leerlaufbetrieb in den Brennräumen zu verbrennen, bevor der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird. Diese kontrollierte Verbrennung findet während einer Abschaltphase statt, die durch das Eingehen eines Motorabschaltbefehls in das Motorsteuergerät initiiert wird, d.h., insbesondere durch eine entsprechende Betätigung des Zündschlosses durch den Fahrer des zugehörigen Kraftfahrzeugs (Terminal 15 OFF). Zu Beginn der Abschaltphase wird die Kraftstoffzuleitung stromaufwärts des Hochdruckspeichers vollständig geschlossen, sodass der Hochdruckspeicher nicht weiter mit Kraftstoff versorgt wird. Die im Hochdruckspeicher verbliebene Kraftstoffmenge wird während der Abschaltphase im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors verbraucht, wobei der Gasdruck im Hochdruckspeicher sukzessive sinkt. Die Abschaltphase endet mit dem Unterschreiten eines ersten Schwellwerts des Gasdrucks im Hochdruckspeicher, wobei der erste Schwellwert zweckmäßig festgelegt ist, beispielsweise als umgebender Atmosphärendruck. Insbesondere kann der erste Schwellwert erreicht sein, wenn die injizierte Kraftstoffmenge nicht mehr ausreicht, um den Verbrennungsmotor auf Leerlaufdrehzahl zu halten, was automatisch zu einem Absinken der Motordrehzahl auf Null führt (Motorstopp). Weiterhin kann vorgesehen sein, das Erreichen des ersten Schwellwerts als nach Ablauf einer vorgegebenen Dauer der Abschaltphase gegeben anzusehen, wobei die Dauer der Abschaltphase in Abhängigkeit vom Gasdruck des Hochdruckspeichers zu Beginn der Abschaltphase vorgegeben wird. Nach Ablauf der Abschaltphase geht der Verbrennungsmotor in den Stillstand über, wobei der nun etwaig noch verbleibende Kraftstoff-Leckstrom vernachlässigbar gering ist.
Die Verfahrensmaßnahmen gemäß der Varianten b) und c) stellen prinzipiell eigenständige oder miteinander kombinierbare Lösungen zur Behandlung des im Hochdruckspeichers nach der Motorabschaltung verbliebenen Kraftstoffs dar, sind aber im Vergleich zur Variante a) als eher behelfsmäßig anzusehen und sollen vorzugsweise erst zum Einsatz kommen, sofern die Durchführung der Verfahrensmaßnahmen gemäß der Variante a) aus beliebigem Grund nicht zu einer Reduktion des Gasdruck im Hochdruckspeicher unter den ersten Schwellwert geführt hat.
Gemäß der Variante b) ist vorgesehen, während oder nach Motorabschaltung und Schließen der Kraftstoffzuleitung den im Hochdruckspeicher verbliebenen Kraftstoff über ein Auslassventil zur Oxidation vor einen Oxidationskatalysator im Abgastrakt oder in die Umgebung des Verbrennungsmotors abzugeben, insbesondere in eine Umgebung des zugehörigen Kraftfahrzeugs, sodass sich der Kraftstoff z.B. in der Umgebung verflüchtigt, ohne ein zündfähiges Gemisch bilden zu können. Der zweite Schwellwert kann insbesondere dem Umgebungsdruck entsprechen.
Die Variante c) dient dazu, in den Brennräumen oder im Ansaugtrakt angesammelten Kraftstoff, der aus einem Leckstrom über die Injektoren aus dem Hochdruckspeicher nach einer Motorabschaltung stammt, vor einer erneuten Motorzündung zu entfernen, um die potentiell schädigende Verbrennung eines zu fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs zu vermeiden. Während der Startphase nach Eingehen eines Motorstartbefehls (Terminal 15 ON) werden die Kraftstoff-Injektion und die Zündung nicht aktiviert und der Verbrennungsmotor wird mittels des Motoranlassers gedreht, sodass der Ansaugtrakt und die Brennräume mit Luft gespült werden, bis dass der verbliebene Kraftstoffgehalt unter einen dritten Schwellwert gesunken ist. Der dritte Schwellwert ist derart festzulegen, dass die Gemischbildung beim anschließenden Motorstart nicht signifikant beeinträchtigt wird, d.h., dass keine den Motor potentiell schädigende Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemischs auftritt.
Die Verfahrensmaßnahmen gemäß der Varianten a), b) und c) können erfindungsgemäß sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zweckmäßig für Verbrennungsmotoren mit äußerer und/oder innerer Gemischbildung eingesetzt werden, insbesondere für PFI- oder DI-Typen bzw. Kombinationen davon.
In vorteilhafter Ausführungsform wird während der Abschaltphase gemäß der Verfahrensvariante a) der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors erhöht, insbesondere indem der Zündzeitpunkt im Verdichtungstakt des Verbrennungsmotors verzögert wird, und/oder die Leerlaufdrehzahl erhöht wird, und/oder wenigstens ein Nebenverbraucher eingeschaltet wird. Eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führt zu einem schnelleren Druckabfall im Hochdruckspeicher, sodass der erste Schwellwert früher erreicht und die Abschaltphase rascher beendet werden kann. Der Zündzeitpunkt kennzeichnet die Kurbelwellenstellung des Verbrennungsmotors (Ottomotor), bei der der Zündfunke an der Zündkerze ausgelöst wird. Eine Verzögerung des Zündzeitpunkts hinter den drehzahlabhängigen Optimalwert senkt den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und erhöht damit den Kraftstoffverbrauch. Ebenso führen eine Erhöhung der Leerlaufdrehzahl oder das Einschalten eines Nebenverbrauchers, wie zum Beispiel des Kompressors einer Klimaanlage des zugehörigen Fahrzeugs, zu einer Erhöhung des pro Zeiteinheit verbrauchten Kraftstoffs.
In einer weiteren Ausführungsform wird während der Abschaltphase das Ansteuerungsprofil der Injektoren für geringere Gasdrücke ausgelegt, insbesondere derart, dass die Injektionsdauer erhöht und/oder der zum Öffnen der Injektoren erforderliche Hochdruckspeicher-Grenzdruck verringert wird. Diese Maßnahmen dienen einer möglichst vollständigen Entleerung des Hochdruckspeichers, d.h., der Realisierung eines geringen Werts des ersten Schwellwerts. Beispielsweise kann während der Abschaltphase die elektrische Spannung erhöht werden, die zum Öffnen der Injektoren an die zugehörige Aktorik (Magnetspule/Piezoaktor) angelegt wird, sodass selbst bei geringeren Druckdifferenzen zwischen Hochdruckspeicher und Ansaugtrakt bzw. Brennraum noch ein Öffnen der Injektoren erfolgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Motorsteuergerät zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, wobei das Motorsteuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer der vorgenannten Ausführungsformen ausgebildet ist.
Weiterhin offenbart die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug zum Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff, wenigstens umfassend eine Common-Rail-Injektionsvorrichtung mit über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgbaren Injektoren sowie ein erfindungsgemäßes Motorsteuergerät.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensmaßnahmen gemäß der Variante b) weist die Common-Rail-Injektionsvorrichtung des Verbrennungsmotors insbesondere ein Auslassventil zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher vor einen Oxidationskatalysator im Abgastrakt oder in eine Umgebung des Verbrennungsmotors auf.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur beschrieben. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 100 für ein Kraftfahrzeug zum Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff, umfassend die Common-Rail-Injektionsvorrichtung 1 mit über den gemeinsamen Hochdruckspeicher 11 mit Kraftstoff versorgbaren Injektoren 12, welche beispielhaft als Direktinjektoren zum Eindüsen des Kraftstoffs in die Brennräume der Zylinder 4 ausgebildet sind.
Die Common-Rail-Injektionsvorrichtung 1 weist den Druckregler 15 auf, welcher zur Regelung des im Hochdruckspeicher 11 anliegenden Gasdruck des aus dem Kraftstofftank 200 zugeführten Kraftstoffs ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Common-Rail-Injektionsvorrichtung 1 das Auslassventil 13 zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 11 vor einen Oxidationskatalysator im Abgastrakt oder in eine Umgebung des Verbrennungsmotors 100, sowie das Sperrventil 14 zum Schließen der Kraftstoffzuleitung stromaufwärts des Hochdruckspeichers 11.
Der Verbrennungsmotor 100 umfasst zudem das Motorsteuergerät 3, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Aufgrund der mangelnden Gasdichtheit der Injektoren 12 droht nach Motorabschaltung ein Leckstrom von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher 11, in welchem Betriebsdrücke von bis zu 50 bar herrschen, in die Zylinder 4 und den Ansaugtrakt 2, sowie in weiterer Folge eine Flutung des gesamten Gehäuses des Verbrennungsmotors 100. Um dem vorzubeugen, werden erfindungsgemäß die Verfahrensmaßnahmen gemäß der Varianten a), b) und/oder c) vorgeschlagen, die auf eine kontrollierte Entleerung des Hochdruckspeichers 11 nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls bzw. auf ein Spülen mit Luft des Ansaugtrakts 2 und der Brennräume der Zylinder 4 nach dem Eingehen eines Motorstartbefehls abzielen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors (100) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Common-Rail-Injektionsvorrichtung (1) mit über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher (11) mit Kraftstoff versorgbaren Injektoren (12), wobei a) nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls während einer Abschaltphase der Verbrennungsmotor (100) im Leerlauf weiterbetrieben wird, bis dass der Gasdruck im Hochdruckspeicher (11) unter einen ersten Schwellwert gesunken ist, und/oder b) die Common-Rail-Injektionsvorrichtung (1) mit einem Auslassventil (13) zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher (11) vor einen Oxidationskatalysator im Abgastrakt oder in eine Umgebung des Verbrennungsmotors (100) bereitgestellt wird, wobei nach Eingehen eines Motorabschaltbefehls während einer Auslassphase das Auslassventil (13) geöffnet wird, bis dass der Gasdruck im Hochdruckspeicher (11) unter einen zweiten Schwellwert gesunken ist, und/oder c) nach Eingehen eines Motorstartbefehls während einer Startphase der Verbrennungsmotor (100) mittels des Motoranlassers gedreht wird, bis dass der Kraftstoffgehalt in den Brennräumen und/oder im Ansaugtrakt (2) des Verbrennungsmotors (100) unter einen dritten Schwellwert gesunken ist, wobei während der Abschaltphase, der Auslassphase und der Startphase die Kraftstoffzuleitung stromaufwärts des Hochdruckspeichers (11) geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während der Abschaltphase der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors (100) erhöht wird, insbesondere indem der Zündzeitpunkt im Verdichtungstakt des Verbrennungsmotors (100) verzögert und/oder die Leerlaufdrehzahl erhöht wird, und/oder wenigstens ein Nebenverbraucher eingeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der Abschaltphase das Ansteuerungsprofil der Injektoren (12) für geringere Gasdrücke ausgelegt wird, insbesondere derart, dass die Injektionsdauer erhöht und/oder der zum Öffnen der Injektoren (12) erforderliche Hochdruckspeicher-Grenzdruck verringert wird.
Motorsteuergerät (3) zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotors (100) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Motorsteuergerät (3) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor (100) für ein Kraftfahrzeug zum Betrieb mit gasförmigem Kraftstoff, wenigstens umfassend eine Common-Rail-Injektionsvorrichtung (1) mit über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher (11) mit Kraftstoff versorgbaren Injektoren (12), und umfassend ein Motorsteuergerät (3) nach Anspruch 4.
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 5, wobei die Common-Rail-Injektionsvorrichtung (1) ein Auslassventil (13) zum Auslassen von Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher (11) vor einen Oxidationskatalystor im Abgastrakt oder in eine Umgebung des Verbrennungsmotors (100) aufweist.