EP1951539A1 - Process and device for determining the composition of the gas mixture of the fuel tank of a motor vehicle filled with a cng gas - Google Patents

Process and device for determining the composition of the gas mixture of the fuel tank of a motor vehicle filled with a cng gas

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EP1951539A1
EP1951539A1 EP07712410A EP07712410A EP1951539A1 EP 1951539 A1 EP1951539 A1 EP 1951539A1 EP 07712410 A EP07712410 A EP 07712410A EP 07712410 A EP07712410 A EP 07712410A EP 1951539 A1 EP1951539 A1 EP 1951539A1
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EP
European Patent Office
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gas
fuel tank
ethane
pressure
composition
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07712410A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Erwin Bauer
Dietmar Ellmer
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the gas composition of a CNG gas mixture filled with a fuel tank of a motor vehicle according to the preamble of the independent claims 1 and 15.
  • CNG gas natural gas
  • the CNG gas mixture is also known as natural gas.
  • a CNG vehicle can be operated either exclusively with natural gas (monovalent operation) or as a bi-fuel variant optionally with gasoline or natural gas.
  • the natural gas is highly compressed under high pressure at about 200 bar and carried in one or more pressure-safe fuel tanks in the motor vehicle.
  • the main component of natural gas is 85 - 98% methane (CH 4 ).
  • the natural gas also contains larger amounts of higher hydrocarbons, such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C3H 8 ) and butane (C 4 Hi 0 ).
  • ethane C 2 H 6
  • propane C3H 8
  • butane C 4 Hi 0
  • Natural gas The reason for this is that the components ethane, propane and butane have a relatively low vapor pressure and therefore liquefy rapidly under pressure.
  • the vapor pressure is about 38 bar at 20 0 C for ethane, 8.5 bar for propane and 2.0 bar for butane.
  • Methane the main constituent of natural gas, has a vapor pressure of 1.47 bar only at a temperature of minus 157 ° C.
  • Propane then evaporates the liquid propane content. From now on, a fuel mixture of methane, ethane and propane is burned.
  • results for the performance of the engine has significant cylinder fill, mixture formation, fuel injection duration, and combustion effects. In particular, this can also affect the exhaust emissions.
  • the invention has for its object to improve the gas injection into the combustion chamber of an internal combustion engine, taking into account the current gas composition of the CNG gas in the fuel tank. This object is achieved with the characterizing features of the independent claims 1 and 15.
  • the measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the method specified in claim 1 are given. It is considered to be particularly advantageous that the actual vapor pressure of a constituent of the CNG gas can be very easily taken from a previously stored table or pressure curve. As in the fuel tank continuously the temperature and the gas pressure are measured, can at further continuous removal of gas, the current vapor pressure, for example, ethane are taken from the horizontally extending curve part of the stored pressure curve.
  • the calculation of the vapor pressure can be calculated with another formula, if the gas temperature in
  • Fuel tank, the gas constant and the gas density are known.
  • the measured vapor pressure (actual value) is compared with the calculated nominal value. In this way, a mistake can be detected very easily.
  • An essential advantage of the invention is also seen in the fact that the amount of gas to be injected for the internal combustion engine of the motor vehicle is adjusted as a function of the current gas composition. As a result, in particular, energy differences of the gas components can be compensated. It is further considered to be particularly advantageous that the amount of gas to be injected is adjusted taking into account its energy content in relation to the modeled absorption behavior of the internal combustion engine. This adjustment, for example, by adjusting the ignition angle and / or alternatively by
  • these adjustments can For example, be carried out in the starting phase, during warm-up and / or lean operation.
  • Gas composition is performed when in particular the environmental conditions, especially the temperature and / or the gas pressure in the fuel tank have changed.
  • the newly determined gas composition is then taken into account in a new engine start accordingly.
  • the device for determining the gas composition has a program-controlled computing unit.
  • the gas composition can be determined with the help of an algorithm and using the measured temperature and the gas pressure in the fuel tank very easily and without much computational effort.
  • the arithmetic unit is integrated in an engine control unit, which is already present in the motor vehicle.
  • the existing engine control unit requires only a corresponding software program with which the object of the invention can be achieved.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device according to the invention for determining the gas composition
  • FIG. 2 shows a first diagram with a pressure curve
  • FIG. 3 shows a second diagram
  • FIG. 4 shows a flow chart for the device according to the invention.
  • the block diagram of Figure 1 shows an inventive embodiment in which an internal combustion engine 1 is connected to an injection system 3.
  • the internal combustion engine 1 is designed as a gasoline engine.
  • the gasoline engine can be designed monovalent for the combustion of CNG gas or bivalent operation for switching to gasoline injection or gas injection.
  • the gas injection takes place by means of the injection system 3.
  • the injection system 3 is connected via a hydraulic line 7 to a fuel tank 2, in which the CNG gas mixture is stored.
  • Fuel tank 2 is designed high pressure resistant, so that it withstands the usual filling pressure up to 200 bar. Due to the high gas pressure, the CNG gas mixture is partially stored in the liquid state.
  • the CNG gas mixture contains 85-98% of methane as its main constituent, which is in gaseous form due to its vapor pressure.
  • the components ethane, propane and butane have a substantially lower vapor pressure, so that these portions are stored in liquid form in the fuel tank 2.
  • a pressure sensor 4 and a temperature sensor 5 are arranged in or on the tank. These sensors 4, 5 continuously measure the temperature T and the gas pressure (system pressure) P within the fuel tank 2. The measured values are forwarded to a computer unit 6 via corresponding electrical lines. On the basis of the received data, the arithmetic unit 6 calculates a current gas composition within the fuel tank 2 or the gas system with the aid of a corresponding algorithm, which will be explained in more detail later.
  • the arithmetic unit 6 essentially has a control program with which various parameters, for example the vapor pressure of a constituent of the CNG gas mixture, the tank volume, the gas composition, etc., are calculated.
  • the arithmetic unit 6 is integrated in an engine control unit, which is already present for the control of the internal combustion engine.
  • the operation of this arrangement will be explained in more detail with reference to the first diagram of Figure 2.
  • the diagram shows a pressure curve in which the gas pressure p in the fuel tank, as measured by the pressure sensor 4, is plotted on the Y-axis.
  • the time curve of the gas pressure p, which is measured by the pressure sensor 4, is plotted on the X-axis.
  • the fuel tank is filled with the CNG gas mixture, wherein the CNG gas mixture contains, among other things, the components ethane, propane and butane, in addition to methane. It is assumed that the fuel tank is filled with a gas pressure of 200 bar.
  • the pressure curve shown in Figure 2 shows an example of the relationship between the component methane, ethane and propane. For the butane portion, the pressure curve would continue to run analogously.
  • the gas temperature and the gas pressure are continuously measured in the fuel tank.
  • the vapor pressure of ethane is calculated in the arithmetic unit. The calculation of the
  • vapor pressure of ethane can also be determined from the pressure curve shown in FIG. 2, since the point in time at which the ethane fraction begins to evaporate can be removed at about 38 bar when the vapor pressure value is reached.
  • This part corresponds to the horizontal curve part 2.
  • the sloping curve part 1 which runs between the pressure values 200 and 38 bar, indicates, however, that in this pressure range only the methane gas is present, since the other components of the gas mixture in the range below 38 bar in liquid phase.
  • ethane Upon reaching the gas pressure of 38 bar, ethane begins to evaporate in such a way that, in spite of the further gas removal, the gas pressure in the fuel tank does not drop further but does not increase. This is recognizable by the horizontal curve 2.
  • the vapor pressure is determined by the formula
  • p d is the vapor pressure
  • p is the gas wick
  • R is a gas constant
  • T is the gas temperature
  • the arithmetic unit or the engine control unit reacts. At this time, the tank contents are composed of the remaining amount of gaseous methane and the amount of ethane accumulated in the past. In this vapor pressure p d "38 bar vaporized ethane, so that the engine is now a mixed gas of methane, ethane and air burns, whereby its energy content is different from the case of pure methane combustion.
  • the amount of gas to be introduced into the cylinder must be adjusted according to the current mixture quality to meet the changed chemical composition of the fuel (X% methane, Y% ethane) and to maintain the defined air-fuel ratio.
  • the composition of the gas mixture and thus the to be set by the engine control injection quantity changes continuously. The change takes place until all ethane has evaporated.
  • the ignition angle can be adjusted and / or the injection duration can be adjusted in accordance with the energy content or the calorific value of the gas mixture.
  • the vaporization of the gas components for propane takes place in a similar manner to that described above for ethane. If the tank pressure drops to about 8.5 bar, then the liquid propane content evaporates, so that according to the curve part 4, the pressure in the fuel tank remains constant. Only when all of the propane fraction has evaporated and gas continues to be withdrawn, the gas pressure in the fuel tank decreases further according to the curve 5.
  • a special situation may also arise when the vehicle is parked and change the ambient conditions, in particular the temperature and the pressure conditions in the fuel tank during the service life.
  • the gas pressure in the fuel tank can be greater than the vapor pressure of a gas component.
  • the gas pressure may be lower or constant to the vapor pressure.
  • the ratio between methane and ethane is shown on the Y axis.
  • the amount of gas taken is plotted in Kg. From the sloping branch of the methane / ethane curve can be seen that at high gas pressure and a small amount of gas taken from the methane content in the gas mixture is up to 22 times greater than the ethane content. With the removal of only about 0.5 kg of the gas mixture, the methane content is only about three times as high as the ethane content. The methane content continues to drop, so that with a withdrawn gas mass of about 3 kg, the methane / ethane ratio is about 1: 1. Due to this curve, it is clear that the injection conditions for the internal combustion engine are continuously adapted to the current gas composition in the fuel tank.
  • a gas amount ⁇ m is taken during a working cycle.
  • the gas quantity ⁇ m to be taken is assumed to be known.
  • the determination of ⁇ m is made from the intake air mass and the corresponding ⁇ value.
  • the first gas withdrawal from the fuel tank is still pure methane gas.
  • the tank pressure finally drops below the vapor pressure of ethane (about 38 bar). This evaporates just as much ethane until the vapor pressure is reached again.
  • R-mix (methane-RMethane + ethane-ethane) / (methane-ethane)
  • PEthan m Eth to * REthan * T / V
  • V is the current tank volume
  • the gas package ⁇ m taken next is composed of methane and ethane. It is based on an ideal mixing of the gas, so that the gas package ⁇ m can be calculated as follows:
  • the calculation of the mixture composition proceeds iteratively and is recalculated each time a working cycle in which a gas mixture is taken and a certain amount of ethane evaporates.
  • Vaporization of liquid ethane slightly increases the tank volume by exactly the amount ethane occupies in liquid form.
  • the factor p is the
  • the current tank volume V is again calculated per cycle. It turns out
  • V V old + ⁇ V
  • the alternative calculation method is physically equivalent to the aforementioned calculation method. However, it has the advantage that with this calculation method, the arithmetic unit can be displayed structurally simpler.
  • this alternative calculation method the currently vaporous fractions of methane m methane and ethane m etha managed separately. The ratio X of the respective proportion to the total amount of steam is formed.
  • the amount of gas ⁇ m blown in per working cycle is then composed as follows:
  • m ü EAthan, a ik + t, ue ilil m ü E + tih, an, ult " ⁇ m ü E + tih, an + ⁇ m ethane, dilute vapor
  • the gas pressure p is then greater than the vapor pressure p d .
  • Ethane content is evaporated.
  • the gas pressure p is smaller than the vapor pressure p d .
  • the ethane content is determined in this case as follows:
  • Tank volume is an important factor in the formula work mentioned above. Depending on how high the liquid content of gas components is, the value can vary.
  • the volume is determined as follows. In the phase in which only methane is gaseous, a certain amount of Am, burned.
  • the quantity ⁇ m.M, et, han is known to the arithmetic unit and can be calculated, for example, from the intake air quantity and the ⁇ number.
  • the flow chart of Figure 4 shows a flow chart for the modeling of the tank contents.
  • the gas pressure in the fuel tank or the temperature in the fuel tank is determined by means of the built-in sensors.
  • the gas pressure or the gas temperature is then stored and temporarily stored.
  • the vapor pressure is calculated according to the formula

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Abstract

The invention relates to the process and the device for determining the composition of a gas mixture of the fuel tank (5) of a motor vehicle filled with a CNG gas so that, in accordance with the invention, the composition of the gas mixture in the fuel tank (2) of a motor vehicle filled with a CNG gas mixture can be determined. A pressure sensor (4) and a temperature sensor (5), which are generally present in conventional fueled motor vehicles, are needed for this(10). Using the measured values, the vapor pressure (p<SUB>d</SUB>) of at least one of the gases in the gas mixture, in particular ethane, propane and/or butane, is determined (15). If the vapor pressure of one of the components of the CNG gas in the fuel tank (2) falls short, then one relevant, current composition of the gas mixture is determined. This offers the advantage in an internal combustion engine (1) that as much gas can always be injected with the 20 requisite energy value, as is called for by the specified air-fuel ratio (?- value) and the conditions of operation. This achieves optimum combustion with minimal exhaust.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Zusammensetzung eines Gasgemisches eines mit einem CNG-Gas befüllten Kraftstofftanks eines KraftfahrzeugsMethod and device for determining the composition of a gas mixture of a fuel tank of a motor vehicle filled with a CNG gas
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 (C4Hi0) . Man spricht dann von einem nassenThe invention relates to a method and a device for determining the gas composition of a CNG gas mixture filled with a fuel tank of a motor vehicle according to the preamble of the independent claims 1 and 15. It is already known that motor vehicles that are equipped with a gasoline engine, can be operated with a so-called CNG gas (natural gas) (CNG Compressed Natural Gas). The CNG gas mixture is also known as natural gas. With a corresponding conversion, such a CNG vehicle can be operated either exclusively with natural gas (monovalent operation) or as a bi-fuel variant optionally with gasoline or natural gas. The natural gas is highly compressed under high pressure at about 200 bar and carried in one or more pressure-safe fuel tanks in the motor vehicle. The main component of natural gas is 85 - 98% methane (CH 4 ). In addition, the natural gas also contains larger amounts of higher hydrocarbons, such as ethane (C 2 H 6 ), propane (C3H 8 ) and butane (C 4 Hi 0 ). One speaks then of a wet one
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 0C 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 0C 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 0C 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 vomNatural gas. The reason for this is that the components ethane, propane and butane have a relatively low vapor pressure and therefore liquefy rapidly under pressure. The vapor pressure is about 38 bar at 20 0 C for ethane, 8.5 bar for propane and 2.0 bar for butane. Methane, the main constituent of natural gas, has a vapor pressure of 1.47 bar only at a temperature of minus 157 ° C. When the fuel tank is filled with the CNG gas mixture under high pressure, substantially methane is available in gaseous form, while the components ethane, propane and butane are usually in the liquid phase. These liquid components accumulate at the bottom of the fuel tank and are not used as long as the gas pressure in the fuel tank is greater than the vapor pressure of ethane, propane or butane. However, the gas pressure in the fuel tank reaches the value of the vapor pressure of ethane, then first evaporating the liquid ethane portion whose vapor pressure at 20 0 C at about 38 bar. If the gas pressure in the fuel tank continues to drop, then the propane content evaporates at 8.5 bar and finally the butane content at 2 bar. As a result of this physical behavior, the chemical composition of the gas mixture is continuously changed during the injection of the gas mixture into the internal combustion engine in conjunction with the intake air. When the fuel tank is full, pure methane-air mixture is injected or burned, whereby the gas pressure in the fuel tank (system pressure) continuously drops. If the vapor pressure of ethane is reached at about 38 bar, it will begin to evaporate and a mixture of methane and ethane will form. The system pressure remains constant until the ethane fraction in the fuel tank has evaporated. Then the system pressure drops further. At approx. 8.5 bar, the system pressure reaches the vapor pressure threshold of
Propan, dann verdampft der flüssige Propananteil. Ab jetzt wird ein Kraftstoffgemisch aus Methan, Ethan und Propan verbrannt .Propane, then evaporates the liquid propane content. From now on, a fuel mixture of methane, ethane and propane is burned.
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.Finally, when the tank is driven further empty, the butane content evaporates at about 2 bar. In practice, the latter will hardly occur, however, since usually the injection pressure in the cylinder of the internal combustion engine is driven over 2 bar and thus the butane content remains liquid and thereby accumulates continuously in the fuel tank.
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.Since the different components of the CNG gas have different energy contents, results for the performance of the engine has significant cylinder fill, mixture formation, fuel injection duration, and combustion effects. In particular, this can also affect the exhaust emissions.
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.The invention has for its object to improve the gas injection into the combustion chamber of an internal combustion engine, taking into account the current gas composition of the CNG gas in the fuel tank. This object is achieved with the characterizing features of the independent claims 1 and 15.
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 mit Hilfe eines Algorithmus der aktuelle Dampfdruck wenigstens eines Bestandteiles des CNG-Gasgemisches, insbesondere für Ethan, Propan und/oder Butan ermittelt wird. Bei Unterschreiten des Dampfdrucks eines der genannten Bestandteile wird dann eine entsprechende aktuelle Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt .In the method according to the invention for determining the gas composition or the device having the features of the independent claims 1 and 15, there is the advantage that, regardless of the prevailing gas pressure (system pressure) in the fuel tank, a gas mixture is always made available which at a current engine requirement specified setpoint corresponds. As a result, not only can the performance curve of the internal combustion engine be improved, but in particular also the exhaust emission can be optimized. This is achieved in particular by using an algorithm to determine the actual vapor pressure of at least one constituent of the CNG gas mixture, in particular for ethane, propane and / or butane. If the vapor pressure of one of the constituents mentioned is undershot, then a corresponding current composition of the gas mixture is determined.
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.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the method specified in claim 1 are given. It is considered to be particularly advantageous that the actual vapor pressure of a constituent of the CNG gas can be very easily taken from a previously stored table or pressure curve. As in the fuel tank continuously the temperature and the gas pressure are measured, can at further continuous removal of gas, the current vapor pressure, for example, ethane are taken from the horizontally extending curve part of the stored pressure curve.
Günstig ist weiterhin, dass die gasförmige Methanmenge, die unmittelbar vor dem Verdampfen von Ethan entnommen wird, mit einer sehr einfachen Formel berechnet werden kann.It is also favorable that the amount of gaseous methane which is taken off immediately before the evaporation of ethane can be calculated with a very simple formula.
Die Berechnung des Dampfdruckes kann mit einer weiteren Formel berechnet werden, wenn die Gastemperatur imThe calculation of the vapor pressure can be calculated with another formula, if the gas temperature in
Kraftstofftank, die Gaskonstante und die Gasdichte bekannt sind.Fuel tank, the gas constant and the gas density are known.
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.An important factor is the knowledge of the gas volume in the fuel tank. Furthermore, it is possible to carry out a control calculation for the volume with a very simple formula. Because when taking a known amount of methane fuel creates a pressure drop in the fuel tank.
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.For the validation of measurement and calculation, it is provided that the measured vapor pressure (actual value) is compared with the calculated nominal value. In this way, a mistake can be detected very easily.
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 durchAn essential advantage of the invention is also seen in the fact that the amount of gas to be injected for the internal combustion engine of the motor vehicle is adjusted as a function of the current gas composition. As a result, in particular, energy differences of the gas components can be compensated. It is further considered to be particularly advantageous that the amount of gas to be injected is adjusted taking into account its energy content in relation to the modeled absorption behavior of the internal combustion engine. This adjustment, for example, by adjusting the ignition angle and / or alternatively by
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.Changing the injection duration and thus the injection quantity to be adjusted. In particular, these adjustments can For example, be carried out in the starting phase, during warm-up and / or lean operation.
Eine sehr vorteilhafte Lösung wird auch darin gesehen, dass bei einem abgestellten Fahrzeug eine neue Berechnung derA very advantageous solution is also seen in that when a parked vehicle a new calculation of
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.Gas composition is performed when in particular the environmental conditions, especially the temperature and / or the gas pressure in the fuel tank have changed. The newly determined gas composition is then taken into account in a new engine start accordingly.
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.Finally, it also appears to be advantageous that the device for determining the gas composition has a program-controlled computing unit. With this arithmetic unit, the gas composition can be determined with the help of an algorithm and using the measured temperature and the gas pressure in the fuel tank very easily and without much computational effort. It has proved to be particularly advantageous that the arithmetic unit is integrated in an engine control unit, which is already present in the motor vehicle. The existing engine control unit requires only a corresponding software program with which the object of the invention can be achieved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Gaszusammensetzung,FIG. 1 shows a block diagram of a device according to the invention for determining the gas composition,
Figur 2 zeigt ein erstes Diagramm mit einer Druckkurve,FIG. 2 shows a first diagram with a pressure curve,
Figur 3 zeigt ein zweites Diagramm undFIG. 3 shows a second diagram and
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Das Blockschaltbild der Figur 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. DerFIG. 4 shows a flow chart for the device according to the invention. The block diagram of Figure 1 shows an inventive embodiment in which an internal combustion engine 1 is connected to an injection system 3. The internal combustion engine 1 is designed as a gasoline engine. The gasoline engine can be designed monovalent for the combustion of CNG gas or bivalent operation for switching to gasoline injection or gas injection. The gas injection takes place by means of the injection system 3. The injection system 3 is connected via a hydraulic line 7 to a fuel tank 2, in which the CNG gas mixture is stored. Of the
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.Fuel tank 2 is designed high pressure resistant, so that it withstands the usual filling pressure up to 200 bar. Due to the high gas pressure, the CNG gas mixture is partially stored in the liquid state. The CNG gas mixture contains 85-98% of methane as its main constituent, which is in gaseous form due to its vapor pressure. The components ethane, propane and butane have a substantially lower vapor pressure, so that these portions are stored in liquid form in the fuel tank 2.
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 addition, a pressure sensor 4 and a temperature sensor 5 are arranged in or on the tank. These sensors 4, 5 continuously measure the temperature T and the gas pressure (system pressure) P within the fuel tank 2. The measured values are forwarded to a computer unit 6 via corresponding electrical lines. On the basis of the received data, the arithmetic unit 6 calculates a current gas composition within the fuel tank 2 or the gas system with the aid of a corresponding algorithm, which will be explained in more detail later. The arithmetic unit 6 essentially has a control program with which various parameters, for example the vapor pressure of a constituent of the CNG gas mixture, the tank volume, the gas composition, etc., are calculated.
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 Figur 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 Figur 2 dargestellte Druckkurve zeigt beispielhaft das Verhältnis zwischen dem Bestandteil Methan, Ethan und Propan. Für den Butananteil würde die Druckkurve analog weiterlaufen.In an alternative embodiment, the arithmetic unit 6 is integrated in an engine control unit, which is already present for the control of the internal combustion engine. The operation of this arrangement will be explained in more detail with reference to the first diagram of Figure 2. The diagram shows a pressure curve in which the gas pressure p in the fuel tank, as measured by the pressure sensor 4, is plotted on the Y-axis. The time curve of the gas pressure p, which is measured by the pressure sensor 4, is plotted on the X-axis. The fuel tank is filled with the CNG gas mixture, wherein the CNG gas mixture contains, among other things, the components ethane, propane and butane, in addition to methane. It is assumed that the fuel tank is filled with a gas pressure of 200 bar. The pressure curve shown in Figure 2 shows an example of the relationship between the component methane, ethane and propane. For the butane portion, the pressure curve would continue to run analogously.
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 desUsing the existing pressure and temperature sensors, the gas temperature and the gas pressure are continuously measured in the fuel tank. At the same time the vapor pressure of ethane is calculated in the arithmetic unit. The calculation of the
Dampfdrucks von Ethan kann alternativ auch aus der in Figur 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 lasst sich die Systemsicherheit in vorteilhafter Weise erhohen.Alternatively, vapor pressure of ethane can also be determined from the pressure curve shown in FIG. 2, since the point in time at which the ethane fraction begins to evaporate can be removed at about 38 bar when the vapor pressure value is reached. This part corresponds to the horizontal curve part 2. The sloping curve part 1, which runs between the pressure values 200 and 38 bar, indicates, however, that in this pressure range only the methane gas is present, since the other components of the gas mixture in the range below 38 bar in liquid phase. Upon reaching the gas pressure of 38 bar, ethane begins to evaporate in such a way that, in spite of the further gas removal, the gas pressure in the fuel tank does not drop further but does not increase. This is recognizable by the horizontal curve 2. Since the pressure drop in the fuel tank is usually quite slow, this point of the curve part 2 is easier and more accurate to determine when there is knowledge about the vapor pressure. On the other hand, the reverse of the curve determined vapor pressure value are compared with the calculated value, in particular to verify the accuracy of measurement and thus detect a possible error. This allows the system security to increase in an advantageous manner.
Der Dampfdruck bestimmt sich nach der FormelThe vapor pressure is determined by the formula
pd = p * R * T ,p d = p * R * T,
wobei pd der Dampfdruck, p die Gasdochte, R eine Gaskonstante und T die Gastemperatur ist.where p d is the vapor pressure, p is the gas wick, R is a gas constant and T is the gas temperature.
Tritt nun der Fall ein, dass der Kraftstofftank so weit leer gefahren wird, dass der Dampfdruck pd = 38 bar von Ethan unterschritten wird, dann reagiert die Recheneinheit bzw. das Motorsteuergerat . Der Tankinhalt setzt sich zu diesem Zeitpunkt aus der restlichen gasformigen Methanmenge und der sich in der Vergangenheit angesammelten flussigen Ethanmenge zusammen. Bei diesem Dampfdruck pd « 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 Gemischqualitat angepasst werden, um der veränderten chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffes (X% Methan, Y% Ethan) gerecht zu werden und um das definierte Luft- Kraftstoff-Verhaltnis 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, wahrend des Warmlaufs und vor allem beim Magerbetrieb weitere Anpassungen. Insbesondere kann der Zundwinkel 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.If the case occurs that the fuel tank is drained so far that the vapor pressure p d = 38 bar of ethane is exceeded, then the arithmetic unit or the engine control unit reacts. At this time, the tank contents are composed of the remaining amount of gaseous methane and the amount of ethane accumulated in the past. In this vapor pressure p d "38 bar vaporized ethane, so that the engine is now a mixed gas of methane, ethane and air burns, whereby its energy content is different from the case of pure methane combustion. The amount of gas to be introduced into the cylinder must be adjusted according to the current mixture quality to meet the changed chemical composition of the fuel (X% methane, Y% ethane) and to maintain the defined air-fuel ratio. The composition of the gas mixture and thus the to be set by the engine control injection quantity changes continuously. The change takes place until all ethane has evaporated. In addition to the adjustment of the injection amount to take place in particular during the start of the internal combustion engine, during warm-up and especially during lean operation further adjustments. In particular, the ignition angle can be adjusted and / or the injection duration can be adjusted in accordance with the energy content or the calorific value of the gas mixture. Furthermore, the modeled Correct the absorption behavior of the engine according to the current composition of the gas mixture.
So lange Ethan verdampft, befindet sich das System im Gleichgewicht und der Tankdruck bleibt konstant, wie dem Kurventeil 2 der Figur 2 entnehmbar ist. Erst wenn der gesamte Ethananteil verdampft ist, fällt der Tankdruck entsprechend dem Kurventeil 3 weiter ab.As long as ethane evaporates, the system is in equilibrium and the tank pressure remains constant, as the curve part 2 of Figure 2 can be removed. Only when the entire Ethananteil has evaporated, the tank pressure drops according to the curve part 3 continues.
Die Berechnung der Zusammensetzung des Gasgemisches für den Zeitraum, in dem Methan und Ethan in gasförmigem Zustand vorliegen, wird später noch näher erläutert.The calculation of the composition of the gas mixture for the period in which methane and ethane are in a gaseous state will be explained later.
Wie der Figur 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.As can be further seen in FIG. 2, the vaporization of the gas components for propane takes place in a similar manner to that described above for ethane. If the tank pressure drops to about 8.5 bar, then the liquid propane content evaporates, so that according to the curve part 4, the pressure in the fuel tank remains constant. Only when all of the propane fraction has evaporated and gas continues to be withdrawn, the gas pressure in the fuel tank decreases further according to the curve 5.
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 dieseA special situation may also arise when the vehicle is parked and change the ambient conditions, in particular the temperature and the pressure conditions in the fuel tank during the service life. By changing the temperature, for example, the gas pressure in the fuel tank can be greater than the vapor pressure of a gas component. When the temperature drops, the gas pressure may be lower or constant to the vapor pressure. For this
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.Special cases are provided that the amount of ethane or propane present in vapor form is recalculated. In a new engine start then the new composition of the gas mixture is used.
Bei dem weiteren Diagramm der Figur 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.In the further diagram of FIG. 3, the ratio between methane and ethane is shown on the Y axis. On the X-axis, the amount of gas taken is plotted in Kg. From the sloping branch of the methane / ethane curve can be seen that at high gas pressure and a small amount of gas taken from the methane content in the gas mixture is up to 22 times greater than the ethane content. With the removal of only about 0.5 kg of the gas mixture, the methane content is only about three times as high as the ethane content. The methane content continues to drop, so that with a withdrawn gas mass of about 3 kg, the methane / ethane ratio is about 1: 1. Due to this curve, it is clear that the injection conditions for the internal combustion engine are continuously adapted to the current gas composition in the fuel tank.
Im Folgenden wird die Berechnung der aktuellen Gemischzusammensetzung im Kraftstofftank am Beispiel des Methans und Ethans näher erläutert. Die Berechnung derThe calculation of the current mixture composition in the fuel tank is explained in more detail below using the example of methane and ethane. The calculation of
Methanmenge im Kraftstofftank zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem Verdampfen von Ethan, d.h. zu Beginn des horizontalen Kurventeils 2 (Figur 2) erfolgt mit der FormelAmount of methane in the fuel tank at the time immediately before the evaporation of ethane, i. at the beginning of the horizontal curve part 2 (Figure 2) takes place with the formula
mMethan = Pd * V / (RMethan * T)m Met han = Pd * V / (R M ethane * 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.It is assumed that a gas amount Δm is taken during a working cycle. The gas quantity Δm to be taken is assumed to be known. For example, the determination of Δm is made from the intake air mass and the corresponding λ value. The first gas withdrawal from the fuel tank is still pure methane gas. As a result of the continuous gas removal, the tank pressure finally drops below the vapor pressure of ethane (about 38 bar). This evaporates just as much ethane until the vapor pressure is reached again.
Für die Berechnung der ersten verdampften Ethanmenge lautet die Formel :For the calculation of the first amount of evaporated ethane, the formula is:
lϊΪEthan = Δm * R-Methan / R-Ethan Die weiteren entnommenen Gaspakete enthalten sowohl Methan als auch Ethan. Daher ist eine Mischgaskonstante RMIX einzusetzen, die der Zusammensetzung des Gasgemisches entspricht. Die Mischgaskonstante RMiX wird für jedes Arbeitsspiel nach der folgenden Formel neu berechnet:lϊΪEthane = Δm * R-methane / R-ethane The other extracted gas packages contain both methane and ethane. Therefore, a mixed gas constant R MIX should be used , which corresponds to the composition of the gas mixture. The mixed gas constant R M i X is recalculated for each cycle according to the following formula:
R-Mix = (lϊΪMethan * RMethan + I^Ethan * REthan ) / (l^Methan + I^Ethan )R-mix = (methane-RMethane + ethane-ethane) / (methane-ethane)
Die Berechnung einer jeden weiteren verdampften Ethanmenge erfolgt nach der FormelThe calculation of each further evaporated amount of ethane is carried out according to the formula
mEtha = Δm * RMlx / R ■:Ethanm Et ha = Δm * R Mlx / R ■ : ethane
Die Berechnung des aktuellen Partialdrucks p von Ethan erfolgt nach der FormelThe calculation of Ethan's current partial pressure p is based on the formula
PEthan = mEthan * REthan * T / V,PEthan = m Eth to * REthan * T / V,
wobei V das aktuelle Tankvolumen ist.where V is the current tank volume.
Die Berechnung des aktuellen Partialdrucks p von Methan erfolgt entsprechend nach der FormelThe calculation of the current partial pressure p of methane is done according to the formula
PMethan = Pd ~ PEthanPMethane = Pd ~ PEthan
Des Weiteren erfolgt die Berechnung der aktuell vorhandenen Ethanmenge nach der FormelFurthermore, the currently existing ethane quantity is calculated according to the formula
mEthan = (PEthan * V) / ( REthan * T )m Et han = (PEthan * V) / (R Et han * 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:The gas package Δm taken next is composed of methane and ethane. It is based on an ideal mixing of the gas, so that the gas package Δm can be calculated as follows:
Δm = ΔmMethan + AmEthan Δm = Δm Met han + Am ethane
ΔmMethan = Δm * S / ( 1 + S ) ΔmEthan = Δm * ( 1 - S / ( 1 + S ) )Δm Met han = Δm * S / (1 + S) Δm ethane = Δm * (1-S / (1 + S))
Somit ergibt sich die aktuelle Gaszusammensetzung S nach der FormelThus, the current gas composition S results according to the formula
s mMethan,aktuβll aktuell mEthan aktuell s m Me than that, refreshes β ll currently known m ethane
durch Einsetzen der zuvor berechneten Parameterwerte.by inserting the previously calculated parameter values.
Die Berechnung der Gemischzusammensetzung verlauft iterativ und wird pro Arbeitsspiel, bei dem ein Gasgemisch entnommen wird und ein bestimmter Ethananteil verdampft, jedes Mal neu berechnet .The calculation of the mixture composition proceeds iteratively and is recalculated each time a working cycle in which a gas mixture is taken and a certain amount of ethane evaporates.
Durch das Verdampfen von flussigem Ethan nimmt das Tankvolumen geringfügig zu, und zwar um genau den Anteil, den Ethan in flussiger Form einnimmt. Der Faktor p ist dieVaporization of liquid ethane slightly increases the tank volume by exactly the amount ethane occupies in liquid form. The factor p is the
Dichte des flussigen Ethans (0,54 kg/1). Daraus ergibt sich eine Volumenanderung ΔVDensity of liquid ethane (0.54 kg / 1). This results in a volume change ΔV
ΔV = ΔmEthan - pEthan ΔV = Δm ethane - p ethane
Das aktuelle Tankvolumen V wird wiederum pro Arbeitsspiel berechnet. Es ergibt sichThe current tank volume V is again calculated per cycle. It turns out
V=Valt +ΔVV = V old + 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 mMethan und Ethan mEtha separat verwaltet. Es wird das Verhältnis X des jeweiligen Anteils zur Gesamtdampfmenge gebildet.In the following, an alternative calculation method is explained. The alternative calculation method is physically equivalent to the aforementioned calculation method. However, it has the advantage that with this calculation method, the arithmetic unit can be displayed structurally simpler. In this alternative calculation method, the currently vaporous fractions of methane m methane and ethane m etha managed separately. The ratio X of the respective proportion to the total amount of steam is formed.
v _ m Methanv _ m methane
Λ Methan ~ mMethan + mEthan Λ methane ~ m + m methane ethane
^ Ethan ~~ 1 ^ Methan^ Ethane ~~ 1 ^ methane
Die pro Arbeitsspiel eingeblasene Gasmenge Δm setzt sich dann wie folgt zusammen:The amount of gas Δm blown in per working cycle is then composed as follows:
Δm, M,et ,han = XΛ M/ret ,han • ΔmΔm, M, et, han = X Λ M / r et, han • Δm
Δm_ Et,,han = X_ Et.,han • ΔmΔm_ Et ,, han = X_ Et, han • Δm
Die jeweiligen Anteile ΔmMethan und ΔmEthan werden dann von den jeweils zuletzt ermittelten Werten mMethan und mEthan abgezogen. Daraus ergeben sich für Methan und Ethan folgende aktuelle Mengen :The respective proportions Δm methane and Δm ethane are then subtracted from the respectively last determined values m methane and m ethane . This results in the following actual quantities for methane and ethane:
m. M,et ,han, a ,ktue „ll = m. M,et ,han, a ,lt - Δm, M,et ,hanm. M, et, han, a, ktue "ll = m. M, et, han, a, lt - Δm, M, et, han
mü EAthan,a ik +t,ue ilil = mü E+tih,an, a ult " Δmü E+tih,an + ^m Ethan, verd Aamp Λft m ü EAthan, a ik + t, ue ilil = m ü E + tih, an, ult "Δm ü E + tih, an + ^ m ethane, dilute vapor
Die Ermittlung der pro Arbeitsspiel verdampfenden Ethanmenge erfolgt analog, wie zuvor beschrieben wurde.The determination of the amount of ethane evaporating per working cycle takes place analogously, as described above.
Fällt der Gasdruck im Kraftstofftank unter den Dampfdruck vonIf the gas pressure in the fuel tank falls below the vapor pressure of
Propan, so verdampft Propan und es entsteht einPropane, propane evaporates and it is formed
Kraftstoffgemisch aus Methan, Ethan und Propan, wie sie zu Figur 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 RMIX 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.Fuel mixture of methane, ethane and propane, as it was previously explained to Figure 2 (curve parts 4 and 5). In this case, the above formulas can be applied analogously. The only difference is that first a fixed R MIX has to be calculated for the constant mass ratio of methane to ethane. For the rest of the calculation, instead of the values of methane, those of the Mixed gas methane / ethane and instead of the values for ethane those of propane use.
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.Particular attention should be paid to special cases that arise when the vehicle is parked and the external conditions, in particular the ambient temperature, and thus the conditions in the tank change. The following cases are distinguished.
Fall 1:Case 1:
Die Temperatur steigt so weit an, dass bereits verdampftes Ethan (bzw. Propan) wieder verflüssigt. Der Gasdruck p ist dann größer als der Dampfdruck pd.The temperature rises so high that already evaporated ethane (or propane) liquefies again. The gas pressure p is then greater than the vapor pressure 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.In this case, pure methane is then in the gaseous state. The ethane content is zero. The calculation is made as described above.
Fall 2: Die Temperatur ist so weit abgefallen, dass der ganzeCase 2: The temperature has dropped so far that the whole
Ethananteil verdampft ist. In diesem Fall ist der Gasdruck p kleiner als der Dampfdruck pd. Der Ethananteil bestimmt sich in diesem Fall folgendermaßen:Ethane content is evaporated. In this case, the gas pressure p is smaller than the vapor pressure p d . The ethane content is determined in this case as follows:
Ethan Ethan
Fal l 3 :Case 3:
Die Temperatur ist so weit angestiegen bzw. abgefallen, dass gerade der Dampfdruck herrscht (p = pd) . Dies ist lediglich ein Sonderfall von Fall 2 und wird genauso behandelt wie der Fall 2.The temperature has risen or fallen so far that just the vapor pressure prevails (p = p d ). This is just a special case of case 2 and will be treated the same as case 2.
Im Folgenden wird die Bestimmung des Tankvolumens erläutert.In the following, the determination of the tank volume is explained.
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 gasformig vorliegt, wird eine bestimmte Menge Am , verbrannt. Die Meng ^e Δm.M,et,han ist der Recheneinheit bekannt und kann z.B. aus der angesaugten Luftmenge und der λ-Zahl berechnet werden. Die Entnahme der Kraftstoffmenge fuhrt im Tank zu einem Druckabfall Δp = pi - P2 • Daraus kann das Tankvolumen berechnet werden. Ändert sich im Verlauf der Kraftstoffentnähme die Gastemperatur, so wird diese Veränderung ebenfalls nach der folgenden Formel berücksichtigt :Tank volume is an important factor in the formula work mentioned above. Depending on how high the liquid content of gas components is, the value can vary. The volume is determined as follows. In the phase in which only methane is gaseous, a certain amount of Am, burned. The quantity Δm.M, et, han is known to the arithmetic unit and can be calculated, for example, from the intake air quantity and the λ number. The removal of the fuel quantity leads to a pressure drop Δp = pi - P2 in the tank. • From this, the tank volume can be calculated. If the gas temperature changes during the course of the fuel siphoning, this change is also taken into account according to the following formula:
y _ ΔmMethan ' R Methany _ Δm methane 'R methane
Das Flussdiagramm der Figur 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 FormelThe flow chart of Figure 4 shows a flow chart for the modeling of the tank contents. First, in position 10 and 11, the gas pressure in the fuel tank or the temperature in the fuel tank is determined by means of the built-in sensors. In positions 12 and 13, the gas pressure or the gas temperature is then stored and temporarily stored. Then in position 14 the vapor pressure is calculated according to the formula
pd = p * R * T,p d = p * R * T,
die zuvor erläutert wurde.which was explained before.
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 Zundwinkels, 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. In position 15 it is checked whether the current gas pressure in the fuel tank falls below the vapor pressure of a gas element. If this is not the case then the program jumps back to position 12 and the cycle repeats itself. In the other case, if the gas pressure in the fuel tank is smaller than the vapor pressure, then in position 16, the composition of the gas mixture is calculated. Furthermore, a current fuel consumption is calculated in position 17 and this value is taken into account in the calculation of the composition of the gas mixture. Subsequently, in position 18, depending on the current composition of the gas mixture, a corresponding correction of the injection takes place. This correction can be done for example by adjusting the ignition, in particular the ignition angle, by changing the injection duration, by a Saugrohrmodellberechnung and / or the like. After this correction, the program returns to position 12 and the cycle repeats again.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Brennkraftmaschine1 internal combustion engine
2 Kraftstofftank2 fuel tank
3 Einspritzsystem3 injection system
4 Drucksensor 5 Temperatursensor4 pressure sensor 5 temperature sensor
6 Recheneinheit / Vorrichtung6 arithmetic unit / device
7 Hyraulikleitung7 hydraulic line
10...18 Positionen im Ablaufdiagramm m Gasmenge (Masse) p Gasdruck10 ... 18 positions in the flow chart m Gas quantity (mass) p Gas pressure
Pd DampfdruckP d vapor pressure
T Gastemperatur (im Kraftstofftank) t Zeitachse T gas temperature (in the fuel tank) t Timeline

Claims

Patentansprüche claims
1. 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, dass1. A method for determining the gas composition of a filled with a CNG gas mixture fuel tank (2) of a motor vehicle, wherein the gas pressure and the gas temperature in the fuel tank (2) of the motor vehicle are permanently measured, characterized in that
- mit Hilfe eines Algorithmus aus der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Gasdruck im Kraftstofftank- using an algorithm based on the measured temperature and the measured gas pressure in the fuel tank
(2) der aktuelle Dampfdruck wenigstens eines Bestandteils des CNG-Gasgemisches, insbesondere für Methan, Ethan, Propan und/oder Butan ermittelt wird, und(2) the actual vapor pressure of at least one constituent of the CNG gas mixture, in particular for methane, ethane, propane and / or butane is determined, and
- dass bei Unterschreiten des Dampfdrucks eines der Bestandteile des CNG-Gasgemisches im Kraftstofftank (2) eine entsprechende aktuelle Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt wird.- That falls below the vapor pressure of one of the components of the CNG gas mixture in the fuel tank (2) a corresponding current composition of the gas mixture is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Dampfdruck eines Bestandteiles des CNG-Gases aus einer gespeicherten Tabelle oder Druckkurve entnommen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the current vapor pressure of a component of the CNG gas is taken from a stored table or pressure curve.
3. 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.3. The method according to claim 2, characterized in that upon further removal of gas packets, the beginning of evaporation of one of the constituents of the CNG gas is taken from the horizontal pressure curve of the stored pressure curve.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der gasförmigen Methanmenge (mMethan) unmittelbar vor dem Verdampfen von Ethan nach der Formel mMethan = Pd * V / ( RMethan * T ) berechnet wird, wobei pd der Dampfdruck, V das Gasvolumen, RMethan eine Gaskonstante und T die Gastemperatur im Kraftstofftank (2) sind.4. The method according to claim 1, characterized in that the calculation of the gaseous methane amount (m Met h a n) immediately before the evaporation of ethane according to the formula m M ethane = Pd * V / (R M ethane * T) is calculated, where p is the vapor pressure, V d is the volume of gas, than R Me a gas constant and T is the gas temperature in the fuel tank (2).
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfdruck pd nach der Formel5. The method according to claim 1, characterized in that the vapor pressure p d according to the formula
PdEthan = PEthan * R-Ethan* T berechnet wird, wobei T die Gastemperatur im Kraftstofftank, R eine Gaskonstante und p die Gasdichte ist.PdEthan = PEthan * R-ethane * T, where T is the gas temperature in the fuel tank, R is a gas constant and p is the gas density.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für weitere entnommene Gaspakete Methan und Ethan eine Mischgaskonstante RMIX = ( lϊΪMethan * RMethan + I^Ethan * REthan ) / ( l^Methan + I^Ethan ) berechnet wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for further extracted gas packets methane and ethane, a mixed gas constant RMIX = (lϊΪMethan * RMethan + I ^ ethane * REthan) / (l ^ methane + I ^ ethane) is calculated.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasvolumen V im Kraftstofftank (2) nach der Formel7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas volume V in the fuel tank (2) according to the formula
V = ( ΔmMethan * RMethan ) / ( P l / T i - P2 / T2 ) berechnet wird.V = (Dm Met han * RMethan) / (P l / T i - P 2 / T 2) is calculated.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Dampfdruck mit dem berechneten Sollwert verglichen wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measured vapor pressure is compared with the calculated target value.
9. 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.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the to be injected for the internal combustion engine of the motor vehicle amount of gas is adjusted in dependence on the current gas composition.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in eine10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in a
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.Internal combustion engine (1) to be injected gas quantity taking into account the current gas composition in the fuel tank (2) and / or their energy value in relation is adapted to a modeled absorption behavior of the internal combustion engine (1).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdauer und/oder der Zündwinkel angepasst wird.11. The method according to claim 10, characterized in that the injection duration and / or the ignition angle is adjusted.
12. 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.12. The method of claim 10 or 11, characterized in that the ignition angle is adapted to current operating conditions of the internal combustion engine, in particular in the starting phase, during warm-up and / or lean operation.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a
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.Volume control calculation is carried out, wherein upon removal of a known amount of methane gas, a pressure drop in the fuel tank (2) is measured, from which it can be concluded that a certain tank volume.
14. 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 des14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when a parked vehicle with changed environmental conditions, in particular the temperature and / or the gas pressure in the fuel tank (2), a new composition of
Gasgemisches berechnet wird und dass bei einem neuen Motorstart die neue Zusammensetzung des Gasgemisches entsprechend berücksichtigt wird.Gas mixture is calculated and that at a new engine start the new composition of the gas mixture is considered accordingly.
15. Vorrichtung zur Ermittlung der Zusammensetzung des15. Device for determining the composition of the
Gasgemisches eines mit einem CNG-Gasgemisch befüllten Kraftstofftanks (2) 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) die Gaszusammensetzung zu bestimmen. Gas mixture of a filled with a CNG gas mixture fuel tank (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that the device (6) comprises a program-controlled computing unit and that the computing unit (6) is formed by means of an algorithm and using the measured Temperature (T) and the gas pressure (p) in the fuel tank (2) to determine the gas composition.
6. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (6) Teil eines im Kraftfahrzeug vorhandenen Motorsteuergerätes ist. 6. The device according to claim 15, characterized in that the arithmetic unit (6) is part of an existing engine control unit in the motor vehicle.
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