DE60005751T2

DE60005751T2 - Verfahren zur Umschaltung der Brennstoffe in einer mit Benzin oder Gas getriebenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60005751T2
Application number: DE60005751T
Authority: DE
Inventors: Irene Vergine; Giuseppe Miletto; Massimo Ferrera
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: EP1063399B1; AU747504B2; IT1308747B1; AU4084100A; EP1063399A3; ITTO990536A1; US6321694B1; DE60005751D1; EP1063399A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen, welche ausgestaltet sind, um wahlweise mit Benzin und Gas (z.B. Methan oder LPG) betrieben zu werden, des Typs, welcher ein Benzinversorgungssystem aufweist, das eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Benzin-Einspritzventilen aufweist, von denen jedes mit einem der Zylinder der Maschine verbunden ist, ein Gasversorgungssystem, welches eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Gas-Einspritzventilen aufweist, von denen jedes ebenso mit einem der Zylinder der Maschine verbunden ist, und elektronische Mittel zum Steuern der Benzin-Einspritzventile und Gas-Einspritzventile.
Die vorliegende Anmelderin hat bereits unterschiedliche Lösungen studiert und vorgeschlagen für Brennkraftmaschinen des vorhergehend spezifizierten Typs (siehe z.B. das Europäische Patent Nr. 0801223).
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine des vorhergehend spezifizierten Typs zur Verfügung zu stellen, welche eine Verhinderung der Nachteile ermöglicht, die in bisher gebauten Maschinen während der Treibstoff-Umschaltphase auftreten, d.h. während des Umschaltens von einer Benzinversorgung zu einer Gasversorgung oder umgekehrt von einer Gasversorgung zu einer Benzinversorgung.
Eine erste Unzulänglichkeit, die während dieser Umschaltphase in aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen auftritt, wird durch die erheblichen thermischen Spannungen wiedergegeben, welchen der in dem Motorabgassystem bereitgestellten katalytischen Konverter wegen der ungewünschten Fluktuationen bei der Dosierung des Treibstoffes während der Umwandlungsphase von einem Treibstoff zu dem anderen ausgesetzt ist.
Eine weitere Unzulänglichkeit, welche in bekannten Systemen in Erscheinung tritt, wird durch die Möglichkeit wiedergegeben, dass Inhomogenitäten bei der Bereitstellung des Drehmoments während der vorhergehend erwähnten Umschaltphase auftreten können mit nachfolgenden Problemen hinsichtlich eines geeigneten Fahrverhaltens des Fahrzeugs.
Die vorhergehend erwähnten Probleme entstehen aus der Tatsache, dass, wenn der Motor von einem Benzinbetrieb zu einem Gasbetrieb, oder umgekehrt, umgeschaltet wird, eine anfängliche Übergangsphase auftritt, in welcher es ein gemeinsames Vorhandensein der zwei Treibstoffe in den Zylindern des Motors gibt. Das simultane Vorhandensein in den Verbrennungskammern der Zylinder von den drei Komponenten Luft, Benzin und Gas führen zu Anomalien bei der Erzeugung des Gemisches. Diese Probleme erhöhen sich durch den unterschiedlichen Zustand (flüssig und gasförmig) der zwei Treibstoffe. Insbesondere während des Betriebs des Motors unter normalen Laufbedingungen mit einer Benzinversorgung schlägt sich ein Benzinfilm an den Wänden der Treibstoff-Versorgungsleitungen nieder, dessen Vorhandensein wichtig ist für einen einwandfreien Betrieb des Motors. Umgekehrt, während des Betriebs des Motors mit einer Gasversorgung ist eine einwandfreie Füllung der Verbrennungskammer stets durch die Flüchtigkeit des verwendeten Treibstoffs sichergestellt. Umschalten von einer Benzinversorgung zu einer Gasversorgung, oder umgekehrt von einer Gasversorgung zu einer Benzinversorgung, bedingt folglich zusätzliche Probleme. Die Unzulässigkeiten, die in den Motoren gemäß des Standes der Technik daraus erwachsen, sind derart, dass in bestimmten Fällen die Annahme von drastischen Lösungen erzwungen wird, welche darin bestehen, dass der Umschaltbetrieb nur gestattet wird, wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, um so zu verhindern, dass irgendwelche möglichen Probleme während des Fahrens wegen irgendeinem Drehmomentverlust, welche auf eine Treibstoff-Umschaltung folgt, wenn sich das Fahrzeug bewegt, entstehen können.
Mit einer Absicht, jede der vorhergehenden Probleme auszuräumen, ist ein Verfahren Gegenstand der Erfindung zum Steuern der Treibstoff-Umschaltphase in einer Brennkraftmaschine, welche ausgestaltet ist, um selektiv mit Benzin oder Gas betrieben zu werden, des Typs, welcher zu Beginn der vorliegenden Beschreibung angegeben wurde, dadurch gekennzeichnet, dass immer dann, wenn ein Befehl zum Treibstoff-Umschalten mittels einer Deaktivierung eines der zwei Treibstoff-Versorgungssysteme und einer Aktivierung des anderen Treibstoff-Versorgungssystems ausgegeben wird, die Einspritzventile des Treibstoff-Versorgungssystems, welches aktiviert wurde, während einer Anfangsphase in einer unterschiedlichen An und Weise gesteuert werden im Vergleich zu dem normalen Motorbetriebszustand, um das Übergangsphänomen während des Treibstoffwechsels zu kompensieren.
Insbesondere für den Fall eines Umschaltens von Gas zu Benzin während der vorgenannten anfänglichen Benzin-Betriebsphase werden die Benzin-Einspritzventile für eine längere Zeit offen gehalten als für den normalen Motorbetriebszustand mit dem Zweck, eine schnelle Ausbildung eines Niederschlags eines Benzinfilms auf den Wänden der Treibstoff-Versorgungsleitungen zu ermöglichen, wohingegen für den Fall eines Umschaltens von Benzin zu Gas während der vorgenannten anfänglichen Phase die Gas-Einspritzventile für eine kürzere Zeit offen gehalten werden als für den normalen Motorbetriebszustand, bis eine vollständige Verdampfung des Benzinfilms, der sich auf den Wänden der Rohre im Verlauf der vorangehenden Benzin-Betriebsphase ausgebildet hat, auftritt.
Dank der obigen Eigenschaften kann ein linearer und gleichförmiger Betrieb des Motors erzielt werden mit einem nachfolgenden guten Fahrverhalten des Fahrzeugs während der Treibstoff-Umschaltphase, selbst wenn sich das Fahrzeug fortbewegt.
Ein weiteres Problem, welches zu der vorliegenden Erfindung geführt hat, wird durch die Sicherung einer Anzahl von Komponenten des Motorfahrzeugs wieder gegeben, welche andererseits übermäßige Spannung für den Fall einer Umschaltung von einer Benzin-Versorgung zu einer Gas-Versorgung ausgesetzt würden. Beispielsweise für den Fall von Gassystemen, welche mit einem Druckregulierer, der von dem Motorkühlmittel erwärmt wird, ausgestattet sind, kann für Temperaturen beim Motor statt in den Bereich von –25 bis –30°C ein Gefrieren des Kühlmittels in den Wärmekreislauf des Druckregulierers auftreten, so dass ein Betrieb nicht länger garantiert werden kann und der Druckregulierer selbst wegen der involvierten thermischen Spannungen permanent geschädigt werden könnte.
Im Hinblick, ein derartiges Problem auszuräumen, ist das Verfahren gemäß der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet, dass während des Motorbetriebs die Temperatur zumindest einer vorbestimmten Komponente des Motors auf der Basis eines entsprechenden thermodynamischen Modells geschätzt wird, und dass der Betrieb mit einer Gas-Versorgung gehemmt wird, wenn sich diese geschätzte Temperatur außerhalb eines vorbestimmten Akzeptanzbereichs befindet.
Selbstverständlich ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche ausgestaltet ist, um wahlweise mit Gas oder Benzin betrieben zu werden, des Typs, wie er zu Beginn der vorliegenden Beschreibung spezifiziert wurde, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die vorgenannten elektronischen Steuermittel in solch einer Art und Weise programmiert werden, um den vorhergehend beschriebenen Steuerprozess bereitzustellen.
Die vorhergehend erwähnten Steuermittel können aus zwei elektronischen Steuereinheiten bestehen, von denen eine für eine Steuerung des Benzin-Versorgungssystems reserviert ist, und die andere für eine Steuerung des Methan-Versorgungssystems reserviert ist, oder kann sonst aus einer einzigen elektronischen Steuereinheit bestehen, welche in der Lage ist, beide Treibstoff-Versorgungssysteme zu verwalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich von der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen herausbilden, welche ausschließlich zur Verfügung gestellt werden um ein nicht einschränkendes Beispiel vorzulegen, und in welchen:
1 eine schematische Ansicht der zwei Einspritzsysteme ist, eines für Benzin und eines für Gas, die in einem Motor gemäß der Erfindung vorgesehen sind; und
2 und 3 zwei Blockdiagramme sind, welche die grundlegenden Prinzipien des Steuerverfahrens gemäß der Erfindung darstellen.
Wie bereits vorhergehend spezifiziert betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor, typischerweise einen Mehrfach-Zylindermotor, in welchem eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Benzin-Einspritzventilen (I₁-I₄) und eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Gas-Einspritzventilen (I₅-I₈) mit unterschiedlichen Zylindern des Motors verbunden sind.
Die konstruktiven Details des Motors, der Einspritzventile und der Systeme zum Versorgen der oben erwähnten Einspritzventile mit Treibstoff werden hier nicht dargestellt, soweit derartige Gegenstände in irgendeiner bekannten Art und Weise hergestellt werden können, und fallen selbst nicht in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf die unterschiedlichen Patent-Druckschriften, die von der vorliegenden Anmelderin zu diesem Gebiet (siehe beispielsweise das Europäische Patent Nr. 0801223) eingereicht wurden.
Wie schematisch in 2 dargestellt werden die elektronischen Mittel zum Steuern der Einspritzventile, welche aus einer einzigen Steuereinheit U, oder aus zwei dedizierten Steuereinheiten, u₁ und u₂, bestehen können, in solch einer Art und Weise programmiert, dass während einer Anfangsphase, welche unmittelbar auf eine Treibstoff-Umschaltung folgt, welche durch eine Deaktivierung des einen Treibstoff-Versorgungssystems und einer Aktivierung des anderen Treibstoff-Versorgungssystems durchgeführt wird, die Einspritzventile des Systems, das aktiviert wurde, im Vergleich zu dem normalen Motorbetriebszustand unterschiedlich gesteuert werden. Insbesondere für den Fall eines Umschaltens von Gas zu Benzin während der vorhergehend erwähnten Anfangsphase des Benzinbetriebs werden die Benzin-Einspritzventile für eine längere Zeitspanne als für den normalen Motorbetriebszustand offen gehalten, um eine schnelle Ausbildung eines Niederschlags eines Benzinfilms auf den Wänden der Treibstoff-Versorgungsrohre zu ermöglichen. Stattdessen werden für den Fall eines Umschaltens von Benzin zu Gas während der Anfangsphase die Gas-Einspritzventile für eine kürzere Zeit als für den normalen Motorbetrieb offen gehalten, bis der Benzinfilm, der sich auf den Wänden der Rohre im Verlauf der vorangehenden Benzin-Betriebsphase ausgebildet hat, vollständig verdampft wurde.
Das vorhergehend beschriebene Steuerkriterium wird schematisch in 2 wiedergegeben, wo die Blöcke 1, 2 jeweils das mathematische Modell des Gas-Einspritzventils und das mathematische Modell des Benzin-Einspritzventils angeben, welche von der elektronischen Steuereinheit U (oder den entsprechenden Steuereinheiten u₁ und u₂) zum Steuern des Einspritzens von Gas und Benzin während des Betriebs des Motors bei einer normalen Laufrate verwendet werden. Die Steuerung des Umschaltens zwischen einem Benzin-Betrieb (BZ) und einem Gas-Betrieb (CNG) ist schematisch wiedergegeben und durch das Bezugszeichen 3 bezeichnet worden. Die zwei Blöcke, die mit 4 und 5 bezeichnet sind, repräsentieren den Modifikationsausgleich für das Kriterium zum Steuern der aktivierten Einspritzventile, welches von der elektronischen Steuereinheit aufgenommen wird, um die vorhergehend erwähnten Ergebnisse zu erhalten. Der mit 4 bezeichnete Block, welcher sich auf die Anfangsphase, die der Aktivierung des Gas-Betriebs folgt, bezieht, berücksichtigt die Kompensation, welche in einer Verringerung der Öffnungszeit der Gas-Einspritzventile im Vergleich zu einem Betrieb bei der normalen Motorlaufrate besteht mit dem Zweck, eine Verdampfung des Benzinniederschlags, welcher sich auf den Wänden der Treibstoff- Versorgungsleitungen in der vorangehenden Phase, d.h. während des Benzin-Betriebs, ausgebildet hat, zu ermöglichen. Der mit 5 bezeichnete Block bezieht sich auf die Kompensation, welche in der Phase des anfänglichen Benzin-Betriebs gemacht wird, welcher in einem Anstieg der Öffnungszeit der Benzin-Einspritzventile im Vergleich zu einem Betrieb unter normalen Motorbetriebsbedingungen besteht mit dem Zweck, eine schnelle Ausbildung des Benzinniederschlags auf den Wänden der Treibstoff-Versorgungsleitungen zu ermöglichen. Die dadurch erreichen Kompensationen bestimmen den insgesamten Fluss von Treibstoff (Linie 6) während der Phase eines gemeinsamen Vorhandenseins der zwei Treibstoffe, die auf die Treibstoff-Umschaltung folgt.
3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Eigenschaft des Verfahrens gemäß der Erfindung, welche in, wie dies bereits beschrieben wurde, der Hemmung des Betriebs des Motors mit Gas besteht, wenn das System selbst beurteilt, dass der thermische Zustand von bestimmten gegebenen Komponenten des Motors, wie beispielsweise des Druckregulierers des Gas-Versorgungskreislaufs, ein übermäßiges Risiko für diese Komponenten für den Fall eines Gas-Betriebs beinhaltet. Wie in dem Diagramm von 3 zusammengefasst ist, führt die elektronische Steuereinheit des Systems eine Abschätzung des thermischen Zustands von einer oder mehreren gegebenen Komponenten auf der Basis der Kenntnis des anfänglichen thermischen Zustands (Block 7) und eines mathematischen Modells der Entwicklung des thermischen Zustands der Komponenten (Block 8) durch. Der so berechnete thermische Zustand wird mit einem gegebenen Akzeptanzbereich (Block 9) verglichen. Wenn das Ergebnis des Vergleichs (Block 10) ergibt, dass der thermische Zustand der Komponente in den Akzeptanzbereich fällt, wird der Betrieb des Motors mit Gas ermöglicht (Block 11), wohingegen andererseits ein Betrieb mit Gas gehemmt wird (Block 12).
Selbstverständlich ohne Präjudiz des Prinzips der Erfindung können die Details der Konstruktion und die Ausführungsformen weit variieren hinsichtlich zu demjenigen, was hier lediglich für den Zweck zur Bereitstellung eines Beispiels be schrieben und wiedergegeben wurde, ohne dabei von dem Umfang der vorliegenden Erfindung Abstand zu nehmen.

Claims

Verfahren zum Steuern der Treibstoff-Umschaltphase in einer Brennkraftmaschine, welche ausgestaltet ist, um selektiv mit Benzin oder Gas betrieben zu werden, wobei die Maschine von demjenigen Typ ist, welcher aufweist: ein Benzinversorgungssystem, welches eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Benzineinspritzventilen (I₁–I₄) aufweist, von denen jedes mit einem entsprechenden Zylinder der Maschine verbunden ist, ein Gasversorgungssystem, welches eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Gaseinspritzventilen (I₅–I₈) aufweist, von denen jedes mit einem entsprechenden Zylinder der Maschine verbunden ist, und elektronische Steuermittel (U; u₁, u₂) zum Steuern der Benzineinspritzventile und Gaseinspritzventile (I₁– I₈), so dass jedes Mal, wenn ein Befehl für eine Treibstoff-Umschaltung mittels einer Deaktivierung eines der zwei Treibstoffversorgungssysteme und einer Aktivierung des anderen Treibstoffversorgungssystems ausgegeben wird, die Einspritzventile des Treibstoffversorgungssystems, welches aktiviert wurde, während einer Anfangsphase in einer unterschiedlichen An und Weise gesteuert werden im Vergleich zu dem normalen Maschinenbetriebszustand, so dass das Übergangsphänomen auf Grund des Treibstoffwechsels kompensiert wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Betriebs der Maschine die Temperatur von zumindest einer vorbestimmten Komponente der Maschine auf der Basis eines entsprechenden thermodynamischen Models geschätzt wird und der Betrieb mit der Gasversorgung gehemmt ist, wenn die geschätzte Temperatur sich außerhalb eines vorbestimmten Akzeptanzbereichs befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer Umschaltung von Gas zu Benzin während der vorgenannten anfänglichen Benzinbetriebsphase die Benzineinspritzventile (I₁–I₄) für eine längere Zeit offengehalten werden als für den normalen Maschinenbetriebszustand mit dem Zweck, eine schnelle Bildung eines Niederschlags eines Benzinfilms an den Wänden der Treibstoffversorgungsleitungen zu ermöglichen, wobei, für den Fall einer Umschaltung von Benzin zu Gas während der vorgenannten anfänglichen Phase, die Gaseinspritzventile (I₅– I₈) für eine kürzere Zeit offengehalten werden als für den normalen Maschinenbetriebszustand, bis eine vollständige Verdampfung des Benzinfilms, welcher sich auf den Wänden der Leitungen während der vorhergehenden Benzinbetriebsphase ausgebildet hat, stattgefunden hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasversorgungssystem einen Druckregulierer aufweist, und dass der Betrieb der Maschine gehemmt wird, wenn die vorgenannte elektronische Steuereinheit (U) einen Wert für die Temperatur des vorgenannten Druckregulierers schätzt auf der Basis des vorhergenannten thermodynamischen Models, welcher niedriger als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, beispielsweise im Bereich von –25 bis –30°C.
Brennkraftmaschine, welche ausgestaltet ist, um selektiv mit Benzin oder mit Gas betrieben zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass diese elektronische Steuermittel aufweist, welche in solch einer Art und Weise programmiert sind, um ein Steuerverfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche umzusetzen.