DE19622105B4

DE19622105B4 - Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19622105B4
Application number: DE19622105A
Authority: DE
Inventors: Petra Dr. Möser; Rainer Dipl.-Ing. Wegener; Ulrich-Dieter Dr. Standt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1996-06-01
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-06-02
Also published as: DE19622105A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die über eine Strömungsverbindung mit einem Brenngasspeicher (2) verbunden ist, wobei in der Strömungsverbindung von einer Regeleinrichtung (9) steuerbare Stellmittel zur Einstellung der Brenngaszufuhr in die Brennkraftmaschine angeordnet sind und in zeitlichen Abständen in Abhängigkeit von der Brenngaszusammensetzung im Brenngasspeicher (2) in der Regeleinrichtung (9) ein Vorsteuersignal gebildet wird, das zumindest in die Bildung des Stellsignals für die Stellmittel (5, 6, 7) der Brenngaszufuhr in die Brennkraftmaschine eingeht, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest beim Befüllen des Brenngasspeichers (2) die Gaszusammensetzung im Brenngasspeicher ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die über eine Strömungsverbindung mit einem Brenngasspeicher (Kraftstofftank) verbunden ist, wobei in der Strömungsverbindung von einer Regeleinrichtung steuerbare Stellmittel zur Einstellung der Brenngaszufuhr in die Brennkraftmaschine angeordnet sind.
Der Einsatz von Brenngas, vorzugsweise Erdgas, in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen bietet den Vorteil einer geringeren Schadstoffemission gegenüber mit herkömmlichen Kraftstoffen, wie Benzin und Diesel, betriebenen Brennkraftmaschinen.
Das aus unterschiedlichen Quellen stammende Erdgas weist unterschiedliche Zusammensetzungen 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 Kraftstoff/Luftverhältnisses im Brennraum die Klopfgefahr für den Motor erhöhen oder sich deutliche Veränderungen der Schadstoffemissionen und der Laufruhe der Brennkraftmaschinen zeigen.

In der US-Patentschrift US 5,367,999 A 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 Strömungsverbindung angeordneten Gasdruckstellers in Abhängigkeit verschiedener Gaszustandsgrößen erfolgt. Neben einem Gasdruck- und einem Gastemperarturfühler ist in der Strömungsverbindung zwischen dem Brenngastank und der Brennkraftmaschine auch ein Gaszusammensetzungsmeßfühler 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 Brennkraftmaschine zugeleitet.

In der DE 39 18 683 A1 wird ein Verfahren zum Betrieb von Gasmotoren beschrieben, die mit Sauerstoffüberschuss arbeiten, wobei der Sauerstoffüberschuss des Motorabga ses und die Motorlast gemessen werden und die Messwerte zu einem Signal verarbeitet werden, das zur Beeinflussung der Zusammensetzung des dem Gasmotor zugeführten Brenngas-Luftgemisches dient. Ferner wird ein von der Brenngasqualität abhängiger Messwert ermittelt, der zur zusätzlichen Beeinflussung der Zusammensetzung des Brenngas-Luftgemisches verwendet wird. Die Gasqualitätsmesseinrichtung befindet sich dabei im Bereich der Brenngasleitung.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 92 03 528 U1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Gasverbrauchseinrichtung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung eines Brenngases bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Wärmeleitfähigkeitssensor, einer mit diesem verbundenen Auswertereinrichtung zum Entwickeln eines von der Zusammensetzung des Brenngases abhängigen Steuersignals und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Betriebsparameter der Gasverbrauchseinrichtung. Die Gassensoren sind dabei insbesondere in der Nähe des Gasverbrauchers angeordnet.

Schließlich ist aus der DE 33 05 680 A1 eine Vorrichtung zum Steuern der Treibstoffzufuhr zu einem Flüssiggasmotor bekannt, mit einer ersten Ventileinrichtung zum Steuern des vom Verdampfer zum Vergaser geführten Treibstoffflusses entsprechend der Temperatur des Treibstoffs in flüssiger Phase und einer zweiten Ventilanordnung zum Steuern dieses Treibstoffflusses in Antwort auf den Dampfdruck des Treibstoffs in flüssiger Phase.

Aus der Erkenntnis heraus, daß sich die Gaszusammensetzung der regional erhältlichen Brenngase unterscheidet, sich aber stark auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschinen 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 1 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 befindlichen Brenngasspeichers, erfaßt und der Regeleinrichtung zur Steuerung der Brennkraftmaschine zugeführt. Aus der sensierten bzw. ermittelten Gaszusammensetz ung 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 Doppeleinspritzung) 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 Vorsteuersignal für die Berechnung der Zündparameter oder des Ladedrucks bei Turboladermotoren ermittelt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird nur die Gaszusammensetzung des dem Brenngasspeicher während des Befüllvorganges zugeführten Brenngases durch die Sensorik erfaßt, da diese sich von der Gaszusammensetzung der noch vorhandenen Restmenge im Brenngasspeicher unterscheiden kann. Aus der bekannten Gaszusammensetzung und der noch vorhandenen Menge des alten Brenngases sowie der sensierten Gaszusammensetzung und der Menge des zugeführten Brenngases wird dann in der Regeleinrichtung die neue Gaszusammensetzung ermittelt. Da Sensoren, die eine Aussage über die vollständige Gaszusammensetzung geben können und nicht nur das Vorhandensein einzelner Bestandteile sensieren, sehr aufwendig sind, ist nach einer Ausführungsform vorgesehen, die Gaszusammensetzung nicht im Kraftfahrzeug zu ermitteln, sondern der Regeleinrichtung 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 Befülleitung 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 ein zusetzen, 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 Brennkraftmaschine 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 Brenngasspeichers 2, ein Druckregler 5 zum Einstellen des Brenngasdruckes in der Strömungsverbindung 3 und ein Brenngasverteiler 6 zum Aufteilen des einströmenden, druckregulierten Brenngases auf die einzelnen Brennräume 1 angeordnet. Jedem Brennraum ist außerdem ein Einspritzventil 7 zugeordnet, wobei die Mengenregulierung in Abhängigkeit des eingesetzten Systems 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 Drehzahlsensor 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 gespei chert, 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 Verarbeitungseinheit) 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.

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

Claims

Verfahren zur Steuerung einer zumindest mit Brenngas betreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, die über eine Strömungsverbindung mit einem Brenngasspeicher (2) verbunden ist, wobei in der Strömungsverbindung von einer Regeleinrichtung (9) steuerbare Stellmittel zur Einstellung der Brenngaszufuhr in die Brennkraftmaschine angeordnet sind und in zeitlichen Abständen in Abhängigkeit von der Brenngaszusammensetzung im Brenngasspeicher (2) in der Regeleinrichtung (9) ein Vorsteuersignal gebildet wird, das zumindest in die Bildung des Stellsignals für die Stellmittel (5, 6, 7) der Brenngaszufuhr in die Brennkraftmaschine eingeht, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest beim Befüllen des Brenngasspeichers (2) die Gaszusammensetzung im Brenngasspeicher ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 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.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngaszusammensetzung 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.
Verfahren nach Anspruch 2, 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.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich vor dem Befüllvorgang im Brenngasspeicher (2) befindliche Menge des Restgases aus dem Speichervolumen des Brenngasspeichers, dem im Brenngasspeicher (2) vorherrschenden Druck und der Temperatur des Restgases ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Vorsteuersignals die Zusammensetzung des im Brenngasspeicher (2) befindlichen Brenngases mit einem im Brenngasspeicher (2) angeordneten Sensor (15) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15) zur Ermittlung einer Brenngaszusammensetzung die Methanzahl des Brenngases ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15) zur Ermittlung der Brenngaszusammensetzungen ein Halbleitersensor ist, dessen elektrischer Widerstand sich bei Vorhandensein bestimmter Gasbestandteile verändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngaszusammensetzung über Methoden der Spektralanalyse des Brenngases ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsspektren der Brenngaszusammensetzung über einen definierten Wellenlängenbereich, insbesondere dem infraroten Bereich, wellenlängenselektiv aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionslicht einer oder mehrerer Komponenten des Brenngases bei definierten Wellenlängen aufgenommen werden, wobei die Intensität des empfangenen Absorptionslichts über den Vergleich mit einem Referenzsignal als Maß für die Konzentration der Komponenten verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuersignal in die Berechnung von Zündparametern eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuersignal in die Steuerung des Ladedrucks eingeht.