EP2304209A2 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer solchen brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer solchen brennkraftmaschine

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EP2304209A2
EP2304209A2 EP09780502A EP09780502A EP2304209A2 EP 2304209 A2 EP2304209 A2 EP 2304209A2 EP 09780502 A EP09780502 A EP 09780502A EP 09780502 A EP09780502 A EP 09780502A EP 2304209 A2 EP2304209 A2 EP 2304209A2
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EP
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internal combustion
combustion engine
sensor
determined
gas
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Wolfgang Mai
Paul Rodatz
Rudolf Bierl
Stephan Heinrich
Manfred Weigl
Andreas Wildgen
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Continental Automotive GmbH
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    • F02D41/0032—Controlling the purging of the canister as a function of the engine operating conditions
    • F02D41/004—Control of the valve or purge actuator, e.g. duty cycle, closed loop control of position
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
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    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1459—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being a hydrocarbon content or concentration

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine.
  • a method of operating an internal combustion engine comprising at least one sensor for measuring a hydrocarbon content of a gas stream in a conduit determining the hydrocarbon content of the gas stream flowing through the conduit. The mass flow of gas flowing through the conduit is determined. At least one adjusting device for controlling the gas flow through a line is controlled as a function of the determined hydrocarbon content and the determined mass flow.
  • At least one signal of at least one semiconductor component which is integrated in the at least one sensor can be evaluated.
  • the at least one sensor may have at least one temperature sensor. At least one signal of the at least one temperature sensor can be evaluated. It is also possible to evaluate at least one signal of at least one ultrasound receiver. From the signals, it is relatively easy to deduce the hydrocarbon content and the mass flow.
  • At least one valve disposed on the conduit may be controlled depending on the determined hydrocarbon content and the determined mass flow. As a result, it can be controlled relatively accurately how much energy in the form of gaseous hydrocarbons is conducted to the internal combustion engine via the intake air.
  • the fuel supply to an internal combustion engine can be controlled depending on the determined hydrocarbon content and the determined mass flow.
  • the mixture of fuel and gaseous hydrocarbons of the intake air can be set as well as possible.
  • An internal combustion engine comprises at least one sensor for measuring a hydrocarbon content of a gas stream in a pipe.
  • the internal combustion engine comprises an evaluation device for evaluating at least one signal of the at least one sensor.
  • Control of the gas flow through the line is with the Auswer- telagen coupled and controlled by the evaluation device in dependence of the evaluated signals.
  • the at least one sensor may have at least one heating element for heating a gas flow and at least one temperature sensor.
  • the at least one sensor can have at least one first and one second temperature sensor, wherein the at least one heating element is arranged between the first temperature sensor and the second temperature sensor. In this structure can be relatively close to the hydrocarbon content and the mass flow back.
  • the at least one sensor can have at least one ultrasound source and at least one ultrasound receiver, which are arranged in the line.
  • the at least one ultrasound source and the at least one ultrasound receiver may be formed as a single component.
  • the adjusting device can be arranged on the line.
  • the adjusting device may comprise a valve which can be controlled by clocking as a function of at least one signal of the evaluation unit.
  • clocking as a function of at least one signal of the evaluation unit.
  • the evaluation unit may be part of an engine control for operating the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a sensor and a valve in a line
  • FIG. 3 a schematic representation of a sensor according to a further embodiment
  • FIG. 4 is a flowchart of a method.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 100 which has a fuel tank 104, an internal combustion engine 112 and a hydrocarbon tank 106.
  • Fuel 105 is stored in the fuel tank 104.
  • Gaseous hydrocarbons 107 may be directed from the fuel tank 104 into the hydrocarbon tank 106 via a conduit 108 coupled to the fuel tank 104 and the hydrocarbon tank 106.
  • the hydrocarbon tank is coupled via a line 109 to the engine 112, in particular the intake tract of the internal combustion engine.
  • the conduit 109 has a valve 102 and a plurality of hydrocarbon sensors 101.
  • the hydrocarbon sensors are configured to measure a hydrocarbon content of a gas stream.
  • the hydrocarbon sensors can also measure the mass flow of hydrocarbons in the gas stream. It may also be arranged only a hydrocarbon sensor, it can also be arranged more hydrocarbon sensors, for example, the hydrocarbon tank 106.
  • the hydrocarbon sensors can also be arranged on other lines, for example on the line 108.
  • the valve is set up, the gas flow to the engine to interrupt.
  • the gas flow through the conduit 109 may be controlled by the valve 102. It can also be arranged a plurality of valves, for example, two or more valves.
  • valves may be arranged, for example, on the line 108th
  • the valve 102 is coupled via an electrical line 111 to a motor controller 103.
  • the sensors 101 are coupled via an electrical line 110 to the engine controller.
  • the engine control unit 103 which has an evaluation device 114, controls the valves and can evaluate signals from the sensors.
  • the fuel 105 can be fed via a fuel delivery unit via fuel lines to the internal combustion engine 112, where it is injected via injection valves 115 in the intake manifold and in the internal combustion engine for combustion.
  • the exhaust gases of the combustion process are conveyed away from the engine through an exhaust line.
  • a lambda sensor 116 is arranged, which can determine a ratio of air to fuel. For this purpose, the lambda probe measures the residual oxygen content in the exhaust gas.
  • the fuel 105 such as a gasoline
  • hydrocarbons such as methane, butane or propane volatilize.
  • the different hydrocarbon chains have different evaporation temperatures, so that different hydrocarbons are released from the liquid fuel 105 depending on the outside temperature. The higher the outside temperature and thus the temperature of the fuel 105, the more hydrocarbons pass into the gas phase.
  • the tank 104 in which the fuel 105 is stored, is gas-tight.
  • the fuel cap gas-tightly closes a filler neck of the fuel tank.
  • the hydrocarbon-containing gas mixture that forms in the tank 104 is fed via line 108 into the hydrocarbon tank 106.
  • the hydrocarbon tank may contain an activated carbon storage element.
  • the evaporated hydrocarbons are taken up by the activated carbon, stored and released again when needed. If the hydrocarbon tank has absorbed a certain amount of hydrocarbons, it can tion 109 be emptied. For this purpose, air is blown into the hydrocarbon tank from the outside via a valve 113, which takes up the hydrocarbons.
  • the hydrocarbon-containing air can be used as intake air for the internal combustion engine 112 and thus contribute to combustion in the engine.
  • the sensors for measuring a hydrocarbon content include, for example, a heating element for heating a gas flow and a temperature sensor.
  • the sensor is integrated on a silicon chip.
  • the flowing past the sensor element gas stream is heated and based on signals from the temperature sensor, which are evaluated by the engine control, in particular the evaluation unit, the thermal conductivity or the heat capacity of the gas flowing past can be determined. From this, the concentration of the hydrocarbon in the gas stream can be determined, since this is proportional to the thermal conductivity or heat capacity of the gas.
  • the mass flow of the gas flowing through the conduit gas flow can be determined.
  • the hydrocarbon sensor may also include at least one ultrasound source and at least one ultrasound receiver. These sensors are located in line 101 so that ultrasound can be sent through the gas stream and travel from the ultrasound source to the ultrasound receiver. Ultrasound can be emitted once in a direction opposite to the direction of the gas flow and once rectified with the direction of the gas flow. This can be up a speed of sound in the gas mixture and on the media speed are closed. From this it can be concluded that the hydrocarbon content and the mass flow of the gas stream.
  • the at least one ultrasound source 301 and the at least one ultrasound receiver 303 can also be embodied as a single component.
  • Such an ultrasonic transducer is arranged to generate ultrasonic waves in response to electrical signals. It is also adapted to generate electrical signals from received ultrasonic waves. The ultrasonic transducer can convert electrical signals into acoustic signals and can convert acoustic signals into electrical signals.
  • the evaluation unit 114 evaluates the signals of the sensors, so that the concentration of hydrocarbons and the mass flow of the gas flow through the line 109 is known. It is thus known how much energy is supplied to the internal combustion engine 112 in the form of gaseous hydrocarbons.
  • the engine controller 103 controls the injectors 115 accordingly so that less fuel is injected as more hydrocarbon is supplied via the intake air.
  • the amount of gaseous hydrocarbon may be controlled via the valve 102.
  • the valve 102 is controlled, for example via pulse width modulated signals from the engine control.
  • the valve can be clock-controlled as a function of at least one signal of the evaluation unit.
  • the activated carbon filter can be emptied relatively quickly, since the controller operates relatively quickly, especially in comparison with a controller based on data from the lambda probe.
  • the amount of fuel injected into the internal combustion engine via the injection valves 115 does not become Basis of static maps, which are stored in the engine control, controlled, but determined directly by the sensors and the evaluation 114. Valve 102 is driven based on this data. For example, production tolerances and aging effects of the valve in the control of the valve and the control of other components, for example the injection valves 115, can also be taken into account.
  • FIG. 2 shows a sensor 200 and a valve 204, which are arranged in a line 206.
  • a gas 205 is performed in line 206.
  • the sensor 200 has a temperature sensor 201 and a further temperature sensor 203, which are each arranged on one side of a heating element 202.
  • the sensor 200 is configured to measure the concentration of hydrocarbon in the gas 205.
  • the sensor 200 is further configured to measure the mass flow of hydrocarbon in the gas 205 through the conduit 206.
  • the sensor 200 may be coupled to an evaluation device, which is for example part of an engine controller for operating an internal combustion engine.
  • the sensor 200 is integrated, for example, on a silicon substrate and may comprise further elements, for example an evaluation circuit or an analog-to-digital converter.
  • the temperature sensor 201 and the temperature sensor 203 may each have a plurality of temperature sensors for measuring a temperature.
  • the gas 205 flowing past the sensor 200 is heated by the heating element 202 in a defined manner.
  • the temperature sensor 201 which is located upstream of the heating element, detects the temperature of the gas flow before the gas flow is heated.
  • the further temperature sensor 203 which is arranged downstream of the heating element 202, detects the temperature of the heated gas. About a difference of this
  • Temperatures can be concluded on the heat capacity of the gas. From the sum of these temperatures can on the Thermal conductivity of the gas to be closed. From this, the content of hydrocarbons in the gas 205 and the mass flow through the line 206 can be calculated.
  • the valve 204 may be controlled.
  • the valve 204 may be coupled to an engine controller for operating an internal combustion engine, in particular the evaluation device of the engine control.
  • the valve 204 is controlled as a function of the determined hydrocarbon concentration and the mass of hydrocarbons in the gas stream determined by the sensor. For example, the valve is controlled via a pulse width modulated signal.
  • the valve 204 may be a clocked valve that is clocked, for example, at a frequency of 20 Hz.
  • the sensor 200 can be used to determine very accurately when and how much hydrocarbons will flow through the line 206. By the sensor 200 can be determined very accurately when and how far the valve 204 is opened.
  • the engine control or the evaluation device can measure the amount of energy provided by the gas flow as accurately as possible. This information can in turn be used to control the valve 204 and to control fuel injectors of the engine to optimally control the fuel to gas ratio.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a hydrocarbon sensor 300.
  • the sensor 300 has an ultrasound source 301, which can likewise serve as an ultrasound receiver.
  • the sensor has a further ultrasound source 303, which can also serve as an ultrasound receiver.
  • the ultrasound sources 301 and 303 are arranged at a defined distance from one another in a line 306.
  • Hydrocarbon-containing gas 305 flows through conduit 306.
  • An ultrasonic reflector 302 is disposed on the conduit.
  • the ultrasound sources and receivers may also be arranged opposite, so that no sound reflector is necessary. From the ultrasonic source 301, an ultrasonic pulse is emitted, which is sent via the ultrasonic reflector 302 to the other ultrasonic receiver 303.
  • the runtime required can be measured by an evaluation device.
  • the further ultrasonic receiver is used as an ultrasonic source.
  • the ultrasonic source 303 emits an ultrasonic pulse that travels in a direction against the gas flow via the ultrasonic reflector 302 to the first sound receiver 301. The runtime required for this is measured by the evaluation device.
  • the speed of sound in the gas mixture 305 and the speed at which the gas mixture flows through the conduit can be determined. For this purpose, a summation runtime and a differential runtime can be formed.
  • at least one valve can be controlled and thereby the gas flow through the line 306 can be controlled.
  • at least one injection valve of an internal combustion engine can also be controlled. By the determined data, an exact ratio of fuel to gas in the combustion chambers of the internal combustion engine can be adjusted.
  • a first step S1 of a method for operating an internal combustion engine as shown in FIG. 4 the start takes place, which can be close to a start of the internal combustion engine.
  • the hydrocarbon content of a gas stream flowing through a conduit is determined.
  • the mass flow of the gas flow flowing through the conduit is determined.
  • at least one adjusting device is controlled as a function of the determined hydrocarbon content and the determined mass flow.
  • the adjusting device may comprise a valve which, depending on a pulse width modulating th signal an evaluation device is clock controlled.
  • a valve can be controlled so that it is controllable how much gaseous hydrocarbon is supplied to the internal combustion engine.
  • the fuel supply to the internal combustion engine can be controlled.
  • Controlling the fuel supply is dependent on the determined hydrocarbon content and the determined mass flow. Between step S2 and step S3 there is a constant feedback.
  • the valve can be controlled depending on the evaluated signal of the sensor.
  • the sensor can do that

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Abstract

Während des Betriebs einer Brennkraftmaschine (100), die mindestens einen Sensor (101) zur Messung eines Kohlenwasserstoffgehalts und eines Massenstrom eines Gasstroms durch eine Leitung (109) aufweist, werden der Kohlenwasserstoffgehalt und der Massenstrom des Gasstroms ermittelt. In Abhängigkeit der ermittelten Werte wird der Gasstrom durch die Leitung gesteuert.

Description

Beschreibung
Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmas chine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
Aus dem Treibstofftank eines Kraftfahrzeugs, in dem bei- spielsweise Benzin gelagert ist, können Abgase austreten, die sich aus dem Treibstoff lösen. Leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe können sich bei hohen Außentemperaturen oder durch Erschütterungen des Treibstofftanks während der Fahrt aus dem Treibstoff lösen und als Gas den Treibstofftank verlassen. Um dem entgegenzuwirken, können Treibstofftanks gasdicht abgeschlossen werden. Die flüchtigen Kohlenwasserstoffe werden dann in einem Speicher zwischengespeichert und können der Ansaugluft des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Wenn nicht oder nicht ausreichend genau bekannt ist, wie viel Kohlenwas- serstoffe in der Ansaugluft gelöst sind, kann nicht genau genug gesteuert werden, wie viel weniger Kraftstoff eingespritzt werden muss, um ein möglichst optimales Kraftstoff- /Luft-Verhältnis zu erreichen. Dies führt zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und gegebenenfalls auch zu schlechteren Abgaswerten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, die emissionsärmer und/oder sparsamer arbeitet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die mindestens einen Sensor zur Messung eines Kohlenwasserstoffgehalts eines Gasstroms in einer Leitung aufweist, umfasst ein Ermitteln des Kohlenwasserstoffgehalts des durch die Leitung strömenden Gasstroms. Der Massenstrom des durch die Leitung strömenden Gasstroms wird ermittelt. Mindestens eine Stellvorrichtung zur Steuerung des Gasstroms durch eine Lei- tung wird abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom gesteuert.
Es kann mindestens ein Signal mindestens eines Halbleiterbauelements, das in dem mindestens einen Sensor integriert ist, ausgewertet werden. Der mindestens eine Sensor kann mindestens einen Temperatursensor aufweisen. Mindestens ein Signal des mindestens einen Temperatursensors kann ausgewertet werden. Es kann auch mindestens ein Signal mindestens eines Ultraschallempfängers ausgewertet werden. Aus den Signalen kann relative einfach auf den Kohlenwasserstoffgehalt und den Massestrom rückgeschlossen werden.
Mindestens ein Ventil, das an der Leitung angeordnet ist, kann abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massestrom gesteuert werden. Dadurch kann relativ genau gesteuert werden, wie viel Energie in Form von gasförmigen Kohlenwasserstoffen an den Verbrennungsmotor über die Ansaugluft geleitet wird.
Die Treibstoffzufuhr an einen Verbrennungsmotor kann abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom gesteuert werden. Dadurch kann das Gemisch aus Treibstoff und gasförmigen Kohlenwasserstoffen der Ansaugluft möglichst gut eingestellt werden.
Eine Brennkraftmaschine umfasst mindestens einen Sensor zur Messung eines Kohlenwasserstoffgehalts eines Gasstroms in einer Leitung. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten mindestens eines Signals des mindes- tens einen Sensors. Mindestens eine Stellvorrichtung zur
Steuerung des Gasstroms durch die Leitung ist mit der Auswer- teeinrichtung gekoppelt und von der Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit der ausgewerteten Signale steuerbar.
Der mindestens eine Sensor kann mindestens ein Heizelement zum Aufheizen eines Gasstroms und mindestens einen Temperatursensor aufweisen. Der mindestens eine Sensor kann mindestens einen ersten und einen zweiten Temperatursensor aufweisen, wobei das mindestens eine Heizelement zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor ange- ordnet ist. In diesem Aufbau kann relativ genau auf den Koh- lenwasserstoffgehalt und dem Massenstrom rück geschlossen werden .
Der mindestens eine Sensor kann in einer weiteren Ausfüh- rungsform mindestens eine Ultraschallquelle und mindestens einen Ultraschallempfänger aufweisen, die in der Leitung angeordnet sind. Die mindestens eine Ultraschallquelle und der mindestens einen Ultraschallempfänger können als ein einziges Bauelement ausgebildet sein. So kann der Kohlenwasserstoffge- halt und der Massestrom möglichst genau ermittelt werden.
Die Stellvorrichtung kann an der Leitung angeordnet sein. Die Stellvorrichtung kann ein in Abhängigkeit mindestens eines Signals der Auswerteeinheit taktsteuerbares Ventil umfassen. So ist die Steuerung des Gasstroms durch die Leitung relativ kostengünstig und genau realisierbar.
Die Auswerteeinheit kann Teil einer Motorsteuerung zum Betrieb der Brennkraftmaschine sein.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 erläuterten Beispielen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Sensors und eines Ventils in einer Leitung,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 100, die einen Treib- stofftank 104, einen Verbrennungsmotor 112 sowie einen Koh- lenwasserstofftank 106 aufweist. In dem Treibstofftank 104 ist Treibstoff 105 gelagert. Gasförmige Kohlenwasserstoffe 107 können über eine Leitung 108, die mit dem Treibstofftank 104 und dem Kohlenwasserstofftank 106 gekoppelt ist, aus dem Treibstofftank 104 in den Kohlenwasserstofftank 106 geleitet werden. Der Kohlenwasserstofftank ist über eine Leitung 109 mit dem Verbrennungsmotor 112 gekoppelt, insbesondere dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors .
Die Leitung 109 weist ein Ventil 102 sowie eine Mehrzahl von KohlenwasserstoffSensoren 101 auf. Die Kohlenwasserstoffsen- soren sind eingerichtet, einen Kohlenwasserstoffgehalt eines Gasstroms zu messen. Die KohlenwasserstoffSensoren können zudem den Massenstrom der Kohlenwasserstoffe in dem Gasstrom messen. Es kann auch lediglich ein Kohlenwasserstoffsensor angeordnet sein, es können auch weitere Kohlenwasserstoffsen- soren angeordnet sein, beispielsweise am Kohlenwasserstofftank 106. Die KohlenwasserstoffSensoren können auch an weiteren Leitungen angeordnet sein, beispielsweise an der Leitung 108. Das Ventil ist eingerichtet, den Gasstrom an den Verbrennungsmotor zu unterbrechen. Der Gasstrom durch die Leitung 109 kann von dem Ventil 102 gesteuert werden. Es können auch mehrere Ventile angeordnet sein, beispielsweise zwei oder mehr Ventile. Auch an weiteren Leitungen können Ventile angeordnet sein, beispielsweise an der Leitung 108. Das Ventil 102 ist über eine elektrische Leitung 111 mit einer Motorsteuerung 103 gekoppelt. Die Sensoren 101 sind über eine elektrische Leitung 110 mit der Motorsteuerung gekoppelt. Die Motorsteuerung 103, die eine Auswerteeinrichtung 114 aufweist, steuert die Ventile und kann Signale der Sensoren auswerten.
Der Treibstoff 105 kann über eine Kraftstofffördereinheit über Kraftstoffleitungen zum Verbrennungsmotor 112 geführt werden, wo er über Einspritzventile 115 in den Ansaugtrakt eingespritzt wird und im Verbrennungsmotor zur Verbrennung kommt. Die Abgase des Verbrennungsprozesses werden durch einen Abgasstrang vom Motor weg gefördert. Im Abgasstrang ist eine Lambdasonde 116 angeordnet, die ein Verhältnis von Luft zu Treibstoff bestimmen kann. Dazu misst die Lambdasonde den Restsauerstoffgehalt im Abgas.
Aus dem Treibstoff 105, beispielsweise ein Benzin, verflüchtigen sich Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, Butan oder Propan . Die verschiedenen Kohlenwasserstoffketten weisen unterschiedliche Verdampfungstemperaturen auf, so dass abhängig von der Außentemperatur unterschiedliche Kohlenwasserstoffe aus dem flüssigen Treibstoff 105 ausgelöst werden. Je höher die Außentemperatur und damit die Temperatur des Treib- Stoffs 105 desto mehr Kohlenwasserstoffe gehen in die Gasphase über. Der Tank 104, in dem der Treibstoff 105 gelagert ist, ist gasdicht ausgeführt. Der Tankdeckel schließt einen Einfüllstutzen des Treibstofftanks gasdicht ab. Das kohlen- wasserstoffhaltige Gasgemisch, das sich in den Tank 104 bil- det, wird über die Leitung 108 in den Kohlenwasserstofftank 106 geführt.
Der Kohlenwasserstofftank kann ein Aktivkohlespeicherelement enthalten. Die ausgedampften Kohlenwasserstoffe werden von der Aktivkohle aufgenommen, gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben. Wenn der Kohlenwasserstofftank eine gewisse Menge an Kohlenwasserstoffen aufgenommen hat, kann er über die Lei- tung 109 entleert werden. Dazu wird in den Kohlenwasserstoff- tank von außen über ein Ventil 113 Luft eingeblasen, die die Kohlenwasserstoffe aufnimmt. Die kohlenwasserstoffhaltige Luft kann als Ansaugluft für den Verbrennungsmotor 112 ver- wendet werden und damit zur Verbrennung im Motor beitragen.
Da durch die Kohlenwasserstoffe in der Ansaugluft dem Verbrennungsmotor eine gewisse Energiemenge zugeführt wird, kann über die Einspritzventile 115 entsprechend weniger Treibstoff eingespritzt werden. Zur Regelung dieses Verhältnisses werden der Kohlenwasserstoffgehalt der zugeführten Luft und der Massestrom durch die Leitung 109 über die Kohlenwasserstoffsen- soren gemessen.
Die Sensoren zur Messung eines Kohlenwasserstoffgehalts weisen beispielsweise ein Heizelement zum Aufheizen eines Gasstroms und einen Temperatursensor auf. Beispielsweise ist der Sensor auf einem Siliziumchip integriert. Der am Sensorelement vorbeiströmende Gasstrom wird aufgeheizt und anhand von Signalen des Temperatursensors, die von der Motorsteuerung insbesondere der Auswerteeinheit ausgewertet werden, kann die Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise die Wärmekapazität des vorbeiströmenden Gases ermittelt werden. Daraus kann die Konzentration des Kohlenwasserstoffs in dem Gasstrom ermittelt werden, da diese proportional zu Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise Wärmekapazität des Gases ist. Zudem kann der Massenstrom des durch die Leitung strömenden Gasstroms ermittelt werden .
Der Kohlenwasserstoffsensor kann auch mindestens eine Ultraschallquelle und mindestens einen Ultraschallempfänger aufweisen. Diese Sensoren sind so in der Leitung 101 angeordnet, dass Ultraschall durch den Gasstrom geschickt werden kann und von der Ultraschallquelle zum Ultraschallempfänger läuft. Ul- traschall kann einmal in eine der Richtung des Gasstroms entgegengesetzte Richtung und einmal gleichgerichtet mit der Richtung des Gasstroms ausgesendet werden. Daraus kann auf eine Schallgeschwindigkeit in dem Gasgemisch und auf die Mediengeschwindigkeit geschlossen werden. Daraus kann auf den Kohlenwasserstoffgehalt und dem Massenstrom des Gasstroms geschlossen werden. Die mindestens eine Ultraschallquelle 301 und der mindestens einen Ultraschallempfänger 303 können auch als ein einziges Bauelement ausgeführt sein. Ein solcher Ultraschallwandler ist eingerichtet, als Antwort auf elektrische Signale Ultraschallwellen zu erzeugen. Er ist auch eingerichtet, aus empfangenen Ultraschallwellen elektrische Signale zu erzeugen. Der Ultraschallwandler kann elektrische Signale in akustische Signale wandeln und er kann akustische Signale in elektrische Signale wandeln.
Die Auswerteeinheit 114 wertet die Signale der Sensoren aus, so dass die Konzentration an Kohlenwasserstoffen und der Massenstrom des Gasstroms durch die Leitung 109 bekannt ist. Damit ist bekannt, wie viel Energie in Form von gasförmigen Kohlenwasserstoffen dem Verbrennungsmotor 112 zugeführt wird. Die Motorsteuerung 103 steuert die Einspritzventile 115 ent- sprechend, so dass weniger Treibstoff eingespritzt wird, wenn mehr Kohlenwasserstoff über die Ansaugluft zugeführt wird. Die Menge an gasförmigem Kohlenwasserstoff kann über das Ventil 102 gesteuert werden. Das Ventil 102 wird beispielsweise über pulsweitenmodulierte Signale von der Motorsteuerung ge- steuert. Das Ventil kann in Abhängigkeit mindestens eines Signals der Auswerteeinheit taktsteuerbar sein. Durch die Sensoren, die in Strömungsrichtung des Gasstroms dem Ventil 102 nachgeordnet sind, kann ermittelt werden, wie viel gasförmige Kohlenwasserstoffe durch das Ventil gelangen. Daraus kann auch der genaue Öffnungszeitpunkt des Ventils ermittelt werden. Der Aktivkohlefilter kann relativ schnell entleert werden, da die Steuerung relativ schnell arbeitet, insbesondere im Vergleich mit einer Steuerung, die auf Daten der Lambdasonde beruht.
Die Menge an Treibstoff, die über die Einspritzventile 115 in den Verbrennungsmotor eingespritzt wird, wird nicht auf Grundlage von statischen Kennfeldern, die in der Motorsteuerung abgespeichert sind, gesteuert, sondern direkt durch die Sensoren und die Auswerteeinrichtung 114 bestimmt. Das Ventil 102 wird anhand dieser Daten angesteuert. So können auch Fer- tigungstoleranzen und Alterungseffekte des Ventils in der Steuerung des Ventils und der Steuerung anderer Bauteile, beispielsweise der Einspritzventile 115, berücksichtigt werden .
Figur 2 zeigt einen Sensor 200 und ein Ventil 204, die in einer Leitung 206 angeordnet sind. In der Leitung 206 wird ein Gas 205 geführt. Der Sensor 200 weist einen Temperatursensor 201 und einen weiteren Temperatursensor 203 auf, die jeweils auf einer Seite eines Heizelements 202 angeordnet sind. Der Sensor 200 ist eingerichtet, die Konzentration von Kohlenwasserstoff in dem Gas 205 zu messen. Der Sensor 200 ist weiterhin eingerichtet, den Massestrom von Kohlenwasserstoff in dem Gas 205 durch die Leitung 206 zu messen. Durch das Ventil 204 kann der Gasstrom durch die Leitung 206 gesteuert werden. Der Sensor 200 kann mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt sein, die beispielsweise Teil einer Motorsteuerung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine ist.
Der Sensor 200 ist beispielsweise auf einem Siliziumsubstrat integriert und kann weitere Elemente umfassen, beispielsweise eine Auswerteschaltung oder einen Analog-Digital-Wandler . Der Temperatursensor 201 und der Temperatursensor 203 können jeweils mehrere Temperaturfühler zum Messen einer Temperatur aufweisen. Das an dem Sensor 200 vorbeiströmende Gas 205 wird von dem Heizelement 202 definiert aufgeheizt. Der Temperatursensor 201, der stromaufwärts des Heizelements angeordnet ist, erfasst die Temperatur des Gasstroms bevor der Gasstrom aufgeheizt wird. Der weitere Temperatursensor 203, der stromabwärts des Heizelements 202 angeordnet ist, erfasst die Tem- peratur des aufgeheizten Gases. Über eine Differenz dieser
Temperaturen kann auf die Wärmekapazität des Gases geschlossen werden. Aus der Summe dieser Temperaturen kann auf die Wärmeleitfähigkeit des Gases geschlossen werden. Daraus kann der Gehalt an Kohlenwasserstoffen im Gas 205 und der Massenstrom durch die Leitung 206 berechnet werden.
Abhängig von diesen Daten kann das Ventil 204 gesteuert werden. Das Ventil 204 kann mit einer Motorsteuerung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere der Auswerteeinrichtung der Motorsteuerung, gekoppelt sein. Das Ventil 204 wird in Abhängigkeit der ermittelten Kohlenwasserstoffkonzentrati- on und der von dem Sensor ermittelten Masse an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom gesteuert. Beispielsweise wird das Ventil über ein Pulsweiten moduliertes Signal gesteuert. Das Ventil 204 kann ein getaktetes Ventil sein, das beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz getaktet ist. Über den Sensor 200 kann sehr genau festgestellt werden, wann und wie viel Kohlenwasserstoffe durch die Leitung 206 strömen. Durch den Sensor 200 kann sehr genau festgestellt werden, wann und wieweit das Ventil 204 geöffnet ist. Durch die Daten des Sensors 200 kann die Motorsteuerung beziehungsweise die Auswerteeinrich- tung die Menge an Energie, die durch den Gasstrom bereitgestellt wird, möglichst exakt messen. Diese Information kann wiederum verwendet werden zur Steuerung des Ventils 204 und zur Steuerung von Einspritzventilen der Brennkraftmaschine, um das Verhältnis von Treibstoff zu Gas möglichst optimal zu steuern.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung eines Kohlenwasserstoffsensors 300. Der Sensor 300 weist eine Ultraschallquelle 301 auf, die ebenfalls als Ultraschallempfänger dienen kann. Der Sensor weist eine weitere Ultraschallquelle 303 auf, die ebenfalls als Ultraschallempfänger dienen kann. Die Ultraschallquellen 301 und 303 sind in einem definierten Abstand zueinander in einer Leitung 306 angeordnet. Durch die Leitung 306 strömt kohlenwasserstoffhaltiges Gas 305. An der Leitung ist ein Ultraschallreflektor 302 angeordnet. Die Ultraschallquellen und Empfänger können auch gegenüber liegend angeordnet sein, so dass kein Schallreflektor nötig ist. Von der Ultraschallquelle 301 wird ein Ultraschallimpuls ausgesendet, der über den Ultraschallreflektor 302 zum weiteren Ultraschallempfänger 303 gesendet wird. Die dabei benötigte Laufzeit kann von einer Auswerteeinrichtung gemessen werden. Nachdem der Ultraschallpuls von der ersten Ultraschallquelle 301 über den Ultraschallreflektor 302 zum weiteren Ultraschallempfänger 303 gelaufen ist, wird der weitere Ultraschallempfänger als Ultraschallquelle genützt. Die Ultraschallquelle 303 sendet einen Ultraschallimpuls aus, der in eine Richtung gegen den Gasstrom über den Ultraschallreflektor 302 zum ersten Schallempfänger 301 läuft. Die dazu benötigte Laufzeit wird von der Auswerteeinrichtung gemessen.
Aus den gemessenen Laufzeiten zwischen den Ultraschallquellen und Ultraschallempfängern lässt sich die Schallgeschwindigkeit in dem Gasgemisch 305 und die Geschwindigkeit bestimmen, mit der das Gasgemisch durch die Leitung strömt. Dazu kann eine Summenlaufzeit und eine Differenzlaufzeit gebildet werden. In Abhängigkeit der ermittelten Daten kann mindestens ein Ventil gesteuert werden und dadurch der Gasstrom durch die Leitung 306 gesteuert werden. In Abhängigkeit dieser Daten kann auch mindestens ein Einspritzventil eines Verbrennungsmotors gesteuert werden. Durch die ermittelten Daten kann ein genaues Verhältnis von Treibstoff zu Gas in den Brennkammern des Verbrennungsmotors eingestellt werden.
In einem ersten Schritt Sl eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wie in Figur 4 gezeigt, erfolgt der Start, der zeitnah zu einem Start der Brennkraftmaschine sein kann. In einem zweiten Schritt S2 wird der Kohlenwasserstoffgehalt eines durch eine Leitung strömenden Gasstroms ermittelt. In dem Schritt S2 wird zudem der Massenstrom des durch die Leitung strömenden Gasstroms ermittelt. In einem dritten Schritt S3 wird mindestens eine Stellvorrichtung abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom gesteuert. Die Stellvorrichtung kann ein Ventil umfassen, das in Abhängigkeit von einem pulsweiten modulier- ten Signal einer Auswerteeinrichtung taktsteuerbar ist. In Schritt S3 kann ein Ventil gesteuert werden, so dass steuerbar ist, wie viel gasförmiger Kohlenwasserstoff der Brennkraftmaschine zugeführt wird. In Schritt S3 kann die Treib- stoffzufuhr an den Verbrennungsmotor gesteuert werden. Das
Steuern der Treibstoffzufuhr ist abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom. Zwischen dem Schritt S2 und dem Schritt S3 besteht eine ständige Rückkopplung. Das Ventil kann abhängig von dem ausgewerteten Signal des Sensors gesteuert werden. Der Sensor kann das
Steuern des Ventils überprüfen, indem er den Kohlenwasserstoffgehalt und den Massenstrom des Gasstroms stromabwärts des Ventils misst. Dadurch kann die Funktionsfähigkeit des Ventils kontrolliert werden, indem die gemessen Daten mit ge- speicherten Soll-Daten verglichen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100), die mindestens einen Sensor (101) zur Messung eines Koh- lenwasserstoffgehalts eines Gasstroms in einer Leitung (109) aufweist, umfassend:
- Ermitteln des Kohlenwasserstoffgehalts des durch die Leitung (109) strömenden Gasstroms;
- Ermitteln des Massenstroms des durch die Leitung (109) strömenden Gasstroms;
Steuern mindestens einer Stellvorrichtung (102) zur Steuerung des Gasstroms durch die Leitung, abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom, - Auswerten mindestens eines Signals mindestens eines
Temperatursensors (203) , den der mindestens eine Sensor (101; 200) aufweist, oder Auswerten mindestens eines Signals mindestens eines Ultraschallempfängers (303) , wobei aus dem mindestens einen Signal der Koh- lenwasserstoffgehalt und der Massenstrom ermittelt werden .
2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Auswerten mindestens eines Signals mindestens eines Halbleiterbauele- ments, das in dem mindestens einen Sensor (101) integriert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: Steuern mindestens eines Ventils, das an der Leitung (109) ange- ordnet ist, abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Steuern der Treibstoffzufuhr an einen Verbrennungsmotor (112), abhängig von dem ermittelten Kohlenwasserstoffgehalt und dem ermittelten Massenstrom.
5. Brennkraftmaschine (100), umfassend:
- mindestens einen Sensor (101) zur Messung eines Kohlenwasserstoffgehalts eines Gasstroms in einer Leitung (109) ; - eine Auswerteeinrichtung (114) zum Auswerten mindestens eines Signals des mindestens einen Sensors (101; 200);
- mindestens eine Stellvorrichtung (102) zur Steuerung des Gasstroms durch die Leitung (109), die mit der Auswerteeinrichtung gekoppelt ist und von der Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit der ausgewerteten Signale steuerbar ist, bei der der mindestens eine Sensor (101; 200) mindestens ein Heizelement (202) zum Aufheizen eines Gasstroms und mindestens einen Temperatursensor (203) aufweist, oder bei der der mindestens eine Sensor (101; 300) mindestens eine Ultraschallquelle (301) und mindestens einen Ultraschallempfänger (303) aufweist, die an der Leitung angeordnet sind, wobei der mindestens eine Sensor (101; 200) ausgebildet ist zum Ermitteln des Kohlenwasserstoffgehalts und des Massenstroms.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, bei der der mindestens eine Sensor (101; 200) mindestens einen ersten (201) und einen zweiten (203) Temperatursensor aufweist, wobei das mindestens eine Heizelement (202) zwischen dem ersten Temperatursensor (201) und dem zweiten Temperatursensor (203) angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, bei der die mindestens eine Ultraschallquelle (301) und der mindestens einen Ultraschallempfänger (303) als ein einziges Bauelement ausgebildet sind.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Stellvorrichtung (102) an der Leitung (109) angeordnet ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Stellvorrichtung (102) ein in Abhängigkeit mindestens eines Signals der Auswerteeinheit (114) taktsteuerbares Ventil umfasst.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die Auswerteeinheit (114) Teil einer Motorsteuerung
(105) zum Betrieb der Brennkraftmaschine ist.
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