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.