WO2020207783A1 - Verfahren zum betreiben eines kraftstoffsystems, steuergerät und kraftstoffsystem - Google Patents

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WO2020207783A1 PCT/EP2020/058114 EP2020058114W WO2020207783A1 WO 2020207783 A1 WO2020207783 A1 WO 2020207783A1 EP 2020058114 W EP2020058114 W EP 2020058114W WO 2020207783 A1 WO2020207783 A1 WO 2020207783A1
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Wolfgang Sander
Tobias FALKENAU
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel system which is used to supply an internal combustion engine of a motor vehicle with natural gas.
  • the invention also relates to a control device suitable for carrying out the method and a fuel system which can be operated according to the method according to the invention.
  • Natural gas is a gas mixture containing hydrocarbons, the chemical composition of which can vary considerably depending on the source.
  • the main component of natural gas is methane.
  • higher-chain hydrocarbons such as ethane and / or propane can be included.
  • Natural gas can also contain low-boiling substances such as nitrogen.
  • the metering of fuel is usually done with the help of one or more fuel injectors. When metering, the fuel quality, along with other parameters, in particular pressure and temperature, is a variable that influences the flow through the injector. For precise metering, it is therefore necessary to know the qualitative composition of the fuel. The accuracy of the metering in turn has a decisive influence on the safety, smoothness, consumption and pollutant emissions of the combustion engine.
  • the present invention is therefore based on the object of increasing the metering accuracy of a fuel system when supplying an internal combustion engine with natural gas.
  • the proposal is for a method for operating a fuel system which is used to supply an internal combustion engine of a motor vehicle with natural gas.
  • the natural gas is stored in liquid form in a tank on board the motor vehicle and conveyed by means of a fuel pump via a fuel line into a rail to which at least one fuel injector for injecting natural gas into a combustion chamber of the internal combustion engine is connected.
  • an absorption spectrum is generated and recorded with the help of an optical spectrometer. From equal to the recorded absorption spectrum with absorption spectra of known compositions, conclusions are drawn about the composition of the Erdga ses present on board.
  • the fuel metering can be optimized, in particular the metering accuracy can be increased, so that as a result the fuel consumption and the pollutant emissions ons of the internal combustion engine decrease.
  • the method can be carried out on board the motor vehicle, in particular when the internal combustion engine is running.
  • the information about the composition of the natural gas obtained by comparison is preferably used to determine at least one other substance quantity of the natural gas that is relevant for fuel metering, in particular to determine the speed of sound in natural gas and / or the density and / or the calorific value of the natural gas.
  • all substance parameters relevant for the fuel metering can be determined.
  • the parameters of the fuel metering can be optimally set so that the prescribed emission limit values are reliably observed.
  • the internal combustion engine can be operated in the optimum range for the respective natural gas composition, so that fuel costs are saved.
  • Measures for exhaust aftertreatment can also be dimensioned as small as possible.
  • At least one previously determined substance variable is advantageously used as a correction variable for the fuel metering.
  • radiation preferably infrared radiation
  • an area carrying natural gas for example in the tank, in the fuel line, in the rail and / or in an intermediate storage device upstream of the rail, using a radiation source of the spectrometer.
  • the radiation generates molecular vibrations in the natural gas, which at the same time lead to a weakening of the radiation, which is characteristic of a certain composition of the natural gas. This means that certain radiation components are absorbed.
  • the absorption spectrum is preferably recorded using a detector of the spectrometer.
  • the absorption spectrum can be recorded directly or indirectly. In the latter case, the radiation is deflected or reflected at at least one interface.
  • the detector for recording the absorption spectrum can in this case be arranged next to the radiation source and / or built in with the radiation source as a unit.
  • the absorption spectrum is preferably generated and recorded at a known temperature and at a known pressure. Alternatively or in addition, the temperature and pressure can be measured over time with the help of a suitable sensor system. Since the temperature and the pressure influence the absorption spectrum and / or other material sizes to be determined, the same boundary conditions must be created in order to ensure the comparability of the determined material sizes.
  • the generation and recording of the absorption spectrum are advantageously carried out in a temperature range and / or in a pressure range which results in absorption characteristics which are particularly characteristic for certain compositions of the natural gas. This means that differences emerge particularly clearly, which makes it easier to assign a recorded absorption spectrum to an absorption spectrum of a known composition.
  • absorption spectra be generated and recorded in different areas carrying natural gas, for example in the tank, in the fuel line, in the rail and / or in an intermediate store upstream of the rail.
  • natural gas is available in liquid form or as gas. The recordings made for different states can be used to check the plausibility of the results.
  • the comparison of a recorded absorption spectrum with known absorption spectra is carried out with the aid of a control device in which at least one characteristic map is stored for performing the comparison.
  • a specific Erdgaszu composition can be deduced from the map. If a recorded absorption spectrum deviates from an expected absorption spectrum, conclusions can be drawn about a changed composition of the natural gas.
  • at least one operating parameter can be adapted in order to continue to ensure low fuel consumption and low pollutant emissions.
  • At least one further substance quantity of the natural gas composition that is relevant for the fuel metering is preferably determined with the aid of the control device.
  • this information can be used to calculate all the substance quantities relevant for the metering.
  • the speed of sound in the natural gas and / or the density and / or the calorific value of the natural gas can be determined.
  • the speed of sound and the density represent material parameters which in particular influence the flow of natural gas through a fuel injector.
  • These substance sizes enable an optimal setting of the fuel mass flow depending on the natural gas composition.
  • the calorific value determines the energy content of the natural gas. If the energy content of the natural gas is known, the amount of energy entered into the internal combustion engine can be limited to increase operational safety. Furthermore, an engine and / or construction partial protection is achieved in this way.
  • the at least one other determined substance variable relevant for the fuel metering can subsequently also be used as a correction variable for the fuel metering.
  • all of the determined substance variables are preferably stored in a memory of the control device and / or other functions are made available in the control device. In this way, the efficiency of the process can be further increased.
  • control device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • At least one characteristic map is preferably stored in the control unit, which enables a comparison of a recorded absorption spectrum with absorption spectra of known compositions.
  • the composition of the natural gas can be inferred from the absorption spectrum.
  • further substance quantities relevant for fuel metering can then be determined and, if necessary, used as correction quantities.
  • a fuel system for supplying an internal combustion engine of a motor vehicle with natural gas which includes a tank for storing the natural gas in liquid form and a fuel pump for conveying natural gas from the tank into a rail.
  • the rail is connected to the power via a fuel line. connected to the fuel pump.
  • the fuel system comprises at least one fuel connected to the rail! injector for injecting natural gas into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the fuel system has at least one optical spectrometer for generating and recording an absorption spectrum, which is arranged in or on an area carrying natural gas.
  • the area carrying natural gas can be, for example, the tank, the fuel line, the rail and / or an intermediate storage device upstream of the rail.
  • the specified fuel system is particularly suitable for carrying out the previously described method according to the invention.
  • the fuel system can be operated according to the method according to the invention.
  • the same advantages can be achieved with the fuel system that have been described above in connection with the method according to the invention.
  • the metering accuracy in the fuel metering can be increased so that the legally prescribed emission limit values are reliably observed.
  • a possibly provided system for post-treatment of the exhaust gases from the combustion engine can be made smaller.
  • fuel consumption can be reduced, which in turn has a favorable effect on fuel costs, since the internal combustion engine can be operated in the range that is optimal for the respective fuel composition.
  • the optical spectrometer is advantageously connected to a control device for comparing a recorded absorption spectrum with absorption spectra of known compositions, in which at least one characteristic field suitable for carrying out the calibration is stored.
  • the control unit enables the method according to the invention to be carried out in a largely automated manner, so that intervention by the driver of the motor vehicle is no longer necessary.
  • the control unit can also be used to determine at least one other substance quantity of the natural gas that is relevant for the fuel metering.
  • the determined substance sizes can be stored in a memory of the control unit and / or other functions can be made available.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel system according to the invention for supplying an internal combustion engine of a motor vehicle with natural gas
  • FIG. 2 shows a flow chart to illustrate the sequence of a method according to the invention.
  • the fuel system shown schematically in FIG. 1 for supplying an internal combustion engine of a motor vehicle with natural gas comprises a tank 1 in which the natural gas is stored in liquid form (LNG, Liquefied Natural Gas).
  • a fuel pump 2 is arranged in the tank 1, with the aid of which natural gas is conveyed from the tank 1 into a fuel line 3.
  • the fuel line 3 connects the fuel pump 2 to a rail 4 to which at least one fuel! injector 5 is connected for injecting the Erdga ses into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a buffer store 8 is arranged upstream of the rail 4.
  • the pressure level in the tank 1 can be between 3 and 20 bar absolute, for example.
  • the temperature of the liquid natural gas in this case is between -160 and -105 ° C.
  • the pressure level and / or the temperature is or are preferably detected by sensors.
  • the temperature and pressure in the fuel line 3 depend on whether upstream or downstream of a heat exchanger 7 arranged in the fuel line 3 is measured, which divides the fuel line 3 into a first line section 3.1 and a second line section 3.2 . Downstream of the heat exchanger 7, that is to say in the line section 3.2, there may be, for example, a pressure which is in the supercritical range.
  • the fuel system shown schematically in FIG. 1 further comprises at least one optical spectrometer 6 for generating and recording an absorption spectrum which is characteristic of a certain natural gas composition.
  • the fuel system shown schematically in FIG. 1 further comprises at least one optical spectrometer 6 for generating and recording an absorption spectrum which is characteristic of a certain natural gas composition.
  • the fuel system shown schematically in Fig. 1 has a control unit 9 in which at least one map is stored, which enables the comparison of egg nes absorption spectrum recorded with the aid of a detector 6.2 of a spectrometer 6 with the absorption spectra of known compositions. Furthermore, the control unit 9 enables the determination of further substance quantities relevant for fuel metering.
  • a first step 10 radiation S is introduced into the natural gas at a defined pressure and a defined temperature with the aid of a radiation source 6.1 of a spectrometer 6.
  • a subsequent step 20 with the aid of a detector 6.2 of the spectrometer 6, an absorption spectrum is recorded, which is generated by the fact that certain components of the radiation S as a function of the composition of the natural gas.
  • the absorption spectrum recorded is therefore characteristic of the respective natural gas composition.
  • the absorption spectrum recorded in step 20 is compared in step 30 with the absorption spectra of known compositions, the comparison preferably being carried out with the aid of at least one characteristic diagram which is stored in control unit 9.
  • a specific composition of the natural gas can be inferred from the recorded absorption spectrum by comparison in step 40.
  • the result of the comparison can be stored in a memory of the control device 9. If, in addition to the composition of the natural gas, the temperature and pressure are known, at least one other substance variable relevant for fuel metering can be determined from this.
  • step 50 the speed of sound in the natural gas, the density and the calorific value of the natural gas are determined with the aid of the Steuerge advises 9. In order to increase the efficiency of the method, the determined substance quantities are finally made available to further functions in step 60.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient, wobei das Erdgas in flüssiger Form in einem Tank (1) an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und mittels einer Kraftstoffpumpe (2) über eine Kraftstoffleitung (3) in ein Rail (4) gefördert wird, an das mindestens ein Kraftstoffinjektor (5) zum Einblasen von Erdgas in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines optischen Spektrometers (6) ein Absorptionsspektrum erzeugt und aufgenommen. Durch Abgleich des aufgenommenen Absorptionsspektrums mit Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen wird dann auf die an Bord vorhandene Zusammensetzung des Erdgases geschlossen. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät (9) zur Ausführung des Verfahrens sowie ein Kraftstoffsystem.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, Steuergerät und Kraftstoffsystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient. Ferner betrifft die Erfindung ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes Steuergerät sowie ein Kraftstoffsystem, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.
Stand der Technik
Erdgas ist ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammen setzung - je nach Quelle - erheblich schwanken kann. Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Darüber hinaus können höherkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan und/oder Propan, enthalten sein. Ferner kann Erdgas leicht siedende Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff, enthalten.
Die Gesetzgebung fordert, dass Verbrennungsmotoren, die mit Erdgas betrieben wer den, unabhängig von der jeweiligen Kraftstoffzusammensetzung in ihrem Einsatzgebiet die bestehenden Emissionsgrenzwerte einhalten müssen. Um dies bei sich ändernder Kraftstoffqualität zu gewährleisten, muss die Qualität zunächst ermittelt werden, bei spielsweise mit Hilfe eines speziellen Sensors. Die ermittelte Qualität kann dann vom Fahrer händisch eingestellt oder einem Motorsteuergerät mitgeteilt werden, das den Betrieb des Verbrennungsmotors entsprechend anpasst. Alternativ oder ergänzend kann die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte durch eine Abgasnachbehandlungsanla ge sichergestellt werden, die hierzu ausreichend groß dimensioniert werden muss. Die Zumessung von Kraftstoff erfolgt in der Regel mit Hilfe eines oder mehrerer Kraft stoffinjektoren. Bei der Zumessung stellt die Kraftstoffqualität neben weiteren Parame tern, insbesondere dem Druck und der Temperatur, eine den Durchfluss durch den In jektor beeinflussende Größe dar. Für eine genaue Zumessung ist daher die Kenntnis der qualitativen Zusammensetzung des Kraftstoffs erforderlich. Die Genauigkeit der Zumessung wiederum hat entscheidenden Einfluss auf die Sicherheit, die Laufruhe, den Verbrauch sowie die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Zumessgenauigkeit eines Kraftstoffsystems bei der Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Erdgas zu erhöhen.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor geschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden das Steuergerät mit den Merkmalen des An spruchs 11 sowie das Kraftstoff System mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorge schlagen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Ver sorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient. Das Erdgas wird dabei in flüssiger Form in einem Tank an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und mittels einer Kraftstoffpumpe über eine Kraftstoffleitung in ein Rail gefördert, an das mindestens ein Kraftstoffinjektor zum Einblasen von Erdgas in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines opti schen Spektrometers ein Absorptionsspektrum erzeugt und aufgenommen. Durch Ab gleich des aufgenommenen Absorptionsspektrums mit Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen wird auf die an Bord vorhandene Zusammensetzung des Erdga ses geschlossen.
In Kenntnis der qualitativen Zusammensetzung des an Bord vorhandenen Erdgases kann die Kraftstoffzumessung optimiert werden, insbesondere die Zumessgenauigkeit erhöht werden, so dass im Ergebnis der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissi- onen des Verbrennungsmotors sinken. Das Verfahren lässt sich an Bord des Kraftfahr zeugs, insbesondere bei laufendem Betrieb des Verbrennungsmotors durchführen.
Bevorzugt wird die durch Abgleich gewonnene Information über die Zusammensetzung des Erdgases zur Ermittlung mindestens einer weiteren für die Kraftstoffzumessung re levanten Stoffgröße des Erdgases, insbesondere zur Ermittlung der Schallgeschwin digkeit im Erdgas und/oder der Dichte und/oder des Heizwerts des Erdgases, verwen det. Auf diese Weise können für eine a priori unbekannte Kraftstoffzusammensetzung an Bord des Kraftfahrzeugs alle für die Kraftstoffzumessung relevanten Stoffgrößen bestimmt werden. Dies wiederum ermöglicht eine optimale Einstellung der Parameter der Kraftstoffzumessung, so dass die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte sicher eigehalten werden. Ferner kann der Verbrennungsmotor im für die jeweilige Erdgaszu sammensetzung optimalen Bereich betrieben werden, so dass Kraftstoff kosten einge spart werden. Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung können zudem kleinstmöglich dimensioniert werden. Vorteilhafterweise wird hierbei mindestens eine zuvor ermittelte Stoffgröße als Korrekturgröße für die Kraftstoffzumessung verwendet.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise mit Hilfe einer Strahlungsquelle des Spektrometers eine Strahlung, vorzugsweise eine Infrarot strahlung, in einem erdgasführenden Bereich, beispielsweise im Tank, in der Kraftstoff leitung, im Rail und/oder in einem dem Rail vorgelagerten Zwischenspeicher, erzeugt. Durch die Strahlung werden Molekülschwingungen im Erdgas erzeugt, die zugleich zu einer Schwächung der Strahlung führen, die jeweils charakteristisch für eine bestimmte Zusammensetzung des Erdgases ist. Das heißt, dass bestimmte Strahlungsanteile ab sorbiert werden. Durch Rückmessung bzw. Aufnahme des Absorptionsspektrums kann dann durch Abgleich mit Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen auf die an Bord vorhandene Zusammensetzung geschlossen werden. Die Aufnahme des Ab sorptionsspektrums erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Detektors des Spektrometers.
Das Absorptionsspektrum kann direkt oder indirekt aufgenommen werden. Im letztge nannten Fall wird die Strahlung an mindestens einer Grenzfläche abgelenkt bzw. re flektiert. Der Detektor zur Aufnahme des Absorptionsspektrums kann in diesem Fall neben der Strahlungsquelle angeordnet werden und/oder mit der Strahlungsquelle als eine Einheit verbaut werden. Bevorzugt wird das Absorptionsspektrums bei bekannter Temperatur und bei bekann tem Druck erzeugt und aufgenommen. Alternativ oder ergänzend können die Tempera tur und der Druck zeitglich mit Hilfe einer geeigneten Sensorik gemessen werden. Da die Temperatur und der Druck das Absorptionsspektrum und/oder weitere zu ermitteln de Stoffgrößen beeinflussen, gilt es gleiche Randbedingungen zu schaffen, um die Vergleichbarkeit der ermittelten Stoffgrößen zu gewährleisten.
Vorteilhafterweise werden das Erzeugen und Aufnehmen des Absorptionsspektrums in einem Temperaturbereich und/oder in einem Druckbereich durchgeführt, der bzw. die für bestimmte Zusammensetzungen des Erdgases besonders charakteristische Ab sorptionskennlinien ergeben. Das heißt, dass Unterschiede besonders deutlich hervor treten, was die Zuordnung eines aufgenommenen Absorptionsspektrums zu einem Ab sorptionsspektrum einer bekannten Zusammensetzung erleichtert.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass Absorptionsspektren in unter schiedlichen erdgasführenden Bereichen, beispielsweise im Tank, in der Kraftstoff lei - tung, im Rail und/oder in einen dem Rail vorgelagerten Zwischenspeicher, erzeugt und aufgenommen werden. In Abhängigkeit vom konkreten Ort liegt das Erdgas in flüssiger Form oder als Gas vor. Die bei verschiedenen Zuständen erstellten Aufnahmen können zur Plausibilisierung der Ergebnisse herangezogen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Abgleich eines auf genommenen Absorptionsspektrums mit bekannten Absorptionsspektren mit Hilfe ei nes Steuergeräts durchgeführt, in dem mindestens ein Kennfeld zur Durchführung des Abgleichs hinterlegt ist. Anhand des Kennfelds kann auf eine bestimmte Erdgaszu sammensetzung geschlossen werden. Weicht ein aufgenommenes Absorptionsspekt rum von einem zu erwartenden Absorptionsspektrum ab, kann hierüber auf eine verän derte Zusammensetzung des Erdgases geschlossen werden. In Reaktion hierauf kann mindestens ein Betriebsparameter angepasst werden, um weiterhin einen geringen Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffemissionen zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird mit Hilfe des Steuergeräts mindestens eine weitere für die Kraft stoffzumessung relevante Stoffgröße der Erdgaszusammensetzung ermittelt. Sind bei- spielsweise neben der Zusammensetzung auch die Temperatur und der Druck be kannt, lassen sich aus diesen Informationen alle für die Zumessung relevanten Stoff größen rechnerisch ermitteln. Insbesondere kann bzw. können die Schallgeschwindig keit im Erdgas und/oder die Dichte und/oder der Heizwert des Erdgases ermittelt wer den. Die Schallgeschwindigkeit und die Dichte stellen Stoffgrößen dar, welche insbe sondere den Durchfluss von Erdgas durch einen Kraftstoffinjektor beeinflussen. Diese Stoffgrößen ermöglichen demnach eine in Abhängigkeit von der Erdgaszusammenset zung optimale Einstellung des Kraftstoffmassenstroms. Der Heizwert dagegen be stimmt den Energiegehalt des Erdgases. Ist der Energiegehalt des Erdgases bekannt, kann zur Erhöhung der Betriebssicherheit die in den Verbrennungsmotor eingetragene Energiemenge begrenzt werden. Ferner wird auf diese Weise ein Motor- und/oder Bau teilschutz erreicht.
Die mindestens eine weitere ermittelte und für die Kraftstoffzumessung relevante Stoff größe kann nachfolgend zudem als Korrekturgröße für die Kraftstoffzumessung ver wendet werden.
Ferner bevorzugt werden alle ermittelten Stoffgrößen in einem Speicher des Steuerge räts abgelegt und/oder anderen Funktionen im Steuergerät zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann die Effizienz des Verfahrens weiter gesteigert werden.
Des Weiteren wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das erfin dungsgemäße Verfahren auszuführen. Vorzugsweise ist im Steuergerät mindestens ein Kennfeld hinterlegt, das einen Abgleich eines aufgenommenen Absorptionsspekt rums mit Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen ermöglicht. Auf diese Weise kann über das Absorptionsspektrum auf die Erdgaszusammensetzung ge schlossen werden. In Kenntnis der Erdgaszusammensetzung können dann weitere für die Kraftstoffzumessung relevante Stoffgrößen ermittelt und ggf. als Korrekturgrößen verwendet werden.
Darüber hinaus wird ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas angegeben, das einen Tank zur Bevorratung des Erd gases in flüssiger Form und eine Kraftstoffpumpe zum Fördern von Erdgas aus dem Tank in ein Rail umfasst. Das Rail ist hierzu über eine Kraftstoffleitung mit der Kraft- stoffpumpe verbunden. Ferner umfasst das Kraftstoffsystem mindestens einen an das Rail angeschlossenen Kraftstoff! njektor zum Einblasen von Erdgas in einen Brennraum des Verbrennungsmotors. Erfindungsgemäß weist das Kraftstoff System mindestens ein optisches Spektrometer zum Erzeugen und Aufnehmen eines Absorptionsspektrums auf, das in oder an einem erdgasführenden Bereich angeordnet ist. Der erdgasführen de Bereich kann beispielsweise der Tank, die Kraftstoffleitung, das Rail und/oder ein dem Rail vorgelagerter Zwischenspeicher sein.
Das angegebene Kraftstoff System ist insbesondere zur Durchführung des zuvor be schriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Das heißt, dass das Kraft stoffsystem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Entspre chend lassen sich mit dem Kraftstoff System die gleichen Vorteile erzielen, die zuvor in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind. Insbe sondere kann die Zumessgenauigkeit bei der Kraftstoffzumessung erhöht werden, so dass die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte sicher eingehalten werden. Eine ggf. vorgesehene Anlage zur Nachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmo tors kann kleiner dimensioniert werden. Zugleich kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, was sich wiederum günstig auf die Kraftstoff kosten auswirkt, da der Verbren nungsmotor im für die jeweilige Kraftstoffzusammensetzung optimalen Bereich betrie ben werden kann. Durch eine Begrenzung der in den Verbrennungsmotor eingetrage nen Energiemenge kann zugleich ein Motor- und Bauteilschutz erreicht werden.
Vorteilhafterweise ist das optische Spektrometer zum Abgleichen eines aufgenomme nen Absorptionsspektrums mit Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen mit einem Steuergerät verbunden, in dem mindestens ein zur Durchführung des Ab- gleichs geeignetes Kennfeld hinterlegt ist. Das Steuergerät ermöglicht eine weitgehend automatisierte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, so dass ein Eingrei fen des Fahrers des Kraftfahrzeugs nicht mehr erforderlich ist. Das Steuergerät kann ferner dazu genutzt werden, mindestens eine weitere für die Kraftstoffzumessung rele vante Stoffgröße des Erdgases zu ermitteln. Die ermittelten Stoffgrößen können in ei nem Speicher des Steuergeräts abgelegt und/oder weiteren Funktionen zur Verfügung gestellt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas und
Fig. 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Ver brennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas umfasst einen Tank 1, in dem das Erdgas in flüssiger Form (LNG, Liquefied Natural Gas) bevorratet wird. Im Tank 1 ist eine Kraftstoffpumpe 2 angeordnet, mit deren Hilfe Erdgas aus dem Tank 1 in eine Kraftstoffleitung 3 gefördert wird. Die Kraftstoff leitu ng 3 verbindet die Kraftstoffpumpe 2 mit einem Rail 4, an das mindestens ein Kraftstoff! njektor 5 zum Einblasen des Erdga ses in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Dem Rail 4 ist ein Zwischenspeicher 8 vorgelagert.
Das Druckniveau im Tank 1 kann beispielsweise zwischen 3 und 20 bar absolut liegen. Die Temperatur des flüssigen Erdgases beträgt in diesem Fall zwischen -160 und -105°C. Das Druckniveau und/oder die Temperatur wird bzw. werden vorzugsweise sensorisch erfasst.
Die Temperatur und der Druck in der Kraftstoff leitu ng 3 hängen davon ab, ob strom aufwärts oder stromabwärts eines in der Kraftstoffleitung 3 angeordneten Wärmetau schers 7 gemessen wird, der die Kraftstoff leitu ng 3 in einen ersten Leitungsab schnitt 3.1 und einen zweiten Leitungsabschnitt 3.2 unterteilt. Stromabwärts des Wär metauschers 7, das heißt im Leitungsabschnitt 3.2, kann beispielsweise ein Druck herrschen, der im überkritischen Bereich liegt.
In Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck liegt das Erdgas in verschiedenen Zuständen im Kraftstoffsystem vor. Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftstoffsystem umfasst ferner mindestens ein optisches Spektrometer 6 zum Erzeugen und Aufnehmen eines Absorptionsspekt rums, das charakteristisch für eine bestimmte Erdgaszusammensetzung ist. Durch Ab gleich des aufgenommenen Absorptionsspektrums mit Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen kann somit auf die vorhandene Zusammensetzung geschlossen werden. In der Fig. 1 sind mehrere Spektrometer 6 in bzw. an unterschiedlichen erd gasführenden Bereichen des Kraftstoffsystems dargestellt. Die Darstellung ist lediglich beispielhaft und dient der Verdeutlichung möglicher Messorte. Mindestens ein Messort kann demzufolge der Tank 1, die Kraftstoff I eitu ng 3, der Zwischenspeicher 8 und/oder das Rail 4 sein. Eine Strahlungsquelle 6.1 und ein Detektor 6.2 des Spektrometers 6 können in der Weise angeordnet werden, dass direkt oder indirekt gemessen wird.
Darüber hinaus weist das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftstoff System ein Steuergerät 9 auf, in dem mindestens ein Kennfeld hinterlegt ist, das den Abgleich ei nes mit Hilfe eines Detektors 6.2 eines Spektrometers 6 aufgenommenen Absorptions spektrums mit den Absorptionsspektren bekannter Zusammensetzungen ermöglicht. Ferner ermöglicht das Steuergerät 9 die Bestimmung weiterer für die Kraftstoffzumes sung relevanter Stoffgrößen.
Mit Hilfe des mindestens einen Spektrometers 6 und des Steuergeräts 9 kann somit im Betrieb des Kraftstoffsystems eine qualitative Abschätzung der Zusammensetzung des an Bord des Kraftfahrzeugs mitgeführten Erdgases vorgenommen werden. In Kenntnis der Zusammensetzung des Erdgases können dann weitere für die Kraftstoffzumessung relevanten Stoffgrößen bestimmt werden.
Dabei kann wie folgt vorgegangen werden, wobei der Ablauf anhand des Flussdia gramms der Fig. 3 erläutert wird:
In einem ersten Schritt 10 wird bei definiertem Druck und definierter Temperatur mit Hilfe einer Strahlungsquelle 6.1 eines Spektrometers 6 eine Strahlung S in das Erdgas eingeleitet. In einem nachfolgenden Schritt 20 wird mit Hilfe eines Detektors 6.2 des Spektrometers 6 ein Absorptionsspektrum aufgenommen, das dadurch erzeugt wird, dass bestimmte Anteile der Strahlung S in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Erdgases absorbiert werden. Das aufgenommene Absorptionsspektrum ist somit charakteristisch für die jeweilige Erdgaszusammensetzung. Das in Schritt 20 aufge nommene Absorptionsspektrum wird in Schritt 30 mit den Absorptionsspektren bekann ter Zusammensetzungen abgeglichen, wobei vorzugsweise der Abgleich mit Hilfe min- destens eines Kennfelds durchgeführt wird, das in dem Steuergerät 9 hinterlegt ist.
Durch Abgleich kann in Schritt 40 von dem aufgenommenen Absorptionsspektrum auf eine bestimmte Zusammensetzung des Erdgases geschlossen werden. Das Ergebnis des Abgleichs kann in einem Speicher des Steuergeräts 9 abgelegt werden. Sind neben der Zusammensetzung des Erdgases die Temperatur und der Druck be kannt, kann hieraus mindestens eine weitere für die Kraftstoffzumessung relevante Stoffgröße ermittelt werden. In Schritt 50 werden beispielhaft mit Hilfe des Steuerge räts 9 die Schallgeschwindigkeit im Erdgas, die Dichte und der Heizwert des Erdgases ermittelt. Zur Steigerung der Effizienz des Verfahrens werden schließlich in Schritt 60 die ermittelten Stoffgrößen weiteren Funktionen zur Verfügung gestellt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems, das der Versorgung eines Ver brennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas dient, wobei das Erdgas in flüssiger Form in einem Tank (1) an Bord des Kraftfahrzeugs bevorratet und mittels einer Kraft stoffpumpe (2) über eine Kraftstoffleitung (3) in ein Rail (4) gefördert wird, an das min destens ein Kraftstoff! njektor (5) zum Einblasen von Erdgas in einen Brennraum des Verbrennungsmotors angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines optischen Spektrometers (6) ein Ab sorptionsspektrum erzeugt und aufgenommen wird und durch Abgleich des aufge nommenen Absorptionsspektrums mit Absorptionsspektren bekannter Zusammenset zungen auf die an Bord vorhandene Zusammensetzung des Erdgases geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die durch Abgleich gewonnene Information über die Zusammensetzung des Erdgases zur Ermittlung mindestens einer weiteren für die Kraftstoffzumessung relevanten Stoffgröße des Erdgases verwendet wird, insbesonde re zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im Erdgas und/oder der Dichte und/oder des Heizwerts des Erdgases, wobei vorzugsweise die mindestens eine ermittelte Stoff größe als Korrekturgröße für die Kraftstoffzumessung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Strahlungsquelle (6.1) des Spektrome ters (6) eine Strahlung (S), vorzugsweise eine Infrarotstrahlung, in einem erdgasfüh renden Bereich, beispielsweise im Tank (1), in der Kraftstoffleitung (3), im Rail (4) und/oder in einem dem Rail (4) vorgelagerten Zwischenspeicher (8), erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Detektors (6.2) des Spektrometers (6) das Absorptionsspektrum aufgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsspektrum bei bekannter Temperatur und bei bekanntem Druck erzeugt und aufgenommen wird und/oder zeitgleich die Temperatur und der Druck mit Hilfe einer geeigneten Sensorik gemessen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen und Aufnehmen des Absorptionsspekt rums in einem Temperaturbereich und/oder in einem Druckbereich durchgeführt wer den, der bzw. die für bestimmte Zusammensetzungen des Erdgases besonders cha rakteristische Absorptionskennlinien ergeben.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedlichen erdgasführenden Bereichen, bei spielsweise im Tank (1), in der Kraftstoff I eitu ng (3), im Rail (4) und/oder in einen dem Rail (4) vorgelagerten Zwischenspeicher (8), Absorptionsspektren erzeugt und aufge nommen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich eines aufgenommenen Absorptions spektrums mit bekannten Absorptionsspektren mit Hilfe eines Steuergeräts (9) durch geführt wird, in dem mindestens ein Kennfeld zur Durchführung des Abgleichs hinter legt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Steuergeräts (9) mindestens eine weite re für die Kraftstoffzumessung relevante Stoffgröße der Erdgaszusammensetzung, ins besondere die Schallgeschwindigkeit im Erdgas, die Dichte und/oder der Heizwert des Erdgases, ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass alle ermittelten Stoffgrößen in einem Speicher des Steuergeräts (9) abgelegt und/oder anderen Funktionen im Steuergerät (9) zur Verfü gung gestellt werden.
11. Steuergerät (9), das dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche auszuführen.
12. Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas, umfassend einen Tank (1) zur Bevorratung des Erdgases in flüssiger Form, eine Kraftstoffpumpe (2) zum Fördern von Erdgas aus dem Tank (1) in ein Rail (4), das über eine Kraftstoff leitu ng (3) mit der Kraftstoffpumpe (2) verbunden ist, sowie mindes tens einen an das Rail (4) angeschlossenen Kraftstoff! njektor (5) zum Einblasen von Erdgas in einen Brennraum des Verbrennungsmotors,
gekennzeichnet durch mindestens ein optisches Spektrometer (6) zum Erzeugen und Aufnehmen eines Absorptionsspektrums, das in oder an einem erdgasführenden Be reich angeordnet ist, wobei vorzugsweise der erdgasführende Bereich der Tank (1), die Kraftstoffleitung (3), das Rail (4) und/oder ein dem Rail (4) vorgelagerter Zwischenspei cher (8) ist.
13. Kraftstoffsystem nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Spektrometer (6) zum Abgleichen eines aufgenommenen Absorptionsspektrums mit Absorptionsspektren bekannter Zusam mensetzungen mit einem Steuergerät (9) verbunden ist, in dem mindestens ein zur Durchführung des Abgleichs geeignetes Kennfeld hinterlegt ist.
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