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 10 sowie das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 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 für die Kraftstoffzumessung angeschlossen ist. Erfin dungsgemäß wird an einem vorgegebenen Messort im Kraftstoff System eine Tempera turänderung bei einer definierten Druckänderung und konstanter Enthalpie gemessen und durch Abgleich der gemessenen Temperaturänderung mit den Temperaturände rungen bekannter Zusammensetzungen bei gleichen Randbedingungen wird auf die an Bord vorhandene Zusammensetzung des Erdgases geschlossen.

In Kenntnis der Zusammensetzung des an Bord vorhandenen Erdgases kann die Kraftstoffzumessung optimiert werden, insbesondere die Zumessgenauigkeit erhöht werden. Denn in Abhängigkeit von der jeweiligen Erdgaszusammensetzung ändern sich die für den Durchfluss durch den Kraftstoff! njektor relevanten Parameter bzw. Stoffgrößen. Ist die Erdgaszusammensetzung bekannt, können die Durchflussmenge und die dabei eingetragene Energiemenge bestimmt werden. Im Ergebnis kann somit der Verbrennungsmotor im für die jeweilige Erdgaszusammensetzung optimalen Be reich betrieben werden, so dass der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors sinken. Des Weiteren können Maßnahmen zur Abgasnach behandlung kleinstmöglich dimensioniert werden.

Das Verfahren lässt sich an Bord des Kraftfahrzeugs, insbesondere bei laufendem Be trieb des Verbrennungsmotors durchführen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das mindestens eine für den Durchfluss durch den Kraftstoff! njektor relevante Stoffgröße des Erdgases als Funktion der gemessenen Temperaturänderung und des zugehörigen Drucks ermittelt wird, ins besondere die Schallgeschwindigkeit im Erdgas und/oder die Dichte des Erdgases. Diese Stoffgrößen ermöglichen eine in Abhängigkeit von der Erdgaszusammensetzung optimale Einstellung des Kraftstoffmassenstroms, so dass sich die Zumessgenauigkeit weiter erhöht.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Heizwert des Erdgases ermit telt und als Korrekturwert für die Kraftstoffzumessung verwendet wird. Der Heizwert bestimmt den Energiegehalt des Erdgases. Ist der Energiegehalt des Erdgases be kannt, kann zur Erhöhung der Betriebssicherheit die in den Verbrennungsmotor einge tragene Energiemenge begrenzt werden. Ferner wird auf diese Weise ein Motor- und/oder Bauteilschutz erreicht.

Nicht nur der Heizwert, sondern jede nach diesem Verfahren ermittelte Stoffgröße der jeweiligen Erdgaszusammensetzung kann als Korrekturgröße für die Kraftstoffzumes sung verwendet werden.

Bevorzugt wird die Messung der Temperaturänderung bei definierter Druckänderung und konstanter Enthalpie in einem Temperatur- und/oder Druckbereich durchgeführt, der bzw. die für bestimmte Zusammensetzungen besonders charakteristisch ist bzw. sind. Das heißt, dass sich die Temperaturänderungen bekannter Zusammensetzungen deutlich unterschieden, so dass eine eindeutige Zuordnung der gemessenen Tempera turänderung bzw. der Abgleich erleichtert wird.

Die Messung der Temperaturänderung kann beispielsweise stromabwärts eines Druck reglers des Kraftstoffsystems durchgeführt werden. Über den Druckregler kann eine definierte Druckänderung dargestellt werden, so dass nur noch die Temperaturände rung hinter dem Druckregler zu erfassen ist. Hierzu kann unmittelbar stromabwärts bzw. hinter dem Druckregler ein Temperatursensor angeordnet sein, mit dessen Hilfe die Temperaturänderung gemessen werden kann. Vorzugsweise ist der Druckregler im Bereich des Rails angeordnet. In diesem Fall kann es sich auch um einen Druckregler handeln, der bereits vorhanden ist, um den Druck im Rail zu regeln. Das heißt, dass auf bereits vorhandene Systemkomponenten zurückgegriffen werden kann.

Die Messung der Temperaturänderung kann - alternativ oder ergänzend - in einer se paraten Messkammer durchgeführt werden. Die Randbedingungen in der separaten Messkammer können genau definiert werden, so dass die Messgenauigkeit steigt. Fer ner kann die Messkammer an einer beliebigen Stelle im Kraftstoffsystem angeordnet werden. Bevorzugt ist die Messkammer über eine Drossel mit der Kraftstoffleitung des Kraftstoffsystems verbunden. Über die Drossel wird zum Einen die Messkammer mit Erdgas befüllt. Zum Anderen kann über die Drossel eine definierte Druckänderung dar gestellt werden.

Vorteilhafterweise werden an mehreren vorgegebenen Messorten im Kraftstoff System jeweils eine Temperaturänderung bei einer definierten Druckänderung und konstanter Enthalpie gemessen und durch Abgleich der jeweils gemessenen Temperaturänderung mit den Temperaturänderungen bekannter Zusammensetzungen bei gleichen Randbe dingungen wird auf die an Bord vorhandene Zusammensetzung des Erdgases ge schlossen. Die mehreren Messwerte können zur Plausibilisierung der Messergebnisse herangezogen werden. In Abhängigkeit von der Lage des Messorts im Kraftstoff System liegt das Erdgas in flüssiger Form oder als Gas vor. Die bei verschiedenen Zuständen gemessenen Temperaturänderungen können ebenfalls zur Plausibilisierung der Er gebnisse herangezogen werden. Der Abgleich der gemessenen Temperaturänderung mit den Temperaturänderungen bekannter Zusammensetzungen wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durch geführt. Der zur Messung der Temperaturänderung vorgesehene Temperatursensor ist hierzu mit dem Steuergerät in datenübertragender Weise verbunden. In dem Steuerge rät ist vorzugsweise mindestens ein Kennfeld zur Durchführung des Abgleichs hinter legt. Anhand des Kennfelds kann in einfacher Weise auf eine bestimmte Erdgaszu sammensetzung geschlossen werden. Weicht eine gemessene Temperaturänderung von einer zu erwartenden Temperaturänderung ab, kann hierüber auf eine veränderte Zusammensetzung des Erdgases geschlossen werden. In Reaktion hierauf kann min destens ein Betriebsparameter angepasst werden, um weiterhin einen geringen Kraft stoffverbrauch und geringe Schadstoffemissionen zu gewährleisten.

Ferner bevorzugt werden alle Messwerte und/oder ermittelten Stoffgrößen in einem Speicher des Steuergeräts abgelegt und/oder anderen Funktionen zur Verfügung ge stellt werden. Auf diese Weise kann die Effizienz des Verfahrens 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 einer gemessenen Temperaturänderung bei einer definierten Druckänderung und konstanter Enthalpie mit den Temperaturän derungen bekannter Zusammensetzungen ermöglicht. Auf diese Weise kann durch Abgleich auf die jeweilige Erdgaszusammensetzung geschlossen werden. In Kenntnis der Erdgaszusammensetzung können dann weitere für die Kraftstoffzumessung rele vante Stoffgrößen ermittelt und ggf. als Korrekturgrößen verwendet werden.

Darüber hinaus wird ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit Erdgas angegeben. Das Kraftstoffsystem umfasst einen Tank zur Bevorratung des Erdgases in flüssiger Form, eine Kraftstoffpumpe zum Fördern von Erdgas aus dem Tank in ein Rail, das über eine Kraftstoffleitung mit der Kraftstoff pumpe verbunden ist, sowie mindestens einen an das Rail angeschlossenen Kraftstoff injektor für die Kraftstoffzumessung. Erfindungsgemäß ist eine separate Messkammer zur Messung einer Temperaturänderung bei einer definierten Druckänderung und kon stanter Enthalpie vorgesehen, die über eine Drossel mit der Kraftstoffleitung verbunden ist. Das angegebene Kraftstoffsystem 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 Kraftstoffsystem die gleichen Vorteile erzielen. Insbesonde re 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 Verbrennungsmotors kann kleiner dimensioniert werden. Zugleich kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt wer den, was sich wiederum günstig auf die Kraftstoffkosten 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.

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

Fig. 2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für reines Methan,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Temperaturänderung bei definierter Druckän derung und konstanter Enthalpie für Methan-Zusammensetzungen mit unterschiedlich hohem Ethananteil und

Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftstoff System 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. Da ein Teil des flüssigen Erdgases im Tank 1 aufgrund Wärmeeintrag von außen verdampft, bildet sich im Tank 1 eine Gasphase 15 aus, die auf einer Flüssigphase 14 des Erdgases liegt.

Das Druckniveau im Tank 1 beträgt üblicherweise 3 bis 20 bar absolut. Die Temperatur des flüssigen Erdgases liegt üblicherweise zwischen -160 und -105°C. Tankdruck und Temperatur werden in der Regel sensorisch erfasst.

Im Tank 1 ist eine Kraftstoffpumpe 2 angeordnet, mit deren Hilfe Erdgas aus der Flüs sigphase 14 des Tanks 1 in eine Kraftstoff leitu ng 3 gefördert wird. Die Kraftstoff lei - tung 3 verbindet die Kraftstoffpumpe 2 mit einem Rail 4, an das mindestens ein Kraft stoffinjektor 5 für die Kraftstoffzumessung angeschlossen ist. Dem Rail 4 ist ein Zwi schenspeicher 13 vorgelagert. Zwischen dem Zwischenspeicher 13 und dem Rail 4 ist ein Druckregler 7 angeordnet. In der Kraftstoffleitung 3 ist zudem ein Wärmetau scher 12 vorgesehen, der zwischen der Kraftstoffpumpe 2 und dem Zwischenspei cher 13 angeordnet ist.

Zur Bestimmung der Erdgaszusammensetzung weist das in der Fig. 1 dargestellte Kraftstoffsystem ferner eine Messkammer 8 auf, die über eine Drossel 9 an die Kraft stoffleitung 3 angebunden ist, und zwar stromabwärts des Wärmetauschers 12. Die Messkammer 8 definiert einen Messort 6, an dem eine Temperaturänderung DT bei de finierter Druckänderung Dr und konstanter Enthalpie h gemessen wird. Die gemessene Temperaturänderung DT ist charakteristisch für eine bestimmte Erdgaszusammenset zung. Durch Abgleich der gemessenen Temperaturänderung DT mit den Tempera turänderungen bekannter Zusammensetzungen bei gleichen Randbedingungen kann somit auf die vorhandene Zusammensetzung bestimmt werden. In Kenntnis der Zu sammensetzung des Erdgases können dann weitere für die Kraftstoffzumessung rele vanten Stoffgrößen bestimmt werden.

Der Abgleich und die Bestimmung weiterer Stoffgrößen werden in einem Steuerge rät 10 durchgeführt. Die Ergebnisse werden in einem Speicher 11 des Steuergeräts 10 abgelegt und bei Bedarf anderen Funktionen zur Verfügung gestellt.

Zur Plausibilisierung kann an einem weiteren Messort 6 eine weitere Messung einer Temperaturänderung DT bei definierter Druckänderung Dr und konstanter Enthalpie h durchgeführt werden. Ein weiterer Messort 6 ist vorliegend beispielhaft hinter dem Druckregler 7 am Rail 4 angegeben.

Neben den beiden Messorten 6 kann mindestens ein weiterer Messort vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Messung auch nur an einem der beiden dargestellten Messorte 6 oder an einem beliebig anderen Messort vorgenommen werden, der den Anschluss der Messkammer 8 über eine Drossel 9 ermöglicht.

Führt man bei einem Stoff eine Zustandsänderung durch Druckänderung herbei, stellt sich eine neue Temperatur ein. Größe und Richtung der Temperaturänderung ist unter anderem abhängig vom Ausgangszustand. Fig. 2 zeigt beispielhaft für Methan eine Temperaturänderung durch isenthalpe Druckänderung von Zustand A nach Zustand B. Die Temperaturänderung ist charakteristisch für diesen Stoff.

Beispielhaft für die Abhängigkeit der Temperaturänderung von der jeweiligen Stoffzu sammensetzung ist in der Fig. 3 die Temperaturänderung für verschiedene Mischun gen aus Methan und Ethan dargestellt. Die Ausgangstemperatur tO beträgt 273 K. Der Ausgangsdruck pO beträgt 540 bar. Bei einer isenthalpen Druckabsenkung um 500 bar ergibt sich je nach Zusammensetzung der Mischung eine Temperaturänderung um bis zu 85 K gegenüber der Temperaturänderung von reinem Methan.

Somit ist es möglich, an einem geeigneten Messort im Kraftstoff System eine isenthalpe Druckänderung herbeizuführen und die Temperatur vor und nach der Zustandsände rung zu messen und mit Zustandsänderungen bekannter Stoffe zu vergleichen, um auf eine konkrete Stoffzusammensetzung zu schließen.

Dabei kann wie folgt vorgegangen werden, wobei der Ablauf anhand des Flussdia gramms der Fig. 4 erläutert wird:

In einem ersten Schritt S1 wird eine Zustandsänderung der zu ermittelnden Stoffzu sammensetzung in Form einer definierten isenthalpen Druckänderung herbeigeführt. In Schritt S2 wird die mit der Druckänderung einhergehende Temperaturänderung ge messen. Die Temperaturänderung ist charakteristisch für eine bestimmte Erdgaszu sammensetzung. In Schritt S3 kann somit durch Abgleich der gemessenen Tempera- turänderung mit den Temperaturänderungen bekannter Stoffzusammensetzungen auf eine konkrete Zusammensetzung geschlossen werden. Der Abgleich kann insbesonde re mit Hilfe eines Steuergeräts 10 durchgeführt werden, in dem ein Kennfeld hinterlegt ist. Das Ergebnis des Abgleichs kann anschließend in einem Speicher 11 des Steuer- geräts 10 abgelegt werden. In Kenntnis der Stoffzusammensetzung können hieraus weitere für die Kraftstoffzumessung relevante Stoffgrößen ermittelt werden. In

Schritt S5 werden beispielhaft mit Hilfe des Steuergeräts 10 die Schallgeschwindigkeit im Erdgas, die Dichte und der Heizwert des Erdgases ermittelt. Zur Steigerung der Effi zienz des Verfahrens werden schließlich in Schritt S6 die ermittelten Stoffgrößen weite ren Funktionen zur Verfügung gestellt.