DE102006022357B3

DE102006022357B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Zusammensetzung eines Gasgemisches eines mit einem CNG-Gas befüllten Kraftstofftanks eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102006022357B3
Application number: DE102006022357A
Authority: DE
Inventors: Erwin Bauer; Dietmar Ellmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: WO2007131814A1; US20090088983A1; EP1951539A1; KR100990554B1; CN101370681B; KR20080085186A; US8073636B2; JP2009531683A; CN101370681A

Abstract

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einem mit einem CNG-Gasgemisch befüllten Kraftstofftank (2) eines Kraftfahrzeugs die Zusammensetzung des Gasgemisches zu ermitteln. Dazu werden ein Drucksensor (4) und ein Temperatursensor (5) benötigt, die in der Regel bei bekannten gasbetriebenen Fahrzeugen vorhanden sind. Aus den gemessenen Werten wird der Dampfdruck (p<SUB>d</SUB>) wenigstens eines in dem Gasgemisch vorhandenen Gases, insbesondere für Ethan, Propan und/oder Butan ermittelt. Bei Unterschreitung des Dampfdrucks eines der Bestandteile des CNG-Gases im Kraftstofftank (2) wird eine entsprechende aktuelle Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einer Brennkraftmaschine (1) stets so viel Gas mit dem erforderlichen Energiewert eingespritzt werden kann, wie es auf Grund des vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (lambda-Wert) und der Betriebsbedingungen erforderlich ist. Dadurch kann eine optimale Verbrennung mit minimalem Abgas erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Ermittlung der Gaszusammensetzung eines mit einem CNG-Gasgemisch gefüllten Kraftstofftanks eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 15. Es ist bereits bekannt, dass Kraftfahrzeuge, die mit einem Otto-Motor ausgerüstet sind, mit einem sogenannten CNG-Gas (Erdgas) betrieben werden können (CNG Compressed Natural Gas). Das CNG-Gasgemisch ist auch als Erdgas bekannt. Mit einer entsprechenden Umrüstung kann ein solches CNG-Fahrzeug entweder ausschließlich mit Erdgas (monovalenter Betrieb) oder als Bi-Fuel-Variante wahlweise mit Benzin oder Erdgas betrieben werden. Das Erdgas wird unter hohem Druck bei etwa 200 bar stark komprimiert und in einem oder mehreren drucksicheren Kraftstofftanks im Kraftfahrzeug mitgeführt. Hauptbestandteil von Erdgas ist mit 85–98% Methan (CH₄). Darüber hinaus enthält das Erdgas aber auch größere Anteile an höheren Kohlenwasserstoffen, wie Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈) und Butan (C₉H₁₀). Man spricht dann von einem nassen Erdgas. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Bestandteile Ethan, Propan und Butan einen relativ geringen Dampfdruck aufweisen und daher unter Druck schnell verflüssigen. Der Dampfdruck beträgt bei 20°C bei Ethan ca. 38 bar, bei Propan 8,5 bar und bei Butan 2,0 bar. Methan, der Hauptbestandteil des Erdgases, hat erst bei einer Temperatur von minus 157°C einen Dampfdruck von 1,47 bar.
Wenn der Kraftstofftank mit dem CNG-Gasgemisch unter hohem Druck gefüllt ist, ist im Wesentlichen Methan in gasförmiger Form verfügbar, während die Bestandteile Ethan, Propan und Butan meist in flüssiger Phase vorliegen. Diese flüssigen Bestandteile sammeln sich am Boden des Kraftstofftanks und werden nicht genutzt, solange der Gasdruck im Kraftstofftank größer ist als der Dampfdruck von Ethan, Propan oder Butan. Erreicht dagegen der Gasdruck im Kraftstofftank den Wert des Dampfdruckes von Ethan, dann verdampft zunächst der flüssige Ethananteil, dessen Dampfdruck bei 20°C bei etwa 38 bar liegt. Sinkt der Gasdruck im Kraftstofftank weiter ab, dann verdampft bei 8,5 bar der Propananteil und schließlich bei 2 bar der Butananteil. Dieses physikalische Verhalten hat zur Folge, dass bei der Einspritzung des Gasgemisches in die Brennkraftmaschine in Verbindung mit der angesaugten Luft die chemische Zusammensetzung des Gasgemisches kontinuierlich verändert wird. Bei vollem Kraftstofftank wird reines Methan-Luftgemisch eingespritzt bzw. verbrannt, wobei der Gasdruck im Kraftstofftank (Systemdruck) kontinuierlich sinkt. Wird bei etwa 38 bar der Dampfdruck von Ethan erreicht, dann beginnt dieses zu verdampfen und es entsteht ein Gemisch aus Methan und Ethan. Der Systemdruck bleibt solange konstant, bis der Ethananteil im Kraftstofftank verdampft ist. Anschließend fällt der Systemdruck weiter ab. Erreicht der Systemdruck bei ca. 8,5 bar die Dampfdruckschwelle vom Propan, dann verdampft der flüssige Propananteil. Ab jetzt wird ein Kraftstoffgemisch aus Methan, Ethan und Propan verbrannt.
Wird der Tank schließlich noch weiter leer gefahren, dann verdampft bei ca. 2 bar auch der Butananteil. In der Praxis wird Letzteres allerdings kaum vorkommen, da in der Regel der Einspritzdruck in den Zylinder der Brennkraftmaschine über 2 bar gefahren wird und somit der Butananteil flüssig bleibt und sich dabei im Kraftstofftank kontinuierlich ansammelt.
Da die verschiedenen Bestandteile des CNG-Gases unterschiedliche Energieinhalte aufweisen, ergeben sich für das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine signifikante Auswirkungen in Bezug auf die Zylinderfüllung, die Gemischbildung, die Kraftstoffeinblasedauer und die Verbrennung. Insbesondere können dadurch auch die Abgasemissionen beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gaseinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der aktuellen Gaszusammensetzung des CNG-Gases im Kraftstofftank zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 15 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Gaszusammensetzung bzw. der Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 15 ergibt sich der Vorteil, dass unabhängig vom vorherrschenden Gasdruck (Systemdruck) im Kraftstofftank stets ein Gasgemisch zur Verfügung gestellt wird, das bei einer aktuellen Motoranforderung dem vorgegebenen Sollwert entspricht. Dadurch kann nicht nur die Leistungskurve der Brennkraftmaschine verbessert, sondern insbesondere auch die Abgasemission optimiert werden. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass aus der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Gasdruck im Kraftstofftank der aktuelle Dampfdruck wenigstens eines Bestandteiles des CNG-Gasgemisches, insbesondere für Methan, Ethan, Propan und/oder Butan ermittelt wird. Bei Unterschreiten des Dampfdrucks eines der genannten Bestandteile wird für jedes entnommene Gaspaket mit Hilfe eines Algorithmus eine aktuelle Zusammensetzung des Gasgemisches unter Berücksichtigung des aktuellen Kraftstoffverbrauchs bestimmt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass der aktuelle Dampfdruck eines Bestandteiles des CNG-Gases sehr einfach aus einer zuvor gespeicherten Tabelle oder Druckkurve entnommen werden kann. Da im Kraftstofftank kontinuierlich die Temperatur und der Gasdruck gemessen werden, kann bei weiterer kontinuierlicher Gasentnahme der aktuelle Dampfdruck beispielsweise von Ethan aus dem waagerecht verlaufenden Kurventeil der gespeicherten Druckkurve entnommen werden.
Günstig ist weiterhin, dass die gasförmige Methanmenge, die unmittelbar vor dem Verdampfen von Ethan entnommen wird, mit einer sehr einfachen Formel berechnet werden kann.
Die Berechnung des Dampfdruckes kann mit einer weiteren Formel berechnet werden, wenn die Gastemperatur im Kraftstofftank, die Gaskonstante und die Gasdichte bekannt sind.
Eine wichtige Größe ist die Kenntnis des Gasvolumens im Kraftstofftank. Des weiteren lässt sich mit einer sehr einfachen Formel eine Kontrollrechnung für das Volumen durchführen. Denn bei Entnahme einer bekannten Methan-Kraftstoffmenge entsteht im Kraftstofftank ein Druckabfall.
Zur Validierung von Messung und Rechnung ist vorgesehen, dass der gemessene Dampfdruck (Istwert) mit dem berechneten Sollwert verglichen wird. Auf diese Weise kann sehr einfach ein Fehler festgestellt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung wird auch darin gesehen, dass die für die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs einzuspritzende Gasmenge in Abhängigkeit von der aktuellen Gaszusammensetzung angepasst wird. Dadurch können insbesondere energetische Unterschiede der Gasbestandteile ausgeglichen werden. Als besonders vorteilhaft wird weiter angesehen, dass die einzuspritzende Gasmenge unter Berücksichtigung ihres Energiegehalts in Bezug auf das modellierte Schluckverhalten der Brennkraftmaschine angepasst wird. Diese Anpassung kann beispielsweise durch Verstellung des Zündwinkels und/oder alternativ durch Veränderung der Einspritzdauer und damit der Einspritzmenge angepasst werden. Insbesondere können diese Anpassungen beispielsweise in der Startphase, während des Warmlaufs und/oder beim Magerbetrieb durchgeführt werden.
Eine sehr vorteilhafte Lösung wird auch darin gesehen, dass bei einem abgestellten Fahrzeug eine neue Berechnung der Gaszusammensetzung durchgeführt wird, wenn sich insbesondere die Umgebungsbedingungen, vor allem die Temperatur und/oder der Gasdruck im Kraftstofftank geändert haben. Die neu ermittelte Gaszusammensetzung wird dann bei einem neuen Motorstart entsprechend berücksichtigt.
Schließlich erscheint auch von Vorteil, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Gaszusammensetzung eine programmgesteuerte Recheneinheit aufweist. Mit dieser Recheneinheit kann mit Hilfe eines Algorithmus und unter Verwendung der gemessenen Temperatur und des Gasdrucks im Kraftstofftank die Gaszusammensetzung sehr einfach und ohne großen Rechenaufwand bestimmt werden. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Recheneinheit in einem Motorsteuergerät integriert ist, das im Kraftfahrzeug bereits vorhandenen ist. Das vorhandene Motorsteuergerät benötigt lediglich ein entsprechendes Software-Programm, mit dem die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Gaszusammensetzung,
2 zeigt ein erstes Diagramm mit einer Druckkurve,
3 zeigt ein zweites Diagramm und
4 zeigt ein Ablaufdiagramm für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Das Blockschaltbild der 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Einspritzsystem 3 verbunden ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist als Otto-Motor ausgebildet. Der Otto-Motor kann dabei monovalent zur Verbrennung von CNG-Gas oder im bivalenten Betrieb zur Umschaltung auf Benzineinspritzung oder Gaseinspritzung ausgebildet sein. Die Gaseinspritzung erfolgt mittels des Einspritzsystems 3. Das Einspritzsystem 3 ist über eine Hydraulikleitung 7 mit einem Kraftstofftank 2 verbunden, in dem das CNG-Gasgemisch gelagert ist. Der Kraftstofftank 2 ist hochdruckfest ausgebildet, so dass er dem üblichen Befüllungsdruck bis zu 200 bar widersteht. Aufgrund des hohen Gasdrucks ist das CNG-Gasgemisch teilweise im flüssigen Zustand gespeichert. Das CNG-Gasgemisch enthält als Hauptbestandteil mit 85–98% Methan, das aufgrund seines Dampfdruckes in gasförmiger Form vorliegt. Die Bestandteile Ethan, Propan und Butan weisen einen wesentlich niedrigeren Dampfdruck auf, so dass diese Anteile in flüssiger Form im Kraftstofftank 2 gelagert sind.
Im oder am Tank sind des Weiteren ein Drucksensor 4 sowie ein Temperatursensor 5 angeordnet. Diese Sensoren 4, 5 messen kontinuierlich die Temperatur T sowie den Gasdruck (Systemdruck) P innerhalb des Kraftstofftanks 2. Die Messwerte werden über entsprechende elektrische Leitungen an eine Recheneinheit 6 weitergegeben. Aufgrund der empfangenen Daten berechnet die Recheneinheit 6 unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Algorithmus, der später noch näher erläutert wird, eine aktuelle Gaszusammensetzung innerhalb des Kraftstofftanks 2 bzw. des Gassystems. Die Recheneinheit 6 weist im Wesentlichen ein Steuerprogramm auf, mit dem verschiedene Parameter, beispielsweise der Dampfdruck eines Bestandteils des CNG-Gasgemisches, das Tankvolumen, die Gaszusammensetzung usw. berechnet werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Recheneinheit 6 in einem Motorsteuergerät integriert, das ohnehin für die Steuerung der Brennkraftmaschine vorhanden ist.
Die Funktionsweise dieser Anordnung wird anhand des ersten Diagramms der 2 näher erläutert. Das Diagramm zeigt eine Druckkurve, bei der auf der Y-Achse der Gasdruck p im Kraftstofftank aufgetragen ist, wie er von dem Drucksensor 4 gemessen wird. Auf der X-Achse ist der zeitliche Verlauf des Gasdrucks p aufgetragen, der vom Drucksensor 4 gemessen wird. Der Kraftstofftank ist dabei mit dem CNG-Gasgemisch gefüllt, wobei das CNG-Gasgemisch außer Methan u.a. auch die Bestandteile Ethan, Propan und Butan enthält. Es wird angenommen, dass der Kraftstofftank mit einem Gasdruck von 200 bar gefüllt ist. Die in 2 dargestellte Druckkurve zeigt beispielhaft das Verhältnis zwischen dem Bestandteil Methan, Ethan und Propan. Für den Butananteil würde die Druckkurve analog weiterlaufen.
Mit Hilfe der vorhandenen Druck- und Temperatursensoren werden im Kraftstofftank kontinuierlich die Gastemperatur und der Gasdruck gemessen. Gleichzeitig wird in der Recheneinheit der Dampfdruck von Ethan berechnet. Die Berechnung des Dampfdrucks von Ethan kann alternativ auch aus der in 2 dargestellten Druckkurve bestimmt werden, da der Zeitpunkt des Verdampfungsbeginns des Ethananteils bei Erreichen des Dampfdruckwertes bei etwa 38 bar entnehmbar ist. Dieser Teil entspricht dem horizontal verlaufenden Kurventeil 2. Der abfallende Kurventeil 1, der zwischen den Druckwerten 200 und 38 bar verläuft, gibt dagegen an, dass in diesem Druckbereich nur das Methangas vorhanden ist, da die anderen Bestandteile des Gasgemisches im Bereich unterhalb von 38 bar in flüssiger Phase vorliegen. Bei Erreichen des Gasdrucks von 38 bar beginnt Ethan so zu verdampfen, dass trotz der weiteren Gasentnahme der Gasdruck im Kraftstofftank nicht weiter absinkt aber auch nicht steigt. Dieses ist durch den waagrechten Kurvenverlauf 2 erkennbar. Da der Druckabfall im Kraftstofftank in der Regel recht langsam verläuft, ist dieser Punkt des Kurventeils 2 einfacher und genauer zu bestimmen, wenn Kenntnis über den Dampfdruck vorliegt. Andererseits kann im Umkehrschluss der aus dem Kurvenverlauf ermittelte Dampfdruckwert mit dem berechneten Wert verglichen werden, um insbesondere die Messgenauigkeit zu überprüfen und damit einen eventuellen Fehler aufzudecken. Dadurch lässt sich die Systemsicherheit in vorteilhafter Weise erhöhen.
Der Dampfdruck bestimmt sich nach der Formel pd = ρ·R·T,wobei p_d der Dampfdruck, ρ die Gasdochte, R eine Gaskonstante und T die Gastemperatur ist.
Tritt nun der Fall ein, dass der Kraftstofftank so weit leer gefahren wird, dass der Dampfdruck p_d = 38 bar von Ethan unterschritten wird, dann reagiert die Recheneinheit bzw. das Motorsteuergerät. Der Tankinhalt setzt sich zu diesem Zeitpunkt aus der restlichen gasförmigen Methanmenge und der sich in der Vergangenheit angesammelten flüssigen Ethanmenge zusammen. Bei diesem Dampfdruck p_d ≈ 38 bar verdampft Ethan, so dass der Motor nun ein Gasgemisch aus Methan, Ethan und Luft verbrennt, wobei dessen Energieinhalt sich von dem bei reiner Methanverbrennung unterscheidet. Die in den Zylinder einzubringende Gasmenge muss entsprechend der aktuellen Gemischqualität angepasst werden, um der veränderten chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffes (X% Methan, Y% Ethan) gerecht zu werden und um das definierte Luft-Kraftstoff-Verhältnis beizubehalten. Die Zusammensetzung des Gasgemisches und damit die von der Motorsteuerung einzustellende Einspritzmenge ändert sich kontinuierlich. Die Änderung erfolgt solange, bis der ganze Ethananteil verdampft ist. Neben der Anpassung der Einspritzmenge erfolgen insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine, während des Warmlaufs und vor allem beim Magerbetrieb weitere Anpassungen. Insbesondere kann der Zündwinkel verstellt werden und/oder die Einspritzdauer entsprechend des Energieinhalts bzw. des Brennwertes des Gasgemisches angepasst werden. Des weiteren ist das modellierte Schluckverhalten des Motors entsprechend der aktuellen Zusammensetzung des Gasgemisches zu korrigieren.
So lange Ethan verdampft, befindet sich das System im Gleichgewicht und der Tankdruck bleibt konstant, wie dem Kurventeil 2 der 2 entnehmbar ist. Erst wenn der gesamte Ethananteil verdampft ist, fällt der Tankdruck entsprechend dem Kurventeil 3 weiter ab.
Die Berechnung der Zusammensetzung des Gasgemisches für den Zeitraum, in dem Methan und Ethan in gasförmigem Zustand vorliegen, wird später noch näher erläutert.
Wie der 2 weiter entnehmbar ist, erfolgt die Verdampfung der Gasanteile für Propan ähnlich, wie es zuvor für Ethan beschrieben wurde. Sinkt der Tankdruck bis auf etwa 8,5 bar ab, dann verdampft der flüssige Propananteil, so dass entsprechend dem Kurventeil 4 der Druck im Kraftstofftank konstant bleibt. Erst wenn der ganze Propananteil verdampft ist und weiterhin Gas entnommen wird, sinkt der Gasdruck im Kraftstofftank entsprechend der Kurve 5 weiter ab.
Eine besondere Situation kann sich auch ergeben, wenn das Fahrzeug abgestellt ist und sich während der Standzeit die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Temperatur und die Druckverhältnisse im Kraftstofftank ändern. Durch Temperaturänderung kann beispielsweise der Gasdruck im Kraftstofftank größer werden als der Dampfdruck eines Gasanteils. Bei Temperaturabfall kann der Gasdruck kleiner werden oder konstant zum Dampfdruck sein. Für diese Sonderfälle ist vorgesehen, dass die dampfförmig vorliegende Ethan- bzw. Propanmenge erneut berechnet wird. Bei einem neuen Motorstart wird dann die neue Zusammensetzung des Gasgemisches zugrunde gelegt.
Bei dem weiteren Diagramm der 3 ist auf der Y-Achse das Verhältnis zwischen Methan und Ethan dargestellt. Auf der X-Achse ist die entnommene Gasmenge in Kg aufgetragen. Aus dem abfallenden Ast der Methan/Ethan-Kurve ist erkennbar, dass bei hohem Gasdruck und geringer entnommener Gasmenge der Methananteil im Gasgemisch bis zu 22 Mal größer ist als der Ethananteil. Bei der Entnahme von nur etwa 0,5 kg des Gasgemisches ist der Methananteil nur noch etwa dreimal so hoch wie der Ethananteil. Der Methananteil sinkt weiter, so dass bei einer entnommenen Gasmasse von etwa 3 kg das Verhältnis Methan/Ethan etwa 1:1 ist. Aufgrund dieses Kurvenverlaufes wird deutlich, dass die Einspritzbedingungen für die Brennkraftmaschine kontinuierlich an die aktuelle Gaszusammensetzung im Kraftstofftank anzupassen sind.
Im Folgenden wird die Berechnung der aktuellen Gemischzusammensetzung im Kraftstofftank am Beispiel des Methans und Ethans näher erläutert. Die Berechnung der Methanmenge im Kraftstofftank zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem Verdampfen von Ethan, d.h. zu Beginn des horizontalen Kurventeils 2 (2) erfolgt mit der Formel mMethan = pd·V/(RMethan·T)
Es wird angenommen, dass bei einem Arbeitsspiel eine Gasmenge Δm entnommen wird. Die zu entnehmende Gasmenge Δm wird als bekannt vorausgesetzt. Beispielsweise erfolgt die Bestimmung von Δm aus der angesaugten Luftmasse und dem entsprechenden λ-Wert. Bei der ersten Gasentnahme aus dem Kraftstofftank handelt es sich noch um reines Methangas. Durch die kontinuierliche Gasentnahme sinkt der Tankdruck schließlich unterhalb des Dampfdrucks von Ethan (ca. 38 bar). Dadurch verdampft gerade so viel Ethan, bis der Dampfdruck wieder erreicht wird.
Für die Berechnung der ersten verdampften Ethanmenge lautet die Formel: mEthan = Δm·RMethan/REthan
Die weiteren entnommenen Gaspakete enthalten sowohl Methan als auch Ethan. Daher ist eine Mischgaskonstante R_Mix einzusetzen, die der Zusammensetzung des Gasgemisches entspricht. Die Mischgaskonstante R_Mix wird für jedes Arbeitsspiel nach der folgenden Formel neu berechnet: RMix = (mMethan·RMethan + mEthan·REthan)/(mMethan + mEthan)
Die Berechnung einer jeden weiteren verdampften Ethanmenge erfolgt nach der Formel mEthan = Δm·RMix/REthan
Die Berechnung des aktuellen Partialdrucks p von Ethan erfolgt nach der Formel pEthan = mEthan·REthan·T/V,wobei V das aktuelle Tankvolumen ist.
Die Berechnung des aktuellen Partialdrucks p von Methan erfolgt entsprechend nach der Formel pMethan = pd – pEthan
Des Weiteren erfolgt die Berechnung der aktuell vorhandenen Ethanmenge nach der Formel mEthan = (pEthan·V)/(REthan·T)
Das als nächstes entnommene Gaspaket Δm setzt sich aus Methan und Ethan zusammen. Man geht dabei von einer idealen Durchmischung des Gases aus, so dass das Gaspaket Δm wie folgt berechnet werden kann: Δm = ΔmMethan + ΔmEthan ΔmMethan = Δm·S/(1 + S) ΔmEthan = Δm·(1 – S/(1 + S))
Somit ergibt sich die aktuelle Gaszusammensetzung S nach der Formel
durch Einsetzen der zuvor berechneten Parameterwerte.
Die Berechnung der Gemischzusammensetzung verläuft iterativ und wird pro Arbeitsspiel, bei dem ein Gasgemisch entnommen wird und ein bestimmter Ethananteil verdampft, jedes Mal neu berechnet.
Durch das Verdampfen von flüssigem Ethan nimmt das Tankvolumen geringfügig zu, und zwar um genau den Anteil, den Ethan in flüssiger Form einnimmt. Der Faktor ρ ist die Dichte des flüssigen Ethans (0,54 kg/l). Daraus ergibt sich eine Volumenänderung ΔV ΔV = ΔmEthan·ρEthan
Das aktuelle Tankvolumen V wird wiederum pro Arbeitsspiel berechnet. Es ergibt sich V = Valt + ΔV
Im Folgenden wird ein alternatives Berechnungsverfahren erläutert. Das alternative Rechenverfahren ist physikalisch gleichwertig zu dem zuvor genannten Rechenverfahren. Es hat jedoch den Vorteil, dass mit diesem Rechenverfahren die Recheneinheit strukturell einfacher dargestellt werden kann. Bei diesem alternativen Rechnungsverfahren werden die aktuell dampfförmigen Anteile von Methan m_Methan und Ethan m_Ethan separat verwaltet. Es wird das Verhältnis X des jeweiligen Anteils zur Gesamtdampfmenge gebildet.
XEthan = 1 – XMethan
Die pro Arbeitsspiel eingeblasene Gasmenge Δm setzt sich dann wie folgt zusammen: ΔmMethan = XMethan·Δm ΔmEthan = XEthan·Δm
Die jeweiligen Anteile Δm_Methan und Δm_Ethan werden dann von den jeweils zuletzt ermittelten Werten m_Methan und m_Ethan abgezogen. Daraus ergeben sich für Methan und Ethan folgende aktuelle Mengen: mMethan,aktuell = mMethan,alt = ΔmMethan mEthan,aktuell = mEthan,alt = ΔmEthan + ΔmEthan,verdampft
Die Ermittlung der pro Arbeitsspiel verdampfenden Ethanmenge erfolgt analog, wie zuvor beschrieben wurde.
Fällt der Gasdruck im Kraftstofftank unter den Dampfdruck von Propan, so verdampft Propan und es entsteht ein Kraftstoffgemisch aus Methan, Ethan und Propan, wie sie zu 2 zuvor erläutert wurde (Kurventeile 4 und 5). Für diesen Fall können die obigen Formeln analog angewendet werden. Es ergibt sich lediglich der Unterschied, dass zunächst ein fixes R_Mix für das konstante Massenverhältnis von Methan zu Ethan berechnet werden muss. Für die übrige Berechnung sind anstelle der Werte von Methan die des Mischgases Methan/Ethan und anstelle der Werte für Ethan die von Propan einzusetzen.
Besonders zu berücksichtigen sind Sonderfälle, die sich ergeben, wenn das Fahrzeug abgestellt wird und sich die äußeren Bedingungen, insbesondere die Umgebungstemperatur, und damit die Verhältnisse im Tank ändern. Es werden folgende Fälle unterschieden.
Fall 1:
Die Temperatur steigt so weit an, dass bereits verdampftes Ethan (bzw. Propan) wieder verflüssigt. Der Gasdruck p ist dann größer als der Dampfdruck p_d.
In diesem Fall liegt dann reines Methan im gasförmigen Zustand vor. Der Ethananteil ist Null. Die Berechnung erfolgt, wie sie oben zuvor beschrieben wurde.
Fall 2:
Die Temperatur ist so weit abgefallen, dass der ganze Ethananteil verdampft ist. In diesem Fall ist der Gasdruck p kleiner als der Dampfdruck p_d. Der Ethananteil bestimmt sich in diesem Fall folgendermaßen: mEthan = (p·VT – mEthan·RMethan)/REthan
Fall 3:
Die Temperatur ist so weit angestiegen bzw. abgefallen, dass gerade der Dampfdruck herrscht (p = p_d). Dies ist lediglich ein Sonderfall von Fall 2 und wird genauso behandelt wie der Fall 2.
Im Folgenden wird die Bestimmung des Tankvolumens erläutert.
In dem zuvor aufgeführten Formelwerk ist das Tankvolumen eine wichtige Größe. Je nach dem, wie hoch der Flüssigkeitsanteil an Gaskomponenten ist, kann der Wert variieren. Das Volumen wird wie folgt ermittelt. In der Phase, in der nur Methan gasförmig vorliegt, wird eine bestimmte Menge Δm_Methan verbrannt. Die Menge Δm_Methan ist der Recheneinheit bekannt und kann z.B. aus der angesaugten Luftmenge und der %-Zahl berechnet werden. Die Entnahme der Kraftstoffmenge führt im Tank zu einem Druckabfall Δp = p₁ – p₂. Daraus kann das Tankvolumen berechnet werden. Ändert sich im Verlauf der Kraftstoffentnahme die Gastemperatur, so wird diese Veränderung ebenfalls nach der folgenden Formel berücksichtigt:
Das Flussdiagramm der 4 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Modellierung des Tankinhalts. Zunächst wird in Position 10 und 11 der Gasdruck im Kraftstofftank bzw. die Temperatur im Kraftstofftank mit Hilfe der eingebauten Sensoren ermittelt. In den Positionen 12 und 13 liegt dann der Gasdruck bzw. die Gastemperatur vor und wird zwischengespeichert. Anschließend wird in Position 14 der Dampfdruck berechnet nach der Formel pd = ρ·R·T,die zuvor erläutert wurde.
In Position 15 wird geprüft, ob der aktuelle Gasdruck im Kraftstofftank den Dampfdruck eines Gaselementes unterschreitet. Ist das nicht der Fall, dann springt das Programm auf Position 12 zurück und der Zyklus wiederholt sich. Im anderen Fall, wenn der Gasdruck im Kraftstofftank kleiner ist als der Dampfdruck, dann wird in Position 16 die Zusammensetzung des Gasgemisches berechnet. Des weiteren wird in Position 17 ein aktueller Kraftstoffverbrauch berechnet und dieser Wert bei der Berechnung der Zusammensetzung des Gasgemisches berücksichtigt. Anschließend erfolgt in Position 18 in Abhängigkeit von der aktuellen Zusammensetzung des Gasgemisches eine entsprechende Korrektur der Einspritzung.
Diese Korrektur kann beispielsweise durch Verstellung der Zündung, insbesondere des Zündwinkels, durch Änderung der Einspritzdauer, durch eine Saugrohrmodellberechnung und/oder dergleichen erfolgen. Nach dieser Korrektur springt das Programm wieder auf Position 12 zurück und der Zyklus wiederholt sich erneut.

1: Brennkraftmaschine
2: Kraftstofftank
3: Einspritzsystem
4: Drucksensor
5: Temperatursensor
6: Recheneinheit/Vorrichtung
7: Hyraulikleitung
10 ... 18: Positionen im Ablaufdiagramm
m: Gasmenge (Masse)
p: Gasdruck
p_d: Dampfdruck
T: Gastemperatur (im Kraftstofftank)
t: Zeitachse

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Gaszusammensetzung eines mit einem CNG-Gasgemisch befüllten Kraftstofftanks (2) eines Kraftfahrzeugs, wobei der Gasdruck und die Gastemperatur im Kraftstofftank (2) des Kraftfahrzeugs permanent gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass – aus der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Gasdruck im Kraftstofftank (2) der aktuelle Dampfdruck wenigstens eines Bestandteils des CNG-Gasgemisches, insbesondere für Methan, Ethan, Propan und/oder Butan ermittelt wird, und – dass bei Unterschreiten des Dampfdrucks eines der Bestandteile des CNG-Gasgemisches im Kraftstofftank (2) für jedes entnommene Gaspaket mit Hilfe eines Algorithmus eine aktuelle Zusammensetzung des Gasgemisches unter Berücksichtigung des aktuellen Kraftstoffverbrauchs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Dampfdruck eines Bestandteiles des CNG-Gases aus einer gespeicherten Tabelle oder Druckkurve entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei weiterer Entnahme von Gaspaketen der Verdampfungsbeginn eines der Bestandteile des CNG-Gases aus dem waagerechten Druckverlauf der gespeicherten Druckkurve entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der gasförmigen Methanmenge (m_Methan) unmittelbar vor dem Verdampfen von Ethan nach der Formel mMethan = pd·V/(RMethan·T) berechnet wird, wobei p_d der Dampfdruck, V das Gasvolumen, R_Methan eine Gaskonstante und T die Gastemperatur im Kraftstofftank (2) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfdruck p_d nach der Formel pdEthan = ρEthan·REthan·Tberechnet wird, wobei T die Gastemperatur im Kraftstofftank, R eine Gaskonstante und ρ die Gasdichte ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für weitere entnommene Gaspakete Methan und Ethan eine Mischgaskonstante RMix = (mMethan·RMethan + mEthan·REthan)/(mMethan + mEthan)berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen V im Kraftstofftank (2) nach der Formel V = (ΔmMethan·RMethan)/(P1/T1 – P2/T2)berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Dampfdruck mit dem berechneten Sollwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs einzuspritzende Gasmenge in Abhängigkeit von der aktuellen Gaszusammensetzung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in eine Brennkraftmaschine (1) einzuspritzende Gasmenge unter Berücksichtigung der aktuellen Gaszusammensetzung im Kraftstofftank (2) und/oder ihres Energiewertes in Bezug auf ein modelliertes Schluckverhalten der Brennkraftmaschine (1) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdauer und/oder der Zündwinkel angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel an aktuelle Betriebsdingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere in der Startphase, während des Warmlaufs und/oder beim Magerbetrieb angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Volumenkontrollberechnung durchgeführt wird, wobei bei Entnahme einer bekannten Methangasmenge ein Druckabfall im Kraftstofftank (2) gemessen wird, aus dem auf ein bestimmtes Tankvolumen geschlossen werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem abgestellten Fahrzeug bei geänderten Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur und/oder des Gasdrucks im Kraftstofftank (2) eine neue Zusammensetzung des Gasgemisches berechnet wird und dass bei einem neuen Motorstart die neue Zusammensetzung des Gasgemisches entsprechend berücksichtigt wird.
Vorrichtung zur Ermittlung der Zusammensetzung des Gasgemisches eines mit einem CNG-Gasgemisch befüllten Kraftstofftanks (2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) eine programmgesteuerte Recheneinheit aufweist und dass die Recheneinheit (6) ausgebildet ist, mit Hilfe eines Algorithmus und unter Verwendung der gemessenen Temperatur (T) und des Gasdrucks (p) im Kraftstofftank (2) für jedes entnommene Gaspaket die aktuelle Gaszusammensetzung zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) Teil eines im Kraftfahrzeug vorhandenen Motorsteuergerätes ist.