DE19622105A1 - Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents
Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere für KraftfahrzeugeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibba
ren Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die über eine Strömungsverbin
dung mit einem Brenngasspeicher (Kraftstofftank) verbunden ist, wobei in der Strömungs
verbindung von einer Regeleinrichtung steuerbare Stellmittel zur Einstellung der Brenngas
zufuhr in die Brennkraftmaschine angeordnet sind.
Der Einsatz von Brenngas, vorzugsweise Erdgas, in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeu
gen bietet den Vorteil einer geringeren Schadstoffemission gegenüber mit herkömmlichen
Kraftstoffen, wie Benzin und Diesel, betriebenen Brennkraftmaschinen.
Das aus unterschiedlichen Quellen stammende Erdgas weist unterschiedliche Zusammen
setzungen auf, außerdem werden von den regionalen Energieversorgungsunternehmen
unterschiedliche Flüssiggas/Luft-Anteile dem Brenngas zugegeben, so daß das Brenngas
regional unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen kann, was sich gravierend auf die
motorische Verbrennung auswirkt, so kann sich durch die Veränderung des Kraft
stoff/Luftverhältnisses im Brennraum die Klopfgefahr für den Motor erhöhen oder sich deutli
che Veränderungen der Schadstoffemissionen und der Laufruhe der Brennkraftmaschinen
zeigen.
In der US-Patentschrift US 5.367.999 wird ein Verfahren und eine Einrichtung für eine
Steuerung einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem die Regelung
des zwischen dem Brenngastank und der Brennkraftmaschine in einer Strömungsverbin
dung angeordneten Gasdruckstellers in Abhängigkeit verschiedener Gaszustandsgrößen
erfolgt. Neben einem Gasdruck- und einem Gastemperarturfühler ist in der Strömungsver
bindung zwischen dem Brenngastank und der Brennkraftmaschine auch ein Gaszusammen
setzungsmeßfühler angeordnet, der die Gaszusammensetzung in der Strömungsverbindung
nach dem Gasdrucksteller kontinuierlich erfaßt. Die Ausgangssignale werden neben den die
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine repräsentierenden Signalen einem
Steuergerät zur Einstellung des Gasdruckstellers während des Betriebs der Brennkraftma
schine zugeleitet.
Aus der Erkenntnis heraus, daß sich die Gaszusammensetzung der regional erhältlichen
Brenngase unterscheidet, sich aber stark auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschi
nen auswirkt, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Steuerung einer
mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge zu schaffen, das mit
geringem Aufwand sowohl für die Sensorik als auch die Steuerung eine Anpassung der
Motorsteuerung an unterschiedliche Gaszusammensetzungen realisiert.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- und
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Gemäß der Erfindung wird die Brenngaszusammensetzung nicht kontinuierlich, sondern nur
in zeitlichen Abständen, vorzugsweise alleinig beim Befüllen des im Kraftfahrzeug befindli
chen Brenngasspeichers, erfaßt und der Regeleinrichtung zur Steuerung der Brennkraft
maschine zugeführt. Aus der sensierten bzw. ermittelten Gaszusammensetzung wird in der
Regeleinrichtung ein Vorsteuersignal gebildet und eventuell gespeichert, das zumindest in
die Bildung des Stellsignals für die Stellmittel (Druckeinstelleinrichtung, Einspritzventile,
Mengenregler, Beeinflussung des Einspritzverlaufs oder Steuerung einer Doppeleinsprit
zung) der Brenngaszufuhr in die Brennkraftmaschine eingeht. Ein anderes Stellmittel, für das
ein Vorsteuersignal aus der Gaszusammensetzung gebildet werden kann, ist beispielsweise
ein Ventil zur Abgasrückführung. Außerdem kann aus der Gaszusammensetzung ein Vor
steuersignal für die Berechnung der Zündparameter oder des Ladedrucks bei Turbolader
motoren ermittelt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird nur die Gaszusammensetzung des dem
Brenngasspeichers während des Befüllvorganges zugeführten Brenngases durch die Sen
sorik erfaßt, da diese sich von der Gaszusammensetzung der noch vorhandenen Rest
menge im Brenngasspeicher unterscheiden kann. Aus der bekannten Gaszusammenset
zung und der noch vorhandenen Menge des alten Brenngases sowie der sensierten Gaszu
sammensetzung und der Menge des zugeführten Brenngases wird dann in der Regeleinrich
tung die neue Gaszusammensetzung ermittelt. Da Sensoren, die eine Aussage über die
vollständige Gaszusammensetzung geben können und nicht nur das Vorhandensein ein
zelner Bestandteile sensieren, sehr aufwendig sind, ist nach einer Ausführungsform vorge
sehen, die Gaszusammensetzung nicht im Kraftfahrzeug zu ermitteln, sondern der Regel
einrichtung des Kraftfahrzeuges beim Befüllen des Brenngasspeichers zu übermitteln. Dies
kann über bereits bekannte Übertragungsverfahren, z. B. induktive Datenübertragung,
erfolgen. Die Sensorik kann dabei in der Befüllstation direkt oder aber auch in der Befüllei
tung für den Brenngasspeicher angeordnet sein. Die Unterbringung in der Befüllstation hat
dabei den Vorteil, daß ein eventueller Einfluß der Gasströmung des unter Druck stehenden
Brenngases nicht berücksichtigt werden muß, sondern die Messung im statischen Zustand
des Brenngases erfolgen kann.
Für die Ermittlung der Gaszusammensetzung können beispielsweise Halbleitersensoren,
deren elektrischer Widerstand sich bei Vorhandensein bestimmter Gasbestandteile ändert,
Schallgeschwindigkeitssensoren oder auch Methoden der Spektralanalyse des Brenngases
zum Einsatz kommen. Bei den Methoden der Spektralanalyse sind zwei wesentliche
Verfahren zu nennen. Zum einen besteht die Möglichkeit, die Anteile für die Verbrennung
wesentlicher Komponenten zu erfassen, indem das Absorptionsspektrum des Brenngases
über einen definierten Wellenlängenbereich, insbesondere dem infraroten Bereich,
wellenlängenselektiv aufgenommen wird. Ein solches Verfahren benötigt einen großen
gerätemäßigen Aufwand und eignet sich deshalb besonders für eine stationäre Messung in
der Befüllstation. Eine Möglichkeit, den Sensor im Kraftfahrzeug einzusetzen, bietet die
Methode, bei der das Absorptionslicht einer oder mehrerer Komponenten des Brenngases
bei definierten Wellenlängen aufgenommen wird, wobei die Intensität des empfangenen
Absorptionssignals über den Vergleich mit einem Referenzsignal als Maß für die
Konzentration der Komponente verwendet wird.
Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Methanzahl
des Brenngases, die den prozentualen Methananteil einer Methan/Wasserstoff- Mischung
angibt, zu erfassen und in deren Abhängigkeit das Vorsteuersignal zu bilden.
Das erfindungsgemäße Steuerverfahren soll nachfolgend anhand eines Blockschaltbildes
näher beschrieben werden, wobei nur ein Brennraum 1 der fremdgezündeten Brennkraft
maschine dargestellt ist. Die Brenngaszufuhr aus dem Brenngasspeicher 2 erfolgt bei der
dargestellten Brennkraftmaschine über die Strömungsverbindung 3 in das Saugrohr 4 für die
Frischluftzufuhr. Bei anderen Brennkraftmaschinen wird das Brenngas und die Frischluft in
eine Vorkammer oder direkt in die Brennkammer 1 geleitet.
In der Strömungsverbindung 3 ist außerdem ein Ventil 17 zum Abtrennen des Brenngasspei
chers 2, ein Druckregler 5 zum Einstellen des Brenngasdruckes in der Strömungsverbindung
3 und ein Brenngasverteiler 6 zum Aufteilen des einströmenden, druckregulierten Brennga
ses auf die einzelnen Brennräume 1 angeordnet. Jedem Brennraum ist außerdem ein Ein
spritzventil 7 zugeordnet, wobei die Mengenregulierung in Abhängigkeit des eingesetzten
System auch in den Einspritzventilen 7 erfolgen kann. In der Strömungsverbindung 3 kann
außerdem ein Sensor 8 zum Erfassen des Brenngasdruckes vorgesehen sein, dessen
Ausgangssignal S8 dann einer Regeleinrichtung 9 neben anderen Sensorsignalen S11, S12,
S18, S19 und S20 zugeleitet wird. So ist neben einem Klopfsensor 20 und dem Drehzahl
sensor 18 in der Abgasleitung 10 eine Lambdasonde 11 für die Erfassung des
Luft/Kraftstoff- Verhältnisses vorhanden. Im Saugrohr 4 wird neben dem Saugrohrdruck
durch den MAP-Sensor 19 die Stellung der Drosselklappe 12 erfaßt und ebenfalls der
Regeleinrichtung 9 zugeführt, die neben den Einspritzventilen 7, den Druckregler 5 und den
Brenngasverteiler 6 für eine den Regelerfordernissen entsprechende Brenngaszufuhr auch
den Zündzeitpunkt der Zündeinrichtung 13 steuert.
Da die Gaszusammensetzung des Brenngases einen hohen Einfluß auf den Wirkungsgrad,
die Motorleistung und die Schadstoffemission hat, ist in der Regeleinrichtung 9 zusätzlich ein
die Gaszusammensetzung kennzeichnendes Vorsteuersignals gespeichert, das sowohl in
die Berechnung der Zündparameter als auch in die Brenngaszufuhr eingeht.
Zur Berechnung des Vorsteuersignals wird der Regeleinrichtung 9 ein Ausgangssignal S15
eines Sensors 15 zur Ermittlung der Gaszusammensetzung übermittelt. Im einfachsten Fall
ist dies ein Sensor, der nur einige für die Verbrennung wichtige Bestandteile ermittelt. Hier
wären Sensoren auf Basis keramischer PTC-Widerstände oder Metalloxidhalbleiter zu
nennen. In einem anderen Fall erfaßt der Sensor 15 die wesentlichen Komponenten der
Gaszusammensetzung. Diese Sensoren basieren meistens auf einer optischen Analyse des
Brenngases. Die Ausführungsform des Sensors bestimmt dabei seinen Unterbringungsort.
So ist der Aufwand für bestimmte Meßeinrichtungen (Sensorik, nachgeschaltete Verarbei
tungseinheit) für einen direkten Einsatz im Kraftfahrzeug oft zu hoch. Aus diesem Grund ist
es von Vorteil, den Sensor 15 zur Ermittlung der Gaszusammensetzung in der Befüllstation
16 zum Auftanken der Brenngasspeicher 2 anzuordnen. Als Beispiel für einen Sensor, der in
der Befüllstation untergebracht sein kann, ist ein auf dem Prinzip der RAMAN-Spektroskopie
basierender Sensor zu nennen. Die Übertragung eines die Gaszusammensetzung
repräsentierenden Signals zur Regeleinrichtung 9 erfolgt dann mit Hilfe bekannter
Übertragungsverfahren, entweder auf herkömmlichen Wege über elektrische Verbindungen
die beim Befüllen geschlossen werden oder auf dem Wege einer kabellosen Übertragung.
Die Regeleinrichtung kennt die Gaszusammensetzung des vor dem Betanken im
Brenngasspeicher vorhandenen Restgases sowie seine Restmenge und kann nun aus den
vorhandenen Daten die aktuelle Gaszusammensetzung im Brenngasspeicher 2 und damit
das Vorsteuersignal für die Steuerung der Brennkraftmaschine berechnen und evtl. in ihrem
Speicher ablegen.
Bezugszeichenliste
1 Brennraum
2 Brenngasspeicher
3 Strömungsverbindung
4 Saugrohr
5 Druckregler
6 Brenngasverteiler
7 Einspritzventil
8 Drucksensor
9 Regeleinrichtung
10 Abgasleitung
11 Lambdasonde
12 Drosselklappe
13 Zündeinrichtung
15 Sensor zur Erfassung der Gaszusammensetzung
16 Befüllstation
19 MAP-Sensor
20 Klopfsensor
S8 Sensorsignal
S15 Sensorsignal
17 Ventil
S11 Sensorsignal
S12 Sensorsignal
S19 Sensorsignal
S20 Sensorsignal
2 Brenngasspeicher
3 Strömungsverbindung
4 Saugrohr
5 Druckregler
6 Brenngasverteiler
7 Einspritzventil
8 Drucksensor
9 Regeleinrichtung
10 Abgasleitung
11 Lambdasonde
12 Drosselklappe
13 Zündeinrichtung
15 Sensor zur Erfassung der Gaszusammensetzung
16 Befüllstation
19 MAP-Sensor
20 Klopfsensor
S8 Sensorsignal
S15 Sensorsignal
17 Ventil
S11 Sensorsignal
S12 Sensorsignal
S19 Sensorsignal
S20 Sensorsignal
Claims (14)
1. Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschi
ne, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die über eine Strömungsverbindung mit einem
Brenngasspeicher (Kraftstofftank) verbundenen ist, wobei in der Strömungsverbindung
von einer Regeleinrichtung steuerbare Stellmittel zur Einstellung der Brenngaszufuhr in
die Brennkraftmaschine angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in zeitlichen
Abständen in Abhängigkeit der Brenngaszusammensetzung im Brenngasspeicher (2) in
der Regeleinrichtung (9) ein Vorsteuersignal gebildet und gegebenenfalls gespeichert
wird, das zumindest in die Bildung des Stellsignals für die Stellmittel (5, 6, 7) der Brenn
gaszufuhr in die Brennkraftmaschine eingeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest beim Befüllen des
Brenngasspeichers (2) die Gaszusammensetzung im Brenngasspeicher ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung und
die Menge des dem Brenngasspeicher (2) während des Befüllvorganges zugeführten
Brenngases ermittelt wird und zumindest aus Zustandsparametern des sich vor dem
Befüllvorgang im Brenngasspeicher (2) befindlichen Restgases in der Regeleinrichtung
(9) die Zusammensetzung des sich nach dem Befüllvorgang im Brenngasspeicher
befindlichen Brenngases ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngaszusammenset
zung des dem Brenngasspeichers (2) während des Befüllvorganges zugeführten
Brenngases mit einem in der das Brenngas an den Brenngasspeicher übergebenden
Befüllstation (16) befindlichen Sensor (15) ermittelt und mit Hilfe üblicher elektronischer
Übertragungsverfahren an die Regeleinrichtung (9) übergeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des
dem Brenngasspeichers (2) während des Befüllvorganges zugeführten Brenngases mit
einem in der Befülleitung des Brenngasspeichers angeordneten Sensor (15) ermittelt
und mit Hilfe üblicher elektronischer Übertragungsverfahren an die Regeleinrichtung (9)
übergeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich vor dem Befüllvor
gang im Brenngasspeicher (2) befindliche Menge des Restgases aus dem Speichervo
lumen des Brenngasspeichers, dem im Brenngasspeicher (2) vorherrschenden Druck
und der Temperatur des Restgases ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Vorsteuer
signals die Zusammensetzung des im Brenngasspeicher (2) befindlichen Brenngases
mit einem im Brenngasspeicher (2) oder in der Strömungsverbindung (3) angeordneten
Sensor (15) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor
(15) zur Ermittlung einer Brenngaszusammensetzung die Methanzahl des Brenngases
ermittelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor
(15) zur Ermittlung der Brenngaszusammensetzungen ein Halbleitersensor ist, dessen
elektrischer Widerstand sich bei Vorhandensein bestimmter Gasbestandteile verändert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn
gaszusammensetzung über Methoden der Spektralanalyse des Brenngases ermittelt
wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsspektren der
Brenngaszusammensetzung über einen definierten Wellenlängenbereich, insbesondere
dem infraroten Bereich, wellenlängenselektiv aufgenommen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionslicht einer
oder mehrerer Komponenten des Brenngases bei definierten Wellenlängen aufgenom
men werden, wobei die Intensität des empfangenen Absorptionslichts über den
Vergleich mit einem Referenzsignal als Maß für die Konzentration der Komponenten
verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das
Vorsteuersignal in die Berechnung von Zündparametern eingeht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
Vorsteuersignal in die Steuerung des Ladedrucks eingeht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19521316.5 | 1995-06-12 | ||
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DE19622105B4 (de) | 2007-01-04 |
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