DE19924500C1 - Operating method for gas-fuelled combustion engine, controlling combustion processes in dependence on gas quality of conveyed fuel gas - Google Patents
Operating method for gas-fuelled combustion engine, controlling combustion processes in dependence on gas quality of conveyed fuel gasInfo
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Abstract
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.The invention relates to a method for operating a gasge fed internal combustion engine, in which the combustion processes in the combustion chambers of the internal combustion engine depending on the Gas quality of the supplied fuel gas can be controlled.
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.It is known to use internal combustion engines e.g. B. of motor vehicles with a suitable fuel gas, especially natural gas, as fuel to dine. However, its composition and quality fluctuate usually noticeable. So the methane content fluctuates and with it the quality of natural gas in a range of e.g. B. 85% to 99%. When setting the operating parameters of a gas-fed burner it is desirable to account for these fluctuations to bear when the internal combustion engine consumption and emissions should be operated optimally.
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.A method is described in published patent application DE 197 33 575 A1 for the correction of pre-control values for a gas-powered Internal combustion engine, e.g. B. for their ignition and injection system, depending on the composition of the gas burned discloses, in particular with the help of at least one sensor those based on semiconductors have at least one electrically conductive one Part of the burned gas, he quantitatively continuously is taken and according to the quantity of this component the pre-control values arithmetically or on the basis of stored characteristics fields are continuously optimized. Preferably located the at least one sensor in one of the fired gas tank, alternatively in a supply line to the engine or in its injection system.
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.A method is described in published patent application DE 197 35 454 A1 to determine an operating variable of an internal combustion engine wrote an ion current waveform on a spark plug ze the internal combustion engine for a number of firings from time to time measured dependent, by averaging the respectively measured signal curves an averaged signal curve determines the maximum and / or the time of the maximum of the averaged signal ver determined and the company size based on the Ma ximums and / or the time of the maximum of the averaged sig nal course is calculated. Alternatively, the determination of the Company size a determination of the time of the maximum one Ion current signal on a spark plug of the internal combustion engine for a number of firings, an averaging of the determined time points for obtaining an averaged time and a calculation establishment size based on averaged time point. With the determined size of the company, it can specifically the air / fuel ratio of the combustion mixture supplied to the engine or an exhaust gas recirculation rate act of the internal combustion engine.
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.US 2,543,141 describes a method for classifying Liquid fuel for an internal combustion engine with regard to Klop fen known, which on a in the combustion chamber of the internal combustion engine performed ion current measurement is based. By evaluating of an ion current signal over one or more duty cycles is determined in corresponding test operating cycles, if and when there are knocking symptoms in order to indicate the OK close the number of fuel currently being used.
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.The object of the invention is a method for operating a to provide gas-fed internal combustion engine, which in particular especially when the quality of the burned gas fluctuates consistently low pollutant emissions, good performance ability and high dynamics of the internal combustion engine possible.
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.This task is accomplished by a method of the type mentioned at the beginning Solved type of operation of a gas-fed internal combustion engine, in the at least one combustion chamber of the internal combustion engine an ion current signal is measured by means of an ion current probe is, from the ion current signal to the gas quality of the moment combustion gas burned in the combustion chamber is closed, namely specifically from the location and height of a first and a second Maximums and / or from the area integral of the ion current signal curve, and the combustion processes in the combustion chambers of the Control internal combustion engine according to the gas quality determined in this way be recognized. In this way, quality is automatically assured adapted operation of the burning of the currently burned gas engine enables the basis for a reduction in consumption decoration by regulated, optimal use of the burned Fuel mixture is. It is also possible in this way manufacturing-related Appropriate tolerances of mixture formation and injection system Control of the internal combustion engine accordingly 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.In a development of the invention according to claim 2, the Ver controlled combustion processes according to maps that in one Storage are stored and the different gas qualities of the combustible combustion gases in the combustion chamber. In this way The gas-fed internal combustion engine can be used in all operating areas range can be precisely controlled based on a map.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Zeich nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei gen:Further features and advantages of the invention are in the drawing are shown and are described below. It shows gene:
Fig. 1 einen typischen Verlauf eines mittels einer Ionenstrom sonde im Brennraum einer gasgespeisten Brennkraftmaschine gemessenen Ionenstromsignales, Fig. 1 shows a typical curve of a measured ion current signal probe by means of an ion current in the combustion chamber of a gas-powered internal combustion engine,
Fig. 2 in Blockschaltbilddarstellung eine gasgespeiste Brenn kraftmaschine mit Ionenstromsonde und Motorsteuergerät. Fig. 2 in block diagram representation of a gas-fed internal combustion engine with ion current probe and engine control unit.
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.In Fig. 1, a typical ion current curve measured with an ion current probe as a function of a crankshaft angle 9 of an internal combustion engine is shown by means of a curve 1 . In particular, as usual, a spark plug can serve as the ion current probe. This is only to be assigned to an ion current evaluation unit (not shown further), the realization of which for the person skilled in the art is readily apparent from the following description of the evaluation functionalities which it is increasing before. If a spark plug is used on the one hand to ignite a fuel gas in the associated combustion chamber of the internal combustion engine and on the other hand for measuring the ion current signal, the result is an ion current signal curve which has a pronounced maximum between an application point 2 and an end time 3 of the ignition process, which in Fig. 1 is hidden. After the end of the ignition process, two local maxima 4 , 5 are formed over a working cycle in the ion current curve 1 , the curve course depending in detail on the composition of the combusted fuel gas.
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.In particular, it shows in the case of a gas-fed internal combustion engine that closed by a suitable evaluation of the position and height of the first ion current maximum 4 and the second ion current maximum 5 or by determining the area integral over the entire ion current curve 1 to the exact quality of the fuel gas used can be, e.g. B. when using natural gas as fuel gas to the natural gas quality determined by the respective methane content.
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.The gas-fed internal combustion engine 20 shown in FIG. 2 is suitable for carrying out the method according to the invention and, for this purpose, has an engine control unit 21 which contains a characteristic field memory 22 . This engine control unit 21 controls the air fraction of the fuel gas burned in the cylinders 23 of an engine block 24 as a function of maps stored in the map memory 22 , specifies the ignition times in the cylinders 23 and adjusts the pressure in an intake tract of the internal combustion engine 20, which is not shown in any more detail. These characteristic fields enable the control of the internal combustion engine 20 in such a way that for the determined gas quality of the fuel gas currently being supplied, optimum performance is maintained with low consumption and low exhaust gas emissions.
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.In order to select a map matching the gas quality of the fuel gas currently burned, an ion current measurement by means of ion current probes 25 is carried out in the cylinders 23 in the engine block 24 of the internal combustion engine 20 . These ion current probes 25 are designed as spark plugs and are therefore primarily used to ignite the fuel gas in the combustion chambers of the cylinders 23 . In the periods between the ignition processes via signal lines 26, an ion current signal for the engine control unit 21 is accordingly provided the curve shown in FIG. 1. This ion current signal is evaluated in the engine control unit 21 cyclically from work cycle to work cycle or at more or less regular time intervals with respect to the position and height of the first and second ion current maximum in accordance with a conventional algorithm, so as to determine the quality of the gas currently burned. If necessary, the area obtained by integrating the ion current curve can additionally or alternatively be used as a parameter indicative of the fuel gas quality. If the quality of the currently burned gas from the ion current measurement is determined in this way, a map matching the determined quality of the currently burned gas is determined in the map memory 22 , on the basis of which the engine control unit 21 then the combustion process in the cylinders 23 in the engine block 24 of the internal combustion engine 20 controls.
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.It should be noted that the quality of the gas currently burned can be determined from work cycle to work cycle or after a certain number of work cycles or at more or less regular intervals. In addition, it should be noted that by appropriately assigning maps stored in the map memory 22 to a respectively recorded operating situation, manufacturing-related tolerances of the mixture formation and injection system of the internal combustion engine 20 can also be corrected. In particular, when operating the internal combustion engine 20 in accordance with the method described above, the automatic quality detection of the fuel gas during engine operation prevents the use of cost-intensive and complex coding devices with which the fuel gas quality would otherwise be reduced. B. could be set at the gas station.
Claims (2)
- - 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.
- - The combustion processes in the combustion chambers of the internal combustion engine ( 20 ) are controlled as a function of the gas quality of the fuel gas supplied, characterized in that
- - An ion current signal ( 1 ) is measured in at least one combustion chamber of the internal combustion engine ( 20 ) by means of an ion current probe ( 25 ),
- - From the position and height of a first and a second maximum and / or from the area integral of the ion current signal curve, the gas quality of the fuel gas currently burned in the combustion chamber is inferred and
- - The combustion processes in the combustion chambers of the internal combustion engine ( 20 ) are controlled in accordance with this determined gas quality.
- - die Verbrennungsvorgänge gemäß Kennfeldern gesteuert werden, die in einem Speicher (22) abgelegt sind und den verschiedenen Gasqualitäten der in den Brennräumen verbrennbaren Brenngase entsprechen.
- - The combustion processes are controlled according to maps that are stored in a memory ( 22 ) and correspond to the different gas qualities of the combustible gases in the combustion chambers.
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