SE534605C2 - Förfarande och anordning för bestämning av sammansättning av en bränsleblandning - Google Patents

Description

534 605 2 baserande finns det bränslesortsensorer som bestämmer bränslesammansättningen med hjälp av dielektriska egenskaper hos bränsleblandningen. Andra bränsesortsenso- rer använder den varierande elektriska ledningsförmågan eller de olika optiska egen- skaperna hos bränslen som exempelvis de olika brytningsindexen.

I DE 41 12 574 är ett bränsletillförselsystem för en förbränningsmotor beskrivet i vilket drifttillstàndet hos förbrånningsmotorn registreras och mängden av bränsle som skall tillföras styrs motsvarande resultaten av denna registrering. Därvid är det förutsett att bränsletillförselsystemet omfattar ett brånsesortsregistreringsmedel för registrering av bränslesort samt ett räknemedel för beräkning av ett hos bränslesorten, motsvarande teoretiskt luft/ bränsleförhållande i överensstämmelse med registreringsresultatet hos bränslesortregistreringsmedlet och att mängden av bränslet som skall tillföras styr under användning av det från räknemedlet erhållna teoretiska luft-bränsleförhållandet som mål-luft-bränsleförhållande. Därvid kan det vara förutsett att bränslesortregistrerings- medlet registrerar bränslesorten genom mätning av åtminstone antingen brytningsin- dexet. dielektricitetskonstanten eller molvärmen hos bränslet i flytande tillstånd.

En exakt bestämning av etanolhalten är svår enligt teknikens ståndpunkt eftersom även vatten kan ingå i bränsleblandningen. En ytterligare sensor med motsvarande styrning är därför nödvändig för etanoldetektion. Dessa etanolsensorer är dyra och känsliga för fel.

Vidare är det känt att den karakteristiska feta kurvan hos plana bredband-lambdasonder starkt beror av molekylmassan m hos den indiffunderande fetgasen och diffusions- konstanten D är proportionell till roten ur m (Physik Journal Nr. 5 - 2006, sid. 33-38).

Sådana bredband-lambdasonder är exempelvis kända ur DE 102005061890 A1 liksom från DE 102005043414 A1 varvid DE 102005061890 A1 beskriver uppbyggnaden av en bredband-lambdasond vid vilken uppfinningsenligt utnyttjandet av bestämda kemiska element är förutsett vid dess uppbyggnad.

Från DE 102005043414 A1 är ett förfarande känt för bestämning av gaskomponentema i avgasen från en förbränningsmotor, vid vilket en slutsats dras om koncentrationen av enskilda komponenter hos avgasen, speciellt åtminstone en från syre skild gaskompo- nent, från signalen från en iavgasströmmen anordnad bredbandssond och signalen 534 605 3 från en i avgasströmmen anordnad diskret nivåsond. Likaså är i denna skrift en motsva- rande anordning beskriven.

Uppfinningens uppgift är att ställa ett förfarande och en anordning till förfogande vilka genom användning av avgassondfunktioner hos en avgassond understödjer en bräns- leanalys vid Flex-Fuel-blandningar samt vid detta förmår att ersätta ytterligare etanol- sensorer.

Fördelar hos uppfinningen Uppfinningen uppgift avseende förfarandet löses därigenom att sammansättningen av bränsleblandningen bestäms från en av komponentema hos avgasen olikt beroende signal för en pumpström eller en pumpströmsändring hos en pumpcell hos avgasson- den. Speciellt oxideras oförbrända bränslen resp. bränslekomponenter vid ytterelektro- den eller hos måtelektroden hos avgassonden, varigenom utgångssignalen från avgas- sonden påverkas. Därvid skiljer sig olika bränslen, exempelvis alkohol och bensin i sitt oxidationsbeteende och i sin oxidationskinetik och därmed i sin påverkan på utgångs- signalen från avgassonden. Med hjälp av utgångssignalen från avgassonden kan därför en slutsats dras om sammansättningen av bränsleblandningen. Detta kan utnyttjas obe- roende av motortemperatur respektive motortillstånd. Fördelaktigt är härvid att bestäm- ningen av sammansättningen av bränsleblandningen kan ske med hjälp av avgasson- der som i alla fall är förutsedda i moderna förbränningsmotorer och därmed krävs inga ytterligare komponenter och sensorer. Detta är fördelaktigt i avseende på en förenkling och en därmed förbunden kostnadsreduktion. l en föredragen förfarandevariant tillförs avgassonden åtminstone tidvis en bestämd fet bränsleblandning vid känd luftmassa och en etanolandel i bränslet bestäms från pump- strömmen vid den kända luftmasseströmmen, känd fetgasmängd och känd motorför- bränningstemperatur. Sådana “fettutflykter" används redan vid förbränningsmotorer för diagnossyften eller vid dieselmotorer för regeneration av katalysatorer resp. partikelfllter och kan därför utnyttjas för att bestämma bränslesammansättningen. Beroende av de i avgasen förhandenvarande komponenterna inställer sig speciellt vid k < 1 en variabel pumpström som kan utvärderas. Det vatten som eventuellt ingår är härvid som inertgas inte delaktigt. 534 605 l en föredragen variant av förfarandet tillförs en bestämd fet bränsleblandning vid känd luftmassa i periodiska avstånd, d v s taktat.

Därvid dras en slutsats, speciellt från ledkomponentema CO och H2 i avgasen, om den ursprungliga relativa sammansättningen av det förbrända bränslet. Därvid kan det vara förutsatt att förhållandet av CO och H2 används som mått för den relativa sammansätt- ningen av bränslet. Dessas andelar skiljer sig allt efter bränslets sammansättning. Prak- tiskt ger sig en känslighet som rör sig mellan ledkomponenterna CO och H2. Ur dessas faktiska storlek följer under beaktande av luftmasseströmmen och insprutningsmängden slutsatsen om bränslesammansättningen.

En föredragen förfarandevariant förutser att den feta bränsleblandningen tillförs avgas- sonden medelst bränsledoseranordningen som efterinsprutning, Speciellt är tillförandet av den feta bränsleblandningen fördelaktig vid kallt motortillstånd under varmköming av förbränningsmotorn. \fid kall motor resp. avgasrör kan oförbrända och även ej deloxide- rade bränsleandelar nå avgassonden så att de enskilda känsligheterna hos avgasson- den avseende på de för bensin och etanol typiska komponenterna är förhöjda.

Därvid kan det även vara förutsett att, vid sidan av ledkomponenterna CO och H2 i av- gasen, bestäms även ledkomponenterna av oförbränd bensin och etanolkolvåten och jämförs. Därvid måste efterinsprutningsmängden vara känd och (det måste) säkerstäl- las att den utfaller tillräckligt stor för att prägla gassammansättningen i området av in- byggnadspositionen av avgassonden.

Avgassonden kan utan ytterligare komponenter och utan en påverkan av driften av för- bränningsmotom även tillföras oförbränt bränsle genom att bränsleblandningen tillförs förbränningsmotorn medelst bränsledoseranordningen vid motorbromsning. Speciellt vid separatantändande förbränningsmotorer sker under motorbromsning ingen tändning så att bränslet resp. bränsleblandningen kan passera förbränningsrummet oförbränt.

Därvid öppnas företrädesvis en spjällklaff under bränsletillförseln vid motorbromsning av förbränningsmotorn för att åstadkomma ett kallt motortillstånd. Sådana testinsprutningar används exempelvis även för drivkalibrering av insprutningsventilerna vid dieselförbrän- 534 B05 ningsmotorer. Likaså kan bränslet, vid efterinsprutning passera oförbränt, såsom utnytt- jas vid regeneration av en oxidationskatalysator.

En förfarandevariant förutser att andelen av väte bestäms genom ändringen av pump- strömmen vid olika avgastryck. Härvid utnyttjar man effekten att den fria medelvägläng- den av en gas beror av dess massa och förhållandet av gasfaser till Knudsen-diffusion är en funktion av molekylmassaförhållandet vid ett bestämt lambdavärde.

Reaktionen av sensorströmmen på periodiska tryckvariationer i avgasen beror av strömningsegenskapema hos gasmolekylerna och därmed av förekommande molekyl- massor som varierar beroende av bränslesammansättning respektive avgassamman- sättning. Därför kan i en ytterligare förfarandevariant vara förutsatt, att vid periodiska tryckvariationer vid känt lambdavärde och kända tryckamplituder bestäms den relativa vätehalten ur amplituden av pumpströmmen eller ur dess fasförskjutning till tryckvaria- tionerna. Så skapas mer C02 vid en fetgas med hög kolväteandel, så att spridnings- tvärsnittsförhöjningen av bärargasen är högre än vid en hög väteandel. Krökningen hos den karakteristiska feta kurvan tilltar därför. Dessutom avtar gasströmmen vid tryckpul- ser vid stora molekyler eftersom viskositeten tilltar. Den ytterligare utströmningen ge- nom den uppstående inertgasen i det feta området minskar därtill det dynamiska tryck- beroendet.

En så långsamt som möjligt katalytisk oxidation av det oförbrända bränslet vid ytterelek- troden respektive mätelektroden hos avgassonden leder till en förbättrad tiltförlitlighet och mätnoggrannhet vid bestämningen av sammansättningen av bränsleblandningen med hjälp av utgängssignalen från avgassonden. Därför kan det vara förutsett att pump- strömändringen fastställs vid olikt inställda sensortemperaturer. En förminskad tempera- tur hos avgassonden och därmed ytterelektroden respektive mätelektroden leder exem- pelvis till en förminskad oxidationshastighet hos bränslekomponenten. En jämförelse av mätvärdena vid olika sensortemperaturer kan höja noggrannheten av bestämningen av bränslesammansättningen. I samband med en åtminstone delvis och/eller periodisk sänkning av temperaturen hos ytterelektroden kan, i kombination med en ytterligare monterad platinayta vid ytterelektroden för förkatalys, känsligheten hos avgassonden höjas ytterligare. 534 B05 6 En andra förfarandevariant förutser att avgassonden regleras med sin pumpcell på ett lambdavärde k z 1 under det att bränsledoseringen styrs på så sätt att pumpströmmen vid en positiv pumpspänning (ca 600 mV) återgår till noll och anslutande vid oförändrad insprutningsmängd en Nernstspänning bestäms och jämförs med Nernstspänningen för ett lambdavärde x = 1. Det exakta värdet av det sig inställande lambdavärdet bestäms från diffusionsegenskapema hos en diffusionsbarriär hos avgassonden, som låter väte och syre diffundera olika fort. Den uppmätta Nemstspänningen vid detta lambdavärde bestäms från diffusionskonstanten av ett yttre skyddsskikt hos avgassonden. Då det yttre skyddsskiktet separerar väte och syre olika gentemot diffusionsbarriären hos av- gassonden inställer sig en spänning som inte exakt motsvarar ett lambdavärde av 7. = 1 utan allt efter typ av fetgas awiker därifrån.

Beträffande anordningens uppgift förutses som lösning, att avgassonden är en bred- band-lambdasond som är anordnad motornära, i riktning av avgasströmmen framför en första katalysator och att avgassonden åtminstone tidvis är tillförbar en bestämd fet bränsleblandning. Bredband-lambdasonder används redan idag vanligen i avgaskana- len hos förbränningsmotorer. En sådan avgassond uppvisar en från komponentema hos avgasen och dessas andel i avgasen olikt beroende pumpström respektive en pump- strömändring och kan därför utnyttjas vid motsvarande koppling och utvärdering av pumpströmmen respektive pumpströmsändringen i en styrenhet utan användning av ytterligare sensorer för bestämning av sammansättningen av bränsleblandningen.

Förfarandet och/eller anord ningen låter sig kostnadsgynnsamt användas för bestämning av sammansättningen av en bensinletanol-bränsleblandning och/eller en bensin/ metanol-bränsleblandning och/eller en bensin/etanol/metanol-bränsleblandning vid för- bränningsmotorer som för drift kan drivas med regenerativa bränslen av tidigare nämnd sort.

Noggrannheten av bestämningen av sammansättningen av bränsleblandningen med hjälp av avgassensorer är beroende av olika påverkande storheter, bl a från den an- vända avgassensorn. Redan en noggrannhet bättre än 30% kan nyttjas som komplette- rande index till Software-algoritmer med vilka redan i dag sammansättningen av bräns- Ieblandningen bestäms enligt olika förfaranden. Med en noggrannhet bättre än 10% kan 534 505 7 en etanolsensor av låg kvalitet fullständigt ersättas, med en noggrannhet bättre än 5% en kvalitativ högvärdig etanolsensor enligt teknikens ståndpunkt av i dag. Därför kan det vara förutsett att bestämningen av sammansättningen av bränsleblandningen uteslu- tande sker från signalen av avgassonden eller genomförs i en kombination med andra förfaranden för bestämning av sammansättningen av bränsleblandningen.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningen förklaras i det följande närmare med hjälp av det i figurerna skildrade utfö- ringsexemplet. Det visar: Fig. 1a och Fig. 1b i en schematisk skildring en bredband-Iambdasond som avgas- sond vid olika avgassammansättningar och Fig. 2 lett diagram, sammanhanget mellan syrehalten hos avgasen och en pumpström hos avgassonden för olika beståndsdelar av avga- sen.

Utföringsformer av uppfinningen Fig. la och Fig. 1b visari en schematisk skildring en avgassond 10 som är utförd som bredband-Iambdasond och å ena sidan är fylld med en fet avgas 20 (Fig. la) och å andra sidan med en mager avgas 30 (Fig. 1b).

Avgassonden 10 är därvid anordnad motornära i en avgaskanal hos en förbrännings- motor i strömningsriktningen av avgasen framför en katalysator. Förbränningsmotorn uppvisar en insugningskanal med en luftmassemätare med vilken massan av den till förbränningsmotom tillförda luften bestäms. Omedelbart framför förbränningsmotom är en bränsledoseringsanordning förutsedd. Bränsledoseringsanordningen möjliggör att tillföra förbränningsmotorn bestämda mängder av en bränsleblandning. Förbrännings- motorn kan vara utförd som Otto-motor som drivs i Flex-Fuel-drift med bränslebland- ningar av bensin och alkohol respektive metanol. Därvid sprutas bränsleblandningen omedelbart framför inloppsventilen hos förbränningsmotorn in i inloppskanalen och till- förs förbränningsmotorn tillsammans med den insugna luften. 534 B05 Avgassonden 10 som t ex är beskriven i DE 102005061890 A1 omfattar en pumpcell med en yttre elektrod 12 och en inre elektrod 17 liksom en s k nernstcell (även beteck- nad som sensorcell) med en mätelektrod 18 och en referenselektrod 19. Avgassonden är i regel uppbyggd i planarteknik från flera fastelektrolytskikt 11. Vidare är en i en isolering inbäddad värmeanordning för uppvärmning av sensorelementet förutsedd (inte visad i figuren). Avgasen 20, 30 kan tillföras genom en öppning 14 i form av en borrning och genom en diffusionsbarriär 15 in i ett mätrum 16. l mätrummet 16 är därvid den inre elektroden 17 hos pumpcellen liksom mätelektroden 18 hos nernstcellen anordnad. Den yttre elektroden 12 uppvisar ett skyddsskikt 13 på den till avgasen 20, 30 vända yttersi- dan av avgassonden 10. Referenselektroden 19 är anordnad i en referensluftkanal vil- ken är fylld med omgivningsluft. Över nernstcellen mäts en potentialdifferens, den s k Nernstspänningen 70 mellan mät- elektroden 18 och referenselektroden 19. Vid pumpcellen anläggs en spänning utifrån.

Denna skapar en som pumpström 60 betecknad ström med vilken - poiaritetsberoende - syrejoner transporteras.

En elektronisk styrkrets orsakar att pumpcellen alltid tillför resp. bortför precis så mycket syre i form av Oz-joner hos avgasvolymen, vilken står i kontakt med mätrummet 16 över diffuslonsbarriären 15, att ett lambdavärde av I. = 1 sig lnställeri mätrummet 16 varvid vid mager avgas 30 (vid luftöverskott) syre bortpumpas och vid fet avgas 20 däremot syre tillförs. Den genom reglerkretsen inställda pumpströmmen 60 beror av lufttalet lambda i avgasen och bildar utgångssignalen hos bredband-lambdasonden. Pump- strömmen 60 är i fallet av mager avgas 20, i vilken framförallt 02 och även NO före- kommer som ledkomponenter, positiv och i fallet av fet avgas 30 med ledkomponenter- na CO, H2 och HC (kolväten), negativ.

Pumpströmmen 60 beror i första hand av lufttalet k hos avgasen varvid detta dock även påverkas genom en varierande avgassammansättning vid samma k. Denna påverkan baseras på olika diffusionskoefficienter vid diffusionsbarriären 15 vid bestämda avgas- komponenter. Så har, speciellt i det feta området, förhållandet mellan CO och H2 en effekt vilken återigen beror från bränslesammansättningen. 534 605 Fig. 2 visar i ett diagram sambandet mellan syrehalten hos avgasen och pumpström- men 60 hos den som avgassond 10 utnyttjade bredband-lambdasonden för olika be- ståndsdelar hos avgasen. Skildrad är pumpströmmen 60 å ena sidan i beroende av en procentuell syrehalt 40 vid mager avgas 30 liksom från ett procentuellt syreunderskott 50 vid fet avgas 20 och å andra sidan från ett där ur resulterande lambdavärde 80 som i det visade diagrammet ligger inom området mellan ca k z 0,5 (extremt fet) till 7. ß 20 (extremt mager). l olika karakteristiska kurvor 90 är förloppen skildrade för olika ledkomponenter. l områ- det av mager avgas 30 är endast den karakteristiska 02 -kurvan 91 skildrad, vilken ut- sträcker sig i den första kvadranten av diagrammet, d v s vid positiv pumpström 60 och syreöverskott resp. procentuell syrehalt 40. l området av fet avgas 20 och negativ pumpström 60 (d v s itredje kvadranten av diagrammet) är de karakteristiska kurvoma för ledkomponenterna CO, H2, CH., och C3H6 92, 93, 94, 95 skildrade vilka skiljer sig signifikant så att dessa kan utvärderas.

Enligt uppfinningen är det därvid förutsatt att avgassonden 10 för bestämning av sam- mansättningen av bränsleblandningen tidvis, till en del, tillförs extrem fet avgas i form av oförbränd eller åtminstone delvis förbränd bränsleblandning. Bestämningen av bränsle- sammansättningen sker exempelvis under separata diagnosfaser exempelvis under motorbromsfas av förbränningsmotom eller under varmkömingsfas av förbränningsmo- torn i form av en efterinsprutning, med hjälp av skillnader i pumpströmmen 60 vid an- vändning av bränsleblandningar av olika sammansättningen Därvid kan ändringen av pumpströmmen 60 utvärderas gentemot en känd referens. För bestämning av bränsle- sammansättningen av den tillförda bränsleblandningen är även vid bredband- lambdasonder lägre temperaturer hos avgassonden 10 fördelaktiga. Därvid är tempera- turområden från 550°C till 700°C och 400-550°C lämpliga.

Förfarandet stödjer den exakta och tillförlitliga bestämningen av sammansättningen av en bränsleblandning, vid i Flex-Fuel-drift drivna förbränningsmotorer med förhandenva- rande komponenter. Speciellt vid användning av en bredband-lambdasond kan det där- vid avstås från ytterligare sensorer vilket medför kostnadsfördelar.

Claims (16)

534 605 10 Patentkrav

1. Förfarande för bestämning av sammansättningen av en bränsleblandning av ett för- sta och åtminstone ett andra bränsle för drift av en förbränningsmotor, varvid förbrän- ningsmotorn uppvisar en bränsledoseringsanordning och åtminstone en avgassond (10) i en avgaskanal hos förbränningsmotom, kännetecknat av att avgassonden (10) tidvis tillförs en bestämd fet avgas i form av oförbränd eller åtminstone delvis oförbränd bräns- leblandning och att sammansättningen av bränsleblandningen bestäms från en, av komponentema hos avgasen olikt beroende, signal för en pumpström (60) eller en pumpströmsändring hos en pumpcell hos avgassonden (10)

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att avgassonden (10) tillförs den bestäm- da feta bränsleblandningen vid känd luftmassa och att en etanolandel i bränslet be- stäms från pumpströmmen (60) vid den kända luftmasseströmmen. kända fetgasmäng- den och känd motorförbränningstemperatur.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att en bestämd fet bränslebland- ning tillförs vid känd luftmassa i periodiska avstånd.

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att från ledkomponentema CO och H2 i avgasen dras en slutsats om den ursprungliga relativa sammansättningen av det förbrända bränslet.

5. Förfarande enligt krav 4, kännetecknat av att förhållandet av CO och H2 används som mått för den relativa sammansättningen av bränslet.

6. Förfarande enligt något av kraven 1-5, kännetecknat av att den bestämda feta bränsleblandningen tillförs avgassonden (10) medelst bränsledoseranordningen som efterinsprutning eller under en motorbromsning av förbränningsmotorn.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att tillförandet av den bestämda feta bränsleblandningen genomförs vid kallt motortillstànd under varrnköming av förbrän- ningsmotom. 534 605 ll

8. Förfarande enligt kraven 6 eller 7, kännetecknat av att vid sidan av Iedkomponen- tema C0 och H2 i avgasen bestäms och jämförs även ledkomponentema av oförbrända bensin- och etanol-kolväteämnen.

9. Förfarande enligt något av kraven 6-8, kännetecknat av att under bränsletillförsel vid motorbromsning av förbränningsmotom öppnas en spjällklaff.

10. Förfarande enligt något av kraven 1-9, kännetecknat av att andelen av väte be- stäms genom ändringen av pumpströmmen (60) vid olika avgastryck.

11. Förfarande enligt något av kraven 1-10, kännetecknat av att vid periodiska tryckva- riationer vid känt Iambdavärde och kända tryckampiituder bestäms den relativa vätehal- ten ur amplituden hos pumpströmmen (60) eller ur dess fasförskjutning till tryckvariatio- nema.

12. Förfarande enligt något av kraven 1-11, kännetecknat av att pumpströmsändringen fastställs vid olikt inställda sensortemperaturer.

13. Förfarande enligt något av kraven 1-12, kännetecknat av att avgassonden (10) re- gleras med sin pumpcell på ett k-värde (80) k z 1 genom att bränsledoseringen styrs pà så sätt att pumpströmmen (60) vid en positiv pumpspänning återgår till noll, och anslu- tande, vid oförändrad insprutningsmängd, bestäms en Nemstspänning (70) och jämförs med Nemstspänningen (70) för ett k-värde (80) 7. = 1.

14. Förfarande enligt något av kraven 1-13, kännetecknat av att som avgassond (10) används en bredband-lambdasond.

15. Anordning för bestämning av sammansättningen av en bränsleblandning av ett för- sta och åtminstone ett andra bränsle för drift av en förbränningsmotor, varvid åtminsto- ne en avgassond (10) är anordnad i förbränningsmotoms avgaskanal, kännetecknar! av att avgassonden (10) är en bredband-lambdasond som är anordnad motomära i rikt- ning av avgasströmmen framför en första katalysator och att en bränsledoseringsan- ordning är ombesörjd, medelsts vilken avgassonden (10) åtminstone tidvis är tillförbar en bestämd fet bränsleblandning, och att avgassonden (10) uppvisar en, av komponen- 534 605 12 tema hos avgasen och dessas andel i avgasen, olikt beroende pumpström (60) eller en pumpströmsändring samt uppvisar en utvärderingsanordning för pumpströmmen eller pumpströmsåndringen.

16. Användning av förfarandet enligt något av kraven 1-14 och/eller användning av an- ordningen enligt krav 15 för bestämning av sammansättningen av en bensinletanol- bränsleblandning och/eller en bensin/metanol-bränsleblandning och/eller en ben- sin/etanoI/metanol-bränsleblandning vid en förbränningsmotor för regenerativa bräns- len.