DE19924500C1 - Verfahren zum Betrieb einer gasgespeisten Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer gasgespeisten Brennkraftmaschine, bei dem die Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Gasqualität des zugeführten Brenngases gesteuert werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine mittels einer Ionenstromsonde ein Ionenstromsignal gemessen und aus dem Ionenstromsignal auf die Gasqualität des momentan im Brennraum verbrannten Brenngases geschlossen. Die Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen der Brennkraftmaschine werden gemäß dieser ermittelten Gasqualität gesteuert. DOLLAR A Verwendung z. B. zum Betrieb von gasgespeisten Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer gasge­ speisten Brennkraftmaschine, bei dem die Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Gasqualität des zugeführten Brenngases gesteuert werden.

Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen z. B. von Kraftfahrzeugen mit einem geeigneten Brenngas, insbesondere Erdgas, als Kraftstoff zu speisen. Dessen Zusammensetzung und Qualität schwankt jedoch in der Regel merklich. So schwankt der Methangehalt und damit die Qualität von Erdgas in einem Bereich von z. B. 85% bis 99%. Beim Einstellen der Betriebsparameter einer gasgespeisten Brenn­ kraftmaschine ist es wünschenswert, diesen Schwankungen Rechnung zu tragen, wenn die Brennkraftmaschine verbrauchs- und emissions­ optimal betrieben werden soll.

In der Offenlegungsschrift DE 197 33 575 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur von Vorsteuerwerten bei einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine, z. B. für deren Zündung und Einspritzanlage, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des verfeuerten Gases offenbart, bei dem mit Hilfe wenigstens eines Sensors insbeson­ dere auf Halbleiterbasis wenigstens ein elektrisch leitfähiger Bestandteil des verfeuerten Gases kontinuierlich quantitativ er­ fasst wird und entsprechend der Quantität dieses Bestandteils die Vorsteuerwerte rechnerisch oder anhand abgespeicherter Kenn­ felder fortlaufend optimiert werden. Vorzugsweise befindet sich der wenigstens eine Sensor in einem das verfeuerte Gas bevorra­ tenden Tank, alternativ in einer Zuleitung zum Motor oder in dessen Einspritzanlage.

In der Offenlegungsschrift DE 197 35 454 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Betriebsgröße eines Verbrennungsmotors be­ schrieben, bei dem ein Ionenstromsignalverlauf an einer Zündker­ ze des Verbrennungsmotors für eine Anzahl von Zündungen zeitab­ hängig gemessen, durch Mittelung der jeweils gemessenen Signal­ verläufe ein gemittelter Signalverlauf bestimmt, das Maximum und/oder der Zeitpunkt des Maximums des gemittelten Signalver­ laufs ermittelt und die Betriebsgröße auf der Grundlage des Ma­ ximums und/oder des Zeitpunkts des Maximums des gemittelten Sig­ nalverlaufs berechnet wird. Alternativ kann die Bestimmung der Betriebsgröße eine Bestimmung des Zeitpunkts des Maximums eines Ionenstromsignals an einer Zündkerze des Verbrennungsmotors für eine Anzahl von Zündungen, eine Mittelung der ermittelten Zeit­ punkte zum Erhalt eines gemittelten Zeitpunktes und eine Berech­ nung der Betriebsgröße auf der Grundlage des gemittelten Zeit­ punktes beinhalten. Bei der ermittelten Betriebsgröße kann es sich speziell um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des dem Verbren­ nungsmotor zugeführten Gemischs oder um eine Abgasrückführrate des Verbrennungsmotors handeln.

Aus der US 2.543.141 ist ein Verfahren zur Klassifizierung von Flüssigkraftstoff für eine Brennkraftmaschine hinsichtlich Klop­ fen bekannt, welches auf einer im Brennraum der Brennkraftma­ schine durchgeführten Ionenstrommessung beruht. Durch Auswerten eines Ionenstromsignales über einen oder mehrere Arbeitszyklen hinweg wird in entsprechenden Testbetriebszyklen festgestellt, ob und wann Klopferscheinungen auftreten, um dadurch auf die Ok­ tanzahl des gerade eingesetzten Kraftstoffes zu schließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer gasgespeisten Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches insbe­ sondere auch bei schwankender Qualität des verbrannten Gases gleichbleibend geringe Schadstoffemissionen, ein gutes Leis­ tungsvermögen und eine hohe Dynamik der Brennkraftmaschine er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb einer gasgespeisten Brennkraftmaschine gelöst, bei dem in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine mittels einer Ionenstromsonde ein Ionenstromsignal gemessen wird, aus dem Ionenstromsignal auf die Gasqualität des momentan im Brennraum verbrannten Brenngases geschlossen wird, und zwar speziell aus der Lage und Höhe eines ersten und eines zweiten Maximums und/oder aus dem Flächenintegral der Ionenstromsignal­ kurve, und die Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen der Brennkraftmaschine gemäß der so ermittelten Gasqualität gesteu­ ert werden. Auf diese Weise wird ein automatisch an die Qualität des momentan verbrannten Gases angepaßter Betrieb der Brenn­ kraftmaschine ermöglicht, der Grundlage für eine Verbrauchsredu­ zierung durch geregelte, optimale Ausnutzung des verbrannten Kraftstoffgemisches ist. Weiter ist es auf diese Weise möglich, herstellungsbedingte Toleranzen von Gemischbildungs- und Einspritzsystem durch geeig­ nete Steuerung der Brennkraftmaschine entsprechend auszuglei­ chen.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 werden die Ver­ brennungsvorgänge gemäß Kennfeldern gesteuert, die in einem Speicher abgelegt sind und den verschiedenen Gasqualitäten der im Brennraum verbrennbaren Brenngase entsprechen. Auf diese Wei­ se kann die gasgespeiste Brennkraftmaschine in allen Betriebsbe­ reichen präzise kennfeldbasiert gesteuert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen typischen Verlauf eines mittels einer Ionenstrom­ sonde im Brennraum einer gasgespeisten Brennkraftmaschine gemessenen Ionenstromsignales,

Fig. 2 in Blockschaltbilddarstellung eine gasgespeiste Brenn­ kraftmaschine mit Ionenstromsonde und Motorsteuergerät.

In Fig. 1 ist mittels einer Kurve 1 ein typischer, mit einer Io­ nenstromsonde gemessener Ionenstromverlauf als Funktion eines Kurbelwellenwinkels 9 einer Brennkraftmaschine dargestellt. Als Ionenstromsonde kann insbesondere, wie üblich, eine Zündkerze dienen. Diese ist lediglich einer nicht weiter dargestellten Io­ nenstrom-Auswerteeinheit zuzuordnen, deren Realisierung sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung der von ihr vor­ zunehmenden Auswertefunktionalitäten ohne weiteres ergibt. Wird eine Zündkerze zum einen zur Zündung eines Brenngases im zugehö­ rigen Brennraum der Brennkraftmaschine eingesetzt und zum ande­ ren für das Messen des Ionenstromsignales, so ergibt sich ein Ionenstromsignalverlauf, der zwischen einem Einsatzpunkt 2 und einem Endzeitpunkt 3 des Zündvorganges ein ausgeprägtes Maximum aufweist, das in Fig. 1 ausgeblendet ist. Nach Ende des Zündvor­ ganges bilden sich über ein Arbeitsspiel hinweg bei der Ionen­ stromkurve 1 zwei lokale Maxima 4, 5 heraus, wobei der Kurven­ verlauf im Detail von der Zusammensetzung des verbrannten Brenn­ gases abhängt.

Insbesondere zeigt sich für den Fall einer gasgespeisten Brenn­ kraftmaschine, daß durch eine geeignete Auswertung von Lage und Höhe des ersten Ionenstrommaximums 4 und des zweiten Ionenstrom­ maximums 5 bzw. durch Bestimmen des Flächenintegrals über die gesamte Ionenstromkurve 1 auf die genaue Qualität des eingesetz­ ten Brenngases geschlossen werden kann, z. B. bei Verwendung von Erdgas als Brenngas auf die vom jeweiligen Methangehalt bestimm­ te Erdgasqualität.

Die in der Fig. 2 dargestellte gasgespeiste Brennkraftmaschine 20 eignet sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und weist dazu ein Motorsteuergerät 21 auf, das einen Kenn­ feldspeicher 22 enthält. Dieses Motorsteuergerät 21 steuert in Abhängigkeit von im Kennfeldspeicher 22 abgelegten Kennfeldern den Luftanteil des in den Zylindern 23 eines Motorblockes 24 verbrannten Brenngases, gibt die Zündzeitpunkte in den Zylindern 23 vor und stellt den Druck in einem nicht weiter dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 20 geeignet ein. Diese Kenn­ felder ermöglichen die Steuerung der Brennkraftmaschine 20 so, daß für die ermittelte Gasqualität des momentan zugeführten Brenngases eine optimale Leistung bei günstigem Verbrauchsver­ halten und geringer Abgasemission erzielt wird.

Um ein zu der Gasqualität des momentan verbrannten Brenngases passendes Kennfeld auszuwählen, wird in den Zylindern 23 im Mo­ torblock 24 der Brennkraftmaschine 20 eine Ionenstrommessung mittels Ionenstromsonden 25 durchgeführt. Diese Ionenstromsonden 25 sind als Zündkerzen ausgebildet und dienen demnach primär zur Zündung des Brenngases in den Brennräumen der Zylinder 23. In den Zeiträumen zwischen den Zündvorgängen wird über Signallei­ tungen 26 ein Ionenstromsignal für das Motorsteuergerät 21 ent­ sprechend dem in der Fig. 1 dargestellten Kurvenverlauf bereit­ gestellt. Dieses Ionenstromsignal wird in dem Motorsteuergerät 21 zyklisch von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel oder in mehr oder weniger regelmäßigen Zeitabständen bezüglich Lage und Höhe von erstem und zweitem Ionenstrommaximum gemäß eines herkömmlichen Algorithmus ausgewertet, um so die Qualität des momentan ver­ brannten Gases zu bestimmen. Gegebenenfalls kann dazu auch die durch Integration der Ionenstromkurve erhaltene Fläche als ein für die Brenngasqualität indikativer Parameter zusätzlich oder alternativ herangezogen werden. Ist auf diese Weise die Qualität des momentan verbrannten Gases aus der Ionenstrommessung be­ stimmt, wird ein in dem Kennfeldspeicher 22 zu der bestimmten Qualität des momentan verbrannten Gases passendes Kennfeld er­ mittelt, auf dessen Grundlage dann das Motorsteuergerät 21 den Verbrennungsvorgang in den Zylindern 23 im Motorblock 24 der Brennkraftmaschine 20 steuert.

Es sei bemerkt, daß die Bestimmung der Qualität des momentan verbrannten Gases von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel erfolgen kann oder nach einer gewissen Anzahl von Arbeitsspielen oder in mehr oder weniger regelmäßigen Zeitabständen. Außerdem sei bemerkt, daß durch geeignete Zuordnung von im Kennfeldspeicher 22 abge­ legten Kennfeldern an eine jeweils erfaßte Betriebssituation auch herstellungsbedingte Toleranzen von Gemischbildungs- und Einspritzsystem der Brennkraftmaschine 20 ausgeregelt werden können. Insbesondere kann bei einem Betrieb der Brennkraftma­ schine 20 entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren durch die automatische Qualitätserkennung des Brenngases im laufenden Motorbetrieb der Einsatz von kostenintensiven und aufwendigen Codierungseinrichtungen vermieden werden, mit denen ansonsten die Brenngasqualität z. B. an der Tankstelle eingestellt werden könnte.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb einer gasgespeisten Brennkraftmaschine (20), bei dem

• - die Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen der Brennkraft­ maschine (20) in Abhängigkeit von der Gasqualität des zugeführten Brenngases gesteuert werden,dadurch gekennzeichnet, daß
• - in wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine (20) mittels einer Ionenstromsonde (25) ein Ionenstromsignal (1) ge­ messen wird,
• - aus Lage und Höhe eines ersten und eines zweiten Maximums und/oder aus dem Flächenintegral der Ionenstromsignalkurve auf die Gasqualität des momentan im Brennraum verbrannten Brenngases geschlossen wird und
• - die Verbrennungsvorgänge in den Brennräumen der Brennkraft­ maschine (20) gemäß dieser ermittelten Gasqualität gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Verbrennungsvorgänge gemäß Kennfeldern gesteuert werden, die in einem Speicher (22) abgelegt sind und den verschiedenen Gasqualitäten der in den Brennräumen verbrennbaren Brenngase entsprechen.