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DE102005001882B4 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Schritt, in dem mittels eines Kraftstoffsensors der Gehalt an mindestens einem Kraftstoffbestandteil erfasst und anschließend in Abhängigkeit davon auf mindestens einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevanten Parameter eingewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an mindestens einer synthetischen Kraftstoffzumischung mit einer Dielektrizitätskonstante ε2 ≤ 3,5 in einem Dieselkraftstoff erfasst wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren und einen Sensor zur Analyse der Zusammensetzung eines Kraftstoffs. In letzter Zeit hat das Interesse an synthetischen Dieselkraftstoffen zugenommen. Diese so genannten „Synfuels” sind aus Erdgas nach der Fischer-Tropsch-Synthese herstellbare synthetische Dieselkraftstoffe, die gegenüber den herkömmlichen Dieselkraftstoffen wesentliche Anwendungsvorteile aufweisen. Dies ist insbesondere die erheblich reduzierte Schadstoffemission. Die Synfuels sind praktisch geruchsneutral und mit diesen betriebene Dieselmotoren haben einen erheblich reduzierten Partikelausstoß (Ruß). Umweltpolitische Gesichtspunkte sprechen daher für einen verstärkten Einsatz dieser synthetischen Dieselkraftstoffe. Voraussichtlich wird zukünftig ein höherer Anteil an Zumischungen der genannten Fischer-Tropsch-Kraftstoffe zu herkömmlichem Dieselkraftstoff zulässig sein. Diese Zumischungen unterscheiden sich von konventionellem Dieselkraftstoff unter anderem auch in Heizwert und Dichte. Bestimmte Motoren erfüllen mit diesen Kraftstoffen nicht mehr die festgelegten Abgasemissions-Grenzwerte.
  • Bei Dieselkraftstoffen sind derzeit biogene Anteile aus landwirtschaftlicher Produktion (Rapsölmethylester, „Biodiesel”) als Beimengungen von bis zu 5% erlaubt.
  • Die DE 101 55 371 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem indirekt über die Ermittlung einer Dielektrizitätskonstante eines Kraftstoffes mit einem kapazitiven Sensor verschiedene Kraftstoffsorten erkannt werden können. Die Bestimmung einer synthetischen Kraftstoffzumischung ist nicht offenbart.
  • Die DE 41 26 856 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine, bei dem mittels eines Kraftstoffsensors die jeweilige Kraftstoffzusammensetzung im Hinblick auf einen Gehalt an beigemischtem Alkohol erfasst und daraus Signale zur Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewonnen werden. Dieses bekannte Verfahren betrifft jedoch Alkoholzumischungen bei Otto-Kraftstoffen. Durch Sensoren wird die Temperatur der Brennkraftmaschine, deren Drehzahl, die Temperatur der Ansaugluft und die angesaugte Luftmenge erfasst. Die von den Sensoren ermittelten Ausgangssignale werden verschiedenen Funktionselementen der Brennkraftmaschine zugeführt. Eines der Funktionselemente ist eine Kraftstoffzumesseinrichtung nach Art eines Einspritzventils. Von einem Kraftstoffsensor, durch den dem Kraftstoff beigemischter Alkohol quantifizierbar ist, werden Signale an eine Rechnereinheit übertragen und diesen Signalen werden Korrekturfaktoren zugeordnet. Es wird nicht näher spezifiziert, wie der Kraftstoffsensor die Menge des beigemischten Alkohols quantifiziert.
  • Die DE 43 12 236 A1 beschreibt eine integrierte Schaltung zur Feststellung der Zusammensetzung eines für ein Kraftfahrzeug vorgesehenen Mehrkomponentenkraftstoffs. Um bei Kraftfahrzeugmotoren, die alternativ sowohl mit Methanol als auch Benzin betrieben werden können, eine effiziente Kraftstoffverbrennung zu erzielen, muss die Kraftstoffeinspritzung und die Einstellung für den Motor geändert werden, wenn von einem Kraftstoff zu einem anderen übergegangen wird. Es wird ein Kraftstoffsensor vorgeschlagen, der eine Unterscheidung zwischen Benzin und Methanol sowie deren Mischungen treffen kann. Dabei handelt es sich um einen kapazitiven Messsensor, der in der Lage ist, die dielektrischen Konstanten von Benzin beziehungsweise Methanol zu unterscheiden. Der bekannte Sensor kann in der Kraftstoffleitung installiert werden.
  • In der DE 39 23 992 A1 wird ebenfalls ein Kraftstoffsensor zur Erfassung eines Mischungsanteils von Methanol in einem Kraftstoffgemisch beschrieben. Der Kraftstoffsensor umfasst zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektrodenplatten, die in den Kraftstoff eingetaucht sind. Durch Messung der Kapazität zwischen den beiden Elektrodenplatten wird die Dielektrizitätskonstante des Kraftstoffs erfasst und daraus kann der zugemischte Anteil an Methanol abgeleitet werden. Ein Kraftstoffsensor dieses Messprinzips ist geeignet, einen biogenen Anteil zu messen, welcher sich in der Polarität des Moleküles von der des Grundkraftstoffes unterscheidet. Dies ist beispielsweise bei Zumischung von Rapsölmethylester zum Dieselkraftstoff der Fall, für die Bestimmung einer Zumischung von synthetischen Kraftstoffanteilen mit gleicher Molekül-Polarität ist dieser Sensor jedoch ungeeignet.
  • Bei dem in der DE 40 31 008 C1 beschriebenen Verfahren werden Alkoholzusätze in Brennstoffen für Brennkraftmaschinen, die mit Kraftstoffgemischen betrieben werden, festgestellt, indem eine Brennstoffprobenmenge verdampft wird. Während der Aufheizung der Brennstoffprobenmenge wird die Brennstofftemperatur und der Temperaturgradient gemessen sowie die Verdampfungszeit. Durch Vergleich mit in einem Speicher eines Steuergeräts abgespeicherten Vergleichswerten kann der Alkoholanteil in dem Brennstoffgemisch erfasst und gegebenenfalls ein Korrektursignal zur Änderung der Gemischzusammensetzung erzeugt werden.
  • In der DE 36 41 854 A1 ist ein Verfahren zum Ausgleich des Einflusses unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten auf das Betriebsverhalten eines Dieselmotors betrieben. In diesem Verfahren wird ein Kennwert für den im Betrieb im Zylinder herrschenden Spitzendruck sensorisch erfasst, mit einem gespeicherten Sollwert verglichen und ein daraus gewonnenes Signal wird elektronisch als Steuergröße für die Einstellung der Einspritzpumpe oder der Ansaugluftvorwärmung des Dieselmotors verwendet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welches mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand und einfachen Mitteln einen ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine bei Verwendung von Mischkraftstoffen unterschiedlichster Zusammensetzung ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise mit Hilfe mindestens eines Sensors mindestens ein für einen bestimmten Kraftstoffbestandteil spezifisches IR-Signal erfasst. Das so ermittelte für einen bestimmten Inhaltsstoff des Kraftstoffs spezifische IR-Signal wird vorzugsweise einem Steuergerät mitgeteilt. Dieses kann dann beispielsweise einen Korrekturfaktor berechnen und anschließend anhand eines solchen Korrekturfaktors auf ein oder mehrere Parameter, die den Betrieb der Brennkraftmaschine beeinflussen, einwirken. Als solche Parameter kommen beispielhaft in Betracht die Einspritzmenge, Luftmasse, Förderbeginn, Ladeluftsteller, EGR-Steller oder dergleichen.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise unpolare synthetische Kraftstoffzumischungen in einem Dieselkraftstoff erfasst, insbesondere solche, die eine Dielektrizitätskonstante ε2 ≤ 3,5 aufweisen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung eines Kraftstoffs zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere für die Feststellung nichtalkoholischer Kraftstoffbeimischungen geeignet ist. Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung eines Kraftstoffs unter Verwendung eines Kraftstoffsensors, mittels dessen der Gehalt an mindestens einer vorzugsweise unpolaren synthetischen Kraftstoffzumischung in einem Dieselkraftstoff erfasst wird. Vorzugsweise wird dabei mittels eines Sensors eine solche Kraftstoffzumischung über ein für diese spezifisches IR-Signal erfasst.
  • Derartige Kraftstoffe lassen sich beispielsweise infrarotspektroskopisch von konventionellen. Dieselkraftstoffen unterscheiden, welche typischerweise einen Aromatenanteil von zwischen etwa 20 und etwa 30 Gew.-% aufweisen.
  • Erfindungsgemäß soll bevorzugt ein Sensor zum Einsatz kommen, der eine typische IR-Aromatenbande und/oder eine typische C-H-Streckschwingung, insbesondere für aliphatische HC, misst. Die Messung dieser IR-Banden geschieht vorzugsweise über Laserdioden, die für diese Zwecke speziell eingestellt werden können. Vorzugsweise wird eine Kalibrierung des Sensors vorgenommen. Diese Kalibrierung geschieht insbesondere anhand der unvermischten Kraftstoffkomponenten. Erfindungsgemäß kann man vorzugsweise mittels geeigneter Filterungsverfahren Extinktionsverhältnisse bei mindestens zwei Wellenlängen bilden und dadurch den Gehalt an z. B. einer Fischer-Tropsch-Kraftstoffzumischung sensieren. Ein so festgestellter Wert wird vorzugsweise einem Steuergerät als Vorsteuerwert mitgeteilt. Ein solches Steuergerät kann aus diesen Werten dann Korrekturfaktoren berechnen, anhand derer dann anschließend auf die beispielsweise in Steuergerät-Kennfeldern abgelegten Werte der Brennkraftmaschine eingewirkt werden kann. Dies sind insbesondere Parameter wie zum Beispiel die Einspritzmenge, Luftmasse, Ladeluftsteller, EGR-Steller und dergleichen, insbesondere solche Parameter, die für die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine von Bedeutung sind.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Sensor zur Verwendung in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie ein Sensor zur Verwendung in einem Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung eines Kraftstoffs, wie es weiter oben beschrieben ist.
  • Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
  • 1 eine graphische Darstellung der für zwei verschiedene Dieselkraftstoffe untersuchten IR-Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenzahl;
  • 2 eine graphische Darstellung des Extinktionsverhältinisses der Banden bei 1606 cm–1 und 721 cm–1 bei zunehmendem prozentualen Dieselkraftstoffanteil;
  • 3 eine ähnliche graphische Darstellung wie in 2, wobei jedoch das Extinktionsverhältnis der Banden bei 1606 cm–1 und 1379 cm–1 dargestellt ist;
  • 4 ein schematisches Blockdiagramm, anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine erläutert wird.
  • Die Zumischung von nennenswerten Anteilen von Kraftstoffkomponenten, welche sich in Dichte und Heizwert nennenswert von Dieselkraftstoff (DK) unterscheiden, verursacht Abweichungen in Bezug auf ein Ausweichen eines Motorsteuergeräts in nicht für die gefahrene Leistung geeignete Kennfelder für z. B. die Luftbemessung und die Abgasrückführung (exhaust gas recirculation EGR). Bei der Untersuchung von synthetischen Kraftstoffen aus Methan, z. B. Shell GtL bewirkte dies bei einigen der untersuchten Motoren zu hohe NOx-Emissionen. Dieses Problem konnte durch Anpassung der Kennfelder (Parameter für die Motorsteuerung) an den jeweils verwendeten Kraftstoff, der sich von herkömmlichem Dieselkraftstoff (DK) unterscheidet, gelöst werden. Es wurden bei einer Brennkraftmaschine Mischungen an Dieselkraftstoffen unterschiedlicher Zusammensetzungen eingesetzt, wobei ein Kraftstoffsensor verwendet wurde, der den Gehalt an unpolarer synthetischer Dieselkraftstoffbeimischung (SynFuel) misst und einem Motorsteuergerät mitteilt, worauf hin dieses dann geeignete Kennfelder für Einspritzmenge, Förderbeginn, Luftmasse und Abgasrückführung (EGR) ansteuerte.
  • Der verwendete Kraftstoffsensor misst charakteristische Eigenschaften, die bei Dieselkraftstoff bzw. SynFuel unterschiedlich sind. Erfindungsgemäß wurde ein IR-Sensor verwendet, der bei zwei bestimmten Wellenlängen die IR-Extinktion misst und daraus ein Verhältnis bildet. Diese Verhältnisbildung führte zu charakteristischen Kennzahlen, aus denen sich mit hoher Genauigkeit eine Aussage über die Anteile einer Zumischung von SynFuel zu Dieselkraftstoff treffen ließ.
  • Im untersuchten Fall wurden IR-Spektren von Dieselkraftstoff, SynFuel sowie einigen Mischungen daraus analysiert. Nach dem Lambert-Beer'schen Gesetz E = ε1·c·d (mit ε1 = Extinktionskoeffizient) ist die Extinktion einer Probe proportional dem Produkt aus Konzentration c und Schichtdicke d. Durch Verhältnisbildung lässt sich der Term der Schichtdicke eliminieren. Aus den Extinktionsverhältnissen der Banden bei 1606 cm–1 und 721 cm–1 (E1606/E721) sowie bei 1606 cm–1 und 1379 cm–1 (E1605/E1379) wurden Kalibrierbeziehungen der Form E1606/En = AA + B·DK ermittelt (mit AA: Achsenabschnitt, B: Steigung).
  • Damit ließen sich Gehalte von SynFuel in Dieselkraftstoff mit einer guten Aussagesicherheit ermitteln: das Bestimmtheitsmaß (R2) betrug dabei 0.999. Es wurden zwei Kalibrierbeziehungen mit jeweils drei Freiheitsgraden ermittelt; die damit erreichbare Genauigkeit der Bestimmung des Gehaltes an Dieselkraftstoff wurde über eine Fehlerfortpflanzungsrechnung zu 6 bis 7% ermittelt. Die Berechnungen dazu finden sich im nachfolgenden Abschnitt „Korrelationsberechnung”. Bei einer Vergrößerung der Stichprobe, d. h. bei mehr untersuchten Mischungszusammensetzungen, ist zu erwarten, dass der Gehalt an Dieselkraftstoff mit einer Ungenauigkeit von weniger als 5% ermittelt werden kann.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine näher erläutert. Der erfindungsgemäß verwendete Kraftstoffsensor 10 kann beispielsweise die Zusammensetzung des Kraftstoffs in einer Zulaufleitung 17 von einem Kraftstofftank 12 zum Motor 11 oder in einer Rücklaufleitung 18 zwischen Motor 11 und Kraftstofftank 12 oder auch im Kraftstofftank 12 selbst messen und das Signal an ein Steuergerät 14 senden. Dieses Steuergerät 14 enthält EGR-Kennfelder 15, 16, in denen für aromatenhaltigen sowie aromatenenfreien Dieselkraftstoff die passenden EGR-Stellgrößen in Abhängigkeit der geeigneten Regelparameter, z. B. Drehzahl und Last, abgelegt sind. Das EGR-Kennfeld für den herkömmlichen aromatenhaltigen Dieselkraftstoff ist in der Darstellung mit 15 bezeichnet, das EGR-Kennfeld für den aromatenfreien Dieselkraftstoff (SynFuel) trägt das Bezugszeichen 16. Je nach vom Sensor 10 übermittelter Kraftstoffzusammensetzung wird eine passende EGR-Stellgröße interpoliert (siehe Bezugzeichen 13), etwa durch ein geeignetes Interpolationspolynom. Diese EGR-Stellgröße 13 wird dem Motor 11 übermittelt.
  • Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Bestimmung eines Gehalts an SynFuel in einem Dieselkraftstoff unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 näher erläutert. 1 zeigt jeweils eine graphische Darstellung der Extinktion in Abhängigkeit von der Wellenzahl für einen synthetischen Kraftstoff aus Methan (Shell GtL) bzw. einen herkömmlichen Dieselkraftstoff (DK) im Vergleich. Man erkennt die Abweichungen der jeweiligen Spektren im Bereich bestimmter Wellenzahlen.
  • In den 2 und 3 sind die jeweiligen Extinktionsverhältnisse der Banden bei 1606 cm–1 und 721 cm–1 bzw. bei 1606 cm–1 und 1379 cm–1 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Gehalt an Dieselkraftstoff dargestellt. Die durchgeführten Berechnungen sind im nachfolgenden Abschnitt „Korrelationsberechnung” wiedergegeben.
    Figure DE102005001882B4_0002
    Figure DE102005001882B4_0003
    Figure DE102005001882B4_0004
    Figure DE102005001882B4_0005
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Sensor
    11
    Brennkraftmaschine (Motor)
    12
    Kraftstofftank
    13
    EGR-Stellgröße
    14
    Steuergerät
    15
    EGR-Kennfeld (aromatenhaltiger Dieselkraftstoff)
    16
    EGR-Kennfeld (SynFuel)
    17
    Zulaufleitung
    18
    Rücklaufleitung

Claims (16)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Schritt, in dem mittels eines Kraftstoffsensors der Gehalt an mindestens einem Kraftstoffbestandteil erfasst und anschließend in Abhängigkeit davon auf mindestens einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevanten Parameter eingewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an mindestens einer synthetischen Kraftstoffzumischung mit einer Dielektrizitätskonstante ε2 ≤ 3,5 in einem Dieselkraftstoff erfasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an mindestens einer nach Fischer-Tropsch hergestellten Kraftstoffzumischung in dem Dieselkraftstoff erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an mindestens einer nach Lurgi hergestellten Kraftstoffzumischung in dem Dieselkraftstoff erfasst wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (10) vorgesehen ist, der mindestens ein für einen bestimmten Kraftstoffbestandteil spezifisches IR-Signal und/oder der mindestens eine für einen bestimmten Kraftstoffbestandteil spezifische Dichte erfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (10) mindestens eine für eine Kraftstoffbeimischung typische IR-Bande und/oder typische Dichte erfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine typische IR-Aromatenbande und/oder mindestens eine für aliphatisches HC spezifische Schwingung erfasst wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein IR-Signal über mindestens eine Laserdiode erfasst wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Kalibrierung des Sensors (10) durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung des Sensors (10) mit den unvermischten Kraftstoffkomponenten durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines geeigneten Filterungsverfahrens durch Bildung von Extinktionsverhältnissen von zwei Wellenlängen der Gehalt an der synthetischen Kraftstoffzumischung sensiert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels eines Sensors (10) detektierte Gehalt an der synthetischen Kraftstoff-Beimischung als Vorsteuerwert an ein Steuergerät (14) geleitet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Steuergeräts (14) mindestens ein Korrekturfaktor für mindestens einen im Steuergerät gespeicherten Parameter berechnet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Korrekturfaktor für mindestens einen Parameter berechnet wird, der für die Abgasemission einer mittels des Dieselkraftstoffs betriebenen Brennkraftmaschine (Motor 11) erheblich ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Korrekturfaktor für mindestens einen Parameter gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Einspritzmenge, Luftmasse, Ladeluftsteller, EGR-Steller, Förderbeginn.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an mindestens einer unpolaren synthetischen Kraftstoffzumischung mit einer Dielektrizitätskonstante ε2 ≤ 3,5 in einem Dieselkraftstoff erfasst wird.
  16. Sensor zur Verwendung in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Merkmale mindestens eines der Ansprüche 1 bis 7.
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