DE102005021491A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann Download PDF

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann. Es ist ein Auswahlvorrichtung vorgesehen, die ermittelt, welcher Betriebsstoff für einen aktuellen Betriebszustand hinsichtlich der Abgasemissionen der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist. Die Auswahlvorrichtung veranlasst den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem entsprechenden Betriebsstoff.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
  • Aus der DE 101 46 063 A1 ist bereits ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Brennkraftmaschine mit einem ersten und zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann. Dabei erfolgt eine automatische Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsstoffen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentanspruche hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Verringerung der Abgasemission der Brennkraftmaschine erreicht wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach werden als erster Betriebsstoff ein Gas und als zweiter Betriebsstoff eine Flüssigkeit verwendet. Als Gas eignet sich komprimiertes Erd- oder Flüssiggas und als flüssiger Betriebsstoff Benzin oder Diesel. Da die Reini gungswirkung eines Katalysators stark temperaturabhängig ist, wird die Temperatur des Katalysator bei der Auswahl des Betriebsstoffes berücksichtigt. Die Temperatur kann dabei entweder durch Auswertung eines Temperatursensors oder aber durch eine Berechnung ermittelt werden. Besonders wichtig für die Gesamtemissionen einer Brennkraftmaschine ist die Startphase, da in dieser Phase der Katalysator noch nicht zuverlässig die Abgase reinigt. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, in einer ersten Phase in der der Katalysator noch keine Reinigungswirkung aufweist zunächst den gasförmigen Betriebsstoff zu verwenden. In einer zweiten Temperaturphase nach dem Start in dem der Katalysator bereits eine gute Reinigungswirkung für den flüssigen aber noch keine gute Reinigungswirkung für den gasförmigen Betriebsstoff aufweist, wird der flüssige Betriebsstoff verwendet. Wenn danach der Katalysator soweit erwärmt ist, dass er eine gute Reinigungswirkung für die Abgase beider Betriebsstoffe aufweist, so wird wieder der gasförmige Betriebsstoff verwendet da bei diesem die Emissionen geringer gehalten werden können als beim zweiten Betriebsstoff.
    •
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, einer Steuervorrichtung und Einspritzventilen für den ersten und zweiten Betriebsstoff.
  • Beschreibung
  • In der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine dargestellt, die einen Zylinder 11 und in dem Zylinder 11 ein Kolben 12 aufweist. Durch den vom Kolben 12 freigelassenen Raum des Zylinders 11 wird ein Brennraum 13 gebildet, in dem durch eine Luftzuführung 14 ein Gemisch von Luft und Betriebsstoff eingebracht wird. Das brennfähige Gemisch von Betriebsstoff und Luft wird in den Brennraum verbrannt, wodurch in dem Brennraum 13 eine Druckerhöhung erfolgt. Diese Druckerhöhung wird dann durch eine entsprechende Bewegung des Kolbens 12 in Bewegung umgesetzt, die beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges verwendet wird. Die bei der Verbrennung in dem Brennraum 13 entstehenden Verbrennungsprodukte, d. h. die Abgase werden durch die Abgasabführung 15 aus dem Brennraum 13 entfernt. Es handelt sich somit um eine Brennkraftmaschine, die üblicher Weise als Ottomotor oder Dieselmotor bereits gut be kannt ist. Aus Gründen der Vereinfachung wurden entsprechend Ein- und Auslassventile zum Einlassen des Luftbetriebsstoffgemisches in den Brennraum 13 bzw. zum Ablassen der Abgase in das Abgasrohr 15 nicht dargestellt. Weiterhin wurde aus Gründen der Vereinfachung auch keine Zündkerze, Glühkerze oder andere Sensoren oder Stellglieder wie sie bei Otto- und Dieselmotoren üblich sind, dargestellt, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung sind.
  • Die Zuführung des Betriebsstoffs erfolgt in der 1 in der Luftzuführung 14. Dazu sind Einspritzventile 2, 3 vorgesehen, die in die Luftzuführung 14 hineinragen. Das Einspritzventil 2 ist für die Einspritzung eines flüssigen Betriebsstoff beispielsweise Benzin ausgelegt. Über eine Verbindungsleitung 4 ist das Einspritzventil 2 mit einem Benzintank 5 verbunden. Ein Einspritzventil 2 für flüssigen Betriebsstoff kann aber auch direkt in den Brennraum münden, wie dies bei Dieselmotoren oder direkt einspritzenden Benzinmotoren üblich ist. Das Einspritzventil 3 ist zur Einspritzung eines gasförmigen Betriebsstoffes beispielsweise Erdgas ausgebildet. Dazu ist das Einspritzventil 3 über eine Zuleitung 6 mit einem Erdgasspeicher 7 verbunden. Die Einspritzung der Betriebsstoffe durch die Einspritzventile 2, 3 wird durch ein Steuergerät 1 gesteuert, welches durch entsprechende Ansteuerleitungen 8, entsprechende Steuerimpulse an die Einspritzventile 2, 3 sendet. In dem Steuergerät 1 ist eine Auswahlvorrichtung enthalten, die entscheidet, welche der Betriebsstoffe, d. h. entweder Benzin oder Gas in die Luftzuführung 14 eingespritzt werden soll. Üblicher Weise wird heute die Auswahlvorrichtung als Software in einem Universalsteuergerät 1 realisiert sein. Es sind aber auch mechanische Auswahlvorrichtungen oder entsprechende spezialisierte elektronische Schaltungen für diesen Zweck einsetzbar.
  • Die Verbrennungsprodukte der Verbrennung im Brennraum 13 werden durch das Abgasrohr 15 aus dem Brennraum 13 weggeführt und in die Umwelt abgegeben. Zur Reinigung werden dabei die Abgase durch einen Katalysator 16 hindurchgeleitet, indem eine Reinigung des Abgases erfolgt. Die Reinigungswirkung des Katalysators ist von der Temperatur des Katalysators 16 abhängig. Zur Beurteilung, in welchem Umfang der Katalysator 16 die Abgase reinigt, ist daher ein Temperatursensor 17 vorgesehen, der unmittelbar an oder im Katalysator 16 montiert ist und die Temperatur das Katalysator 16 über eine elektrische Leitung 8 an das Steuergerät 1 weitergibt. Alternativ kann eine Bestimmung der Temperatur des Katalysators 16 auch erfolgen, indem durch Messung eines anderen Temperatursignals und Vergleichswerten auf die Temperatur des Katalysators 16 geschlossen wird. Ein derartiger alternativer Temperatursensor kann beispielsweise der Temperatursensor 18 sein, der in unmittelbaren thermischen Kontakt mit dem Brennraum 13 steht. Ein derartiger Sensor 18 wäre beispielsweise ein Sensor der die Kühlwassertemperatur misst. Auch dieses Signal des Sensors 18 wird über eine Verbindungsleitung 8 an das Steuergerät 1 mitgeteilt. Weiterhin kann die Temperatur des Katalysators 16 auch einfach aufgrund einer Rechnung bestimmt werden, insbesondere indem die Betriebszustände der Brennkraftmaschine über einen gewissen Zeitraum ausgewertet werden und dann auf die Temperatur des Katalysators 16 geschlossen wird.
  • Neben der Temperatur hängt die Reinigungswirkung des Katalysators auch davon ab, welcher der beiden möglichen Betriebsstoffe in dem Brennraum 13 verbrannt wird. In einem sehr kalten Betriebszustand des Katalysators 16 wie er beispielsweise bei einem Kaltstart auftritt, hat der Katalysator 16 nur eine äußerst geringe Reinigungswirkung egal welcher Betriebsstoff in dem Brennraum 16 verbrannt wird. Unter Kaltstart wird hier ein Betriebszustand verstanden, bei dem ein Start der Brennkraftmaschine erfolgt und der Katalysator noch im wesentlichen die Umgebungstemperatur, d. h. eine Temperatur unter 40° C aufweist. In einer ersten Zeitdauer des Betriebs der Brennkraftmaschinen bleibt die Temperatur des Katalysators 16 auf einem so geringen Wert, dass der Katalysator im wesentlichen keine Reinigungswirkung für die Abgase aufweist. Mit dem Erreichen einer ersten Temperatur in der Größenordnung von ca. 260 ° C weist der Katalysator 16 bereits eine merkliche betriebsstoffabhängige Reinigungswirkung für die Abgase von flüssigen Betriebsstoffen, wie beispielsweise Benzin auf. Die Abgase dieser Betriebsstoffe können daher von dem Katalysator 16 gereinigt werden, sodass die Abgase die nach dem Katalysator 16 an die Umwelt abgegeben werden, sauberer sind als die Abgase der gasförmigen Betriebsstoffe. Wenn dann durch den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine die Katalysatortemperatur weiter ansteigt, so erreicht der Katalysator eine Temperatur von mehr als 370° C. Jenseits dieser Temperatur weist der Katalysator 16 eine gute Reinigungswirkung sowohl für die Abgase der flüssigen Betriebsstoffe wie Diesel oder Benzin wie auch der gasförmigen Betriebsstoffe wie Erdgas oder Flüssiggas (eine Mischung von Butan und/oder Propan) auf. Da jedoch bei der Verbrennung von gasförmigen Betriebsstoffen wie Erdgas oder Flüssiggas bereits bei der Verbrennung weniger Schadstoffe entstehen ist das nach dem Katalysator 16 abgegebene Abgas der gasförmigen Betriebsstoffe sauberer als das Abgas der flüssigen Betriebsstoffe. D. h. bei einer hohen Temperatur des Katalysators 16 ist es dann für die Abgasemissionen vorteilhaft, die Brennkraftmaschine mit gasförmigen Betriebsstoffen zu betreiben.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Auswahlvorrichtung für die Betriebsstoffe ermittelt, welche Betriebsstoffe für einen aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine hinsichtlich der Abgasemissionen vorteilhaft ist. Dabei ist insbesondere die Temperatur des Katalysators von Bedeutung, da anhand der Temperatur des Katalysators beurteilt werden, ob der Katalysator 16 eine gute Reinigungswirkung für den ersten Betriebsstoff (gasförmiger Betriebsstoff) und/oder für den zweiten Betriebsstoff (flüssiger Betriebsstoff) besitzt. In Abhängigkeit von dem jeweils nach dem Katalysator 16 zu erwartenden Abgasemissionen wird dann der entsprechend vorteilhafte Betriebsstoff ausgewählt.
  • Wenn die Brennkraftmaschine für einen ausreichend langen Zeitraum abgestellt wurde, so wird der Katalysator eine Temperatur aufweisen, die im wesentlichen der Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine entspricht. Mit dieser Temperatur weist der Katalysator 16 nur eine vernachlässigbare Reinigungswirkung für die Abgase der Brennkraftmaschine auf. Nach einem Start der Brennkraftmaschine ausgehend von diesem kalten Zustand, d. h. einem so genannten Kaltstart wird sich der Katalysator 16 mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine zunehmend erwärmen bis er nach einem längeren Betrieb eine mehr oder weniger statische Endtemperatur erreicht. Ausgehend von diesem Temperaturanstieg wird durch die Auswahlvorrichtung eine im Zeitverlauf typische Auswahl der Betriebsstoffe vornehmen. Unmittelbar nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird zunächst der Betriebsstoff verwendet, der bei der Verbrennung geringere Abgasemissionen verursacht, d. h. sauberer verbrennt. Bei der Alternative zwischen Benzin/Diesel und Erdgas/Flüssiggas würde in diesem kalten Betriebszustand Erdgas/Flüssiggas bevorzugt. Die Auswahlvorrichtung wählt somit im kalten Betriebszustand des Katalysators 16 zunächst den gasförmigen Betriebsstoff aus. Nach einer Weile hat sich der Katalysator 16 soweit erwärmt, dass eine nennenswerte Reinigungswirkung für die Abgase von Benzin/Diesel möglich ist aber noch nicht für die Abgase von Erdgas/Flüssiggas. Die Auswahlvorrichtung wird somit nach einer gewissen Betriebsdauer der Brennkraftmaschine von einem Betrieb mit Erdgas/Flüssiggas auf einen Betrieb mit Benzin/Diesel umschalten. Dieser Betriebszustand mit dem Betriebsstoff Benzin/Diesel wird dann solange beibehalten bis die Katalysatortemperatur soweit angestiegen ist, dass eine Reinigungswirkung sowohl für die Abgase von Benzin/Diesel wie auch Erdgas/Flüssiggas gegeben ist. Die Auswahlvorrichtung wird dann wiederum den Betriebsstoffwechsel und auf Erdgas/Flüssiggas umschalten, da dieser Betriebsstoff bereits bei der Verbrennung weniger schädlicher Abgase erzeugt, die durch den Katalysator 16 aus dem Abgas entfernt werden müssen.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahlvorrichtung (1) vorgesehen ist, dass die Auswahlvorrichtung (1) ermittelt welcher Betriebsstoff für einen aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine hinsichtlich der Abgasemissionen vorteilhaft ist, und den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem entsprechenden Betriebsstoff veranlasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Betriebsstoff ein gasförmiger Betriebsstoff und als zweiter Betriebsstoff ein flüssiger Betriebstoff verwendet wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiger Betriebsstoff komprimiertes Erdgas (CNG) oder Flüssiggas (LPG) (Butan und/oder Propan) verwendet wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiger Betriebsstoff Benzin oder Diesel verwendet wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlvorrichtung (1) zur Ermittlung welcher Betriebsstoffe für die Abgasemissionen vorteilhaft ist, die Temperatur eines Katalysators (16) der das Abgas der Brennkraftmaschine reinigt, ermittelt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlvorrichtung zur Ermittlung der Temperatur des Katalysators (16) das Signal eines Temperatursensors (17, 18) auswertet, wobei der Temperatursensor (17, 18) unmittelbar die Temperatur des Katalysators (16) oder eine andere Temperatur der Brennkraftmaschine misst.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlvorrichtung für die Ermittlung der Temperatur des Katalysators die Betriebsdauer und Betriebsart der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlvorrichtung bei einer Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine in einem kalten Zustand des Katalysators (16) als Betriebsstoff zuerst den ersten Betriebsstoff auswählt, dass die Auswahlvorrichtung nach einer Erwärmung des Katalysators (16) über eine erste Temperatur hinaus auf den zweiten Betriebsstoff umschaltet, dass die Auswahlvorrichtung bei einer Erwärmung des Katalysators (16) über eine zweite Temperatur hinaus wieder auf den ersten Betriebsstoff umschaltet, dass die zweite Temperatur höher ist als die erste Temperatur und wobei der Katalysator (16) bei einer Temperatur unterhalb der ersten Temperatur nur eine geringe Reinigung des Abgases bewirkt, bei einer Temperatur oberhalb der ersten Temperatur und unterhalb der zweiten Temperatur das Abgas des zweiten Betriebsstoffs gut reinigt und das Abgas des ersten Betriebsstoff nur schlecht reinigt, und bei einer Temperatur oberhalb der zweiten Temperatur das Abgas des ersten und zweiten Betriebstoff gut reinigt.
  9. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die mit einem ersten und einem zweiten Betriebsstoff betrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird welcher Betriebsstoff für einen aktuellen Betriebszustand hinsichtlich der Abgasemissionen der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist, und dass der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem entsprechenden Betriebsstoff veranlasst wird.
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