Beschreibung

Bivalente Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer bivalenten Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine bivalente Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer bivalenten Brennkraftmaschine gemäß der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 19.

Alternative Kraftstoffe wie beispielsweise Erdgas haben in Hinblick auf die begrenzten Rohölreserven und die vom Gesetzgeber immer enger werdenden Grenzen der Schadstoffemission in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Verbrennungsmotorisch interessant ist beispielsweise Erdgas vor allem wegen seiner hohen Oktanzahl und damit hohen Klopffestigkeit und relativ hohen Energiedichte. Ein weiterer Vorteil ist der im Vergleich zu Benzin niedrige Gehalt an Katalysatorgiften wie Phosphor und Schwefel und der im Vergleich zu Benzin oder Diesel geringe Kohlenstoffanteil. Erdgas hat somit gute Verbrennungseigenschaften bei geringem Schadstoffausstoß und verminderter CO ₂ -Emission. Als gasförmige Kraftstoffe haben vor allem hoch verdichtetes Erdgas CNG (Compressed Natural Gas) und Wasserstoff sowie verflüssigtes Erdölgas LPG (Liquified Petroleum Gas) Bedeutung erlangt.

Um den Betrieb eines Kraftfahrzeuges sowohl mit flüssigem als auch mit gasförmigem Kraftstoff zu betreiben, sind bivalente Motorkonzepte entwickelt worden, die den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit beiden Kraftstoffarten ermöglichen. Derartige Konzepte sind beispielsweise in der DE 600 05 751 T2, der DE 101 46 063 A1 und der DE 101 21 609 A1 beschrieben. Dabei sind dem Verbrennungsmotor zwei Zuführungssysteme zugeordnet. Die Wahl der Betriebsart erfolgt mittels eines Umschaltventils und ist in der Regel manuell einstellbar oder durch die Motorsteuerung vorgebbar.

Gemäß der DE 600 05 751 T2 und der DE 101 21 609 A1 wird die Umschaltung von einem flüssigen Kraftstoff auf einen gasförmigen Kraftstoff und umgekehrt gesteuert um einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten. Die Steuerung erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors, insbesondere der Betriebstemperatur oder des thermischen Zustandes von Komponenten des Motors.

Da im bivalenten Betrieb der Verbrennungsmotor für den Betrieb mit flüssigem als auch mit gasförmigen Kraftstoff ausgelegt sein muss, kommt es beim Erdgasbetrieb zu Leistungseinbußen gegenüber dem Benzinbetrieb, da ein mit Erdgas betriebener Ottomotor nicht optimal auf den Erdgasbetrieb eingestellt ist. Diese sind in der Regel auf den Benzinbetrieb optimiert. Für den Erdgasbetrieb wäre eine höhere Verdichtung nötig, um den Energiegehalt von Erdgas besser ausnutzen zu können. Dadurch verschlechtert sich das Fahrverhalten in Start- und Beschleunigungsphasen beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit gasförmigem Kraftstoff. Andererseits ist der Betrieb des Verbrennungsmotors insbesondere in der Kaltstartphase mit flüssigem Kraftstoff mit einer hohen Schadstoffemission verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Fahrverhalten von Fahrzeugen mit einer bivalenten Brennkraftmaschine in der Startphase bei einer Verringerung der Gesamtemission zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und einer bivalenten Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 19. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße bivalenten Brennkraftmaschine umfasst eine Abgasanlage mit zumindest einem Katalysator und eine Steuereinrichtung zum Umstellen von einem Betrieb mit einem flüssigen Kraftstoff auf einen Betrieb mit einem gasförmigen Kraftstoff nach einer Startphase zu einem Umschaltzeitpunktes ti, wobei die Steuereinrichtung Komponenten zur Einstellung und/oder Anpassung des Umschaltzeitpunktes t, in Abhängigkeit von zumindest einem Alterungsparameter des Katalysators aufweist.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zum Betrieb einer bivalenten Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage, welche zumindest einem Katalysator aufweist, die Brennkraftmaschine beim Starten mit einem flüssigem Kraftstoff betrieben und nach einer Startphase auf einen Betrieb mit einem gasförmigen Kraftstoff umgestellt, wobei die Umstellung vom flüssigen zum gasförmigen Kraftstoff zu einem Umschaltzeitpunkt ti erfolgt, welcher in Abhängigkeit von zumindest einem Alterungsparameter des Katalysators eingestellt wird. Bei einer Veränderung des zumindest einen Alterungsparameter des Katalysators wird der Umschaltzeitpunkt ti entsprechend angepasst und/oder verändert.

Dabei wird der Umschaltzeitpunkt ti vorzugsweise derart in Abhängigkeit von zumindest einem Alterungsparameter des Katalysators eingestellt und/oder verändert und/oder angepasst, dass beim Starten der Brennkraftmaschine eine Umstellung nach einer Startphase von einem Betrieb mit flüssigen Brennstoff auf einen Betrieb mit einem gasförmigen Kraftstoff erst bei hinreichend aktivem Katalysator erfolgt.

Der Umschaltzeitpunkt t _! kann vorzugsweise auch derart eingestellt und/oder verändert und/oder angepasst werden, dass innerhalb eines Fahrzyklus eine minimale Abgasemission erfolgt oder derart, dass hinreichend niedrige Emissionswerte bei einem minimal erforderlichen Kraftstoffverbrauch eingestellt und entsprechend der Alterung des Katalysators verändert werden. Generell wird dabei die Startphase mit zunehmender Alterung des Katalysators verlängert.

Als gasförmige Kraftstoffe werden beispielsweise Erdgas (CNG Compressed Natural Gas), Wasserstoff, Flüssigerdgas (LNG Liquified Natural Gas) oder Flüssiggas (LPG Liquified Petroleum Gas) verwendet und als flüssiger Kraftstoff wird beispielsweise Benzin verwendet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Umstellung auf den gasförmigen Kraftstoff gleitend, wobei die Umstellung auf den gasförmigen Kraftstoff zum Umschaltzeitpunkt ti beginnt und nach einer Umstellphase zum Zeitpunkt X ₂ beendet ist. Dabei kann der Zeitpunkt t ₂ ebenfalls in Abhängigkeit von zumindest einem Alterungsparameter des Katalysators, insbesondere mittels Komponenten der Steuereinrichtung, eingestellt werden. Durch eine gleitende Umstellung kann der Alterungszustand eines Katalysators individuell berücksichtigt werden. So wird bei einem noch nicht gealterten Katalysator bereits frühzeitig mit einer kurzen Umstellphase und bei einem gealterten Katalysator später mit längerer Umstellphase auf den Gasbetrieb umgestellt, so dass die Abgasemission verringert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein Alterungsparameter des Katalysators im Rahmen einer On-Board-Diagnose, bei welcher eine überwachung abgasrelevanten Komponenten und/oder Systeme, insbesondere des Katalysators erfolgt, ermittelt. Damit können im Rahmen einer On-Board-Diagnose des Katalysators ermittelte Parameter gleichzeitig für die Einstellung des Umschaltzeitpunktes U und/oder des Zeitpunktes t ₂ verwendet werden, sodass keine zusätzlichen Sensoren oder Komponenten zur Ermittlung von Alterungsparametern erforderlich sind.

Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Alterungsparameter des Katalysators vorzugsweise aus einem Modell des Katalysators mit einer Parameterkorrektur, welche die Alterung des Katalysators berücksichtigt, ermittelt. Ein derartiges Modell kann vorzugsweise als Komponente der Steuereinrichtung ausgebildet sein.

Der oder die ermittelten Alterungsparameter des Katalysators werden vorzugsweise in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt und/oder gespeichert, sodass diese für eine Ermittlung des Umschaltzeitpunktes ti und/oder des Zeitpunktes t ₂ abrufbar sind.

Eine mittelbare oder unmittelbare Bestimmung des Umschaltzeitpunktes I ₁ und/oder des Zeitpunktes t ₂ erfolgt vorzugsweise mittels zumindest einer Parameterkennlinie eines Alterungsparameters oder mittels zumindest eines Parameterkennlinienfeldes zumindest eines Alterungsparameters, welche vorzugsweise ebenfalls in der Steuereinrichtung abgelegt sind.

Als Alterungsparameter werden vorzugsweise eine Speicherfähigkeit des Katalysators bezüglich zumindest einer Schadstoffkomponente, insbesondere eine NOx-Speicherfähigkeit und/oder eine (^-Speicherfähigkeit des Katalysators und/oder eine Katalysatortemperatur, insbesondere eine Anspringtemperatur des Katalysators ermittelt.

Bei einer unmittelbaren Bestimmung des Umschaltzeitpunktes U und/oder des Zeitpunktes t ₂ aus zumindest einem ermittelten Alterungsparameter erfolgt die Umstellung von flüssigen auf gasförmigen Kraftstoff vorzugsweise über eine reine Zeitsteuerung nach Start, wobei der Umschaltzeitpunktes ti und/oder der Zeitpunkt t ₂ an sich verändernde Alterungsparameter angepasst wird.

Bei einer mittelbaren Bestimmung des Umschaltzeitpunktes U und/oder des Zeitpunktes t ₂ aus zumindest einem Alterungsparameter erfolgt die Umstellung von flüssigen auf gasförmigen Kraftstoff vorzugsweise bei einem in der Startphase erreichten Katalysatortemperatur- Schwellwert und/oder kumulierten Energieeintrag-Schwellwert in die Abgasanlage und/oder erreichten Abgasmassenstrom-Schwellwert und/oder erreichten Kühlmitteltemperatur- Schwellwert. Der Umschaltzeitpunkt ti und/oder der Zeitpunkt t ₂ wird dabei durch das theoretische, beispielsweise aus einem Modell berechnete oder tatsächliche, beispielsweise durch entsprechende Messsonden signalisierte, Erreichen des oder der Schwellwerte bestimmt.

Vorzugsweise wird bei der Bestimmung des Umschaltzeitpunktes ti und/oder des Zeitpunktes X ₂ aus zumindest einem Alterungsparameter über einen in der Startphase zu erreichender Kühlmitteltemperatur-Schwellwert zusätzlich der Einfluss der Außentemperatur und/oder der Umgebungsdruckes berücksichtigt.

Die Erfindung wird im Weiteren an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen dazu:

Figur 1: einen Umschaltvorgang von Benzin auf Gas

Figur 2: einen gleitenden Umschaltvorgang von Benzin auf Gas

Das Konzept zum Betrieb des Fahrzeuges ist zur Optimierung des Startverhaltens und zur Verringerung der Gesamtemission derart ausgelegt, dass der Fahrzeugmotor zunächst beim Kaltstart mit Benzin betrieben wird und nach einer Startphase auf den Betreib mit Erdgas oder einen anderen gasförmigen Kraftstoff umgestellt wird, wobei der weitere Fahrbetrieb mit dem gasförmigen Kraftstoff durchgeführt wird. Der Umschaltzeitpunkt U für die Umstellung auf den gasförmigen Kraftstoff wird in Abhängigkeit von zumindest einem Alterungsparameter des Katalysators derart eingestellt und angepasst, das der Fahrzeugmotor erst bei hinreichend aktivem Katalysator mit dem gasförmigen Kraftstoff betrieben wird.

Die Umstellung auf Erdgas oder einen anderen gasförmigen Kraftstoff erfolgt entweder, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, zum Umschaltzeitpunkt ti oder, wie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt, gleitend, wobei die Umstellung auf den gasförmigen Kraftstoff zum Umschaltzeitpunkt ti beginnt und nach einer Umstellphase zum Zeitpunkt t ₂ beendet ist. Dabei kann der Zeitpunkt t ₂ ebenfalls in Abhängigkeit von zumindest einem Alterungsparameter des Katalysators eingestellt und angepasst werden.

Als Alterungsparameter des Katalysators wird die O ₂ -Speicherfähigkeit des Katalysators durch Auswertung des zeitlichen Versatzes des Signals der λ-Sonde vor dem Katalysator zum Signal der λ-Sonde nach dem Katalysator ermittelt.

Die Bestimmung des Umschaltzeitpunktes U und/oder des Zeitpunktes t ₂ aus diesem Alterungsparameter erfolgt mittels Parameterkennlinie. Der so bestimmte Umschaltzeitpunkt U und/oder Zeitpunkt t ₂ wird an eine Zeitsteuerung zur Umstellung von Benzin auf Gas nach Start

übermittelt. Generell wird dabei die Startphase mit zunehmender Alterung des Katalysators verlängert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in der Startphase, wie beispielsweise in den Fig. 1 und 2 gezeigt, zumindest bis zum Umschaltzeitpunkt ti die Drehzahl des Fahrzeugmotors erhöht. Durch eine erhöhte Leerlaufdrehzahl wird ein höherer Abgasmassenstrom durchgesetzt. Dies führt zu einem früheren Erreichen der Arbeitstemperatur des Katalysators und damit zu einer Verkürzung der Startphase mit Benzinbetrieb und einen früheren übergang auf den geregelten λ=1 ,0 - Betrieb.