用于运行燃料系统的方法以及控制器与流程

本发明涉及一种用于运行燃料系统的方法，所述燃料系统用于向机动车的内燃机供给天然气。此外，本发明涉及一种控制器，该控制器设置为用于实施所述方法。

背景技术：

为了以天然气(ng,naturalgas)运行内燃机，可以将天然气以液态形式(lng,liquefiednaturalgas)携带在机动车上的箱中。为了液化，必须将天然气强烈地冷却，使得箱中的温度通常位于-162至-105℃之间。在此，箱压力位于绝对2至20bar之间。由于从外部到箱中的热输入，温度升高，使得天然气的一部分蒸发并且形成在箱中位于上方的气相。同时，箱压力随着温度升高。为了防止箱破裂，在超过预给定的最大压力时，将气相的天然气通过安全阀排出。这产生了对环境有害并且此外经济上不利的甲烷排放。如果尽管压力升高但在一个箱循环期间未达到最大压力，则过量的天然气在加注时被返还给加注站，这同样是经济上不利的。

用于储存液态天然气的箱通常实施为真空绝缘的双层箱。内箱和外箱之间的体积通常用绝缘的和/或反射的材料填充并且附加地被抽真空，使得经由箱外壳的热辐射和热传导最小。此外，所有的管路接头以这样的方式构型，使得热输入在接口处也最小。然而，由于老化和/或机械负荷，内箱和外箱之间的真空和/或接口可能被损坏，这导致到箱中的热输入增加。结果，箱保持时长缩短，即直至达到允许最大压力的时长缩短。随着达到允许的最大压力，必须排出天然气，出于前面所述的原因应避免这一点。

在内燃机停止时仅须考虑从外部经由箱外壳或者接口到箱中的“持续的”热输入，而在内燃机运行期间，热输入由持续的部分以及与运行点相关的部分组成，所述与运行点相关的部分决定性地由引回到箱中的回流量来确定。因为为了运行内燃机而同时从箱中取出天然气，由此出现自冷却效应。然而，到箱中的热输入通常高于自冷却势能，使得箱压力的升高是不可避免的。

因为在箱保持时长和甲烷排放方面应遵守法律上规定的极限值，所以在气体运行的内燃机中持续地监控箱压力、温度以及箱液位。为此，法律上的规定尤其包含在un/ecer110和un/ecer49中。

技术实现要素：

本发明所基于的任务是，对以天然气运行的内燃机的燃料系统的运行进行如下优化，使得遵守法律上的极限值并且同时降低燃料消耗。

为了解决该任务，提出一种根据本发明的用于运行燃料系统的方法。本发明的有利扩展方案可以从根据本发明的不同实施方式得出。此外，提出一种用于实施所述方法的控制器。

提出一种用于运行燃料系统的方法，该燃料系统用于向机动车的内燃机供给天然气。在此，天然气以液态形式储存在机动车上的箱中并且借助至少一个泵被输送。根据本发明，在已知箱液位和已知从外部经由箱外壳到箱中的持续热流量q1的情况下，求取预计的箱压力走势并且将该箱压力走势用于预测与机动车的使用相关的事件和/或用于诊断系统或系统部件。

因此，在所提出的方法中预测箱压力的时间上的走势，使得能够及时采取措施，这些措施有助于防止箱压力上升超过允许的最大值，具体而言，尽可能没有天然气的不利排出。以这种方式可以降低燃料消耗和燃料成本。

此外，所述方法经证明在属于车队的机动车中是特别有利的。因为该方法能够实现车辆使用和从而车队管理的优化，例如通过匹配加注间隔和/或路线选择。

执行该方法的前提是：箱液位和持续热流量q1是已知的。当以传感器方式感测到箱液位和箱压力时是这种情况。因为基于优选在内燃机停止时测得的箱压力走势能够计算从外部经由箱外壳到箱中的持续热流量q1。计算出的值优选作为参考值被保存在控制器中，因为只要不出现损坏和/或故障情况，则该参考值就不会改变。因此，持续热流量q1也可以作为由箱制造商事先确定的参量存在或者说已知。如果是这种情况，则可以取消对持续热流量q1的计算。

开头已经提及，在内燃机运行期间，到箱中的热输入由从外部经由箱外壳到箱中的持续热流量和与运行点相关的热流量来确定，所述与运行点相关的热流量决定性地与引回到箱中的回流量相关。然而，当对预计的箱压力走势的预测例如用于优化车队的停放机动车的使用和/或应检查箱外壳的绝缘功能时，考虑与运行点相关的热流量(下面称为热流量q2)在执行根据本发明的方法时可以忽略。因为在这些情况下，预测和/或诊断涉及停放的机动车或者说停止的内燃机，使得到箱中的热输入仅由持续热流量q1来确定。下面进一步详细说明本方法的扩展方案，在所述扩展方案中也考虑热流量q2。

根据本发明的一个优选实施方式，基于预计的、已经借助所提出的方法求出的箱压力走势来预测危险状况的出现，例如达到临界压力阈值。这便于遵守法律上的极限值。同时，可以通过相应地匹配加注间隔和/或路线规划而优化车队车辆的车辆使用。

替代地或补充地，可以基于预计的箱压力走势诊断系统或系统部件的损坏和/或功能故障。系统部件例如可以是箱或用于输送天然气的泵。如果诊断出不希望的高的箱压力上升，则这提示损坏和/或故障情况，使得能够及时寻找用于检查燃料系统的工厂。因此，借助所提出的方法可以优化系统的维护或者诊断能力。

根据本发明的方法的一个特别的优点在于，不需要附加的传感装置来建立所希望的预测和/或诊断。即不产生附加的系统成本。因为通常存在用于测量箱液位和箱压力的传感器。这对于控制器同样适用，在该控制器中，传感器的测量数据被分析评估和/或存储。因此，控制器也可以被用于计算和/或存储持续热流量q1。

在本发明的扩展方案中提出，预测和/或诊断的结果例如以警告提示的形式通过车辆中的显示设备被显示给机动车的使用者和/或以数据形式借助遥测装置被传输。以这种方式可以及时通知使用者即将出现危险状况。以便能够在计划外执行燃料系统的维护，例如以便检查箱外壳和/或箱上的管路接头的密封性。

警告指示例如可以通过车辆中的显示器或其它人机接口直接被显示给驾驶员。替代地或补充地，可以将测得和/或求出的、导致警告提示的值和/或警告提示本身以遥测方式传输给中心站点。在此，中心站点尤其可以是负责车辆或车队管理的中心站点。

为了提高箱压力走势的预测准确性，提出在已知箱液位和已知内燃机的运行状态的情况下，例如在内燃机停止时，测量箱中的压力p、求取压力梯度和基于该压力梯度确定从外部经由箱外壳到箱中的实际的持续热流量q1并且将该热流量与初始值进行比较。初始值可以是持续热流量q1的之前已经计算或预给定的值。只要这样确定的实际热流量q1与初始值偏离，就可以进行初始值的适配并且必要时将该实际热流量作为新的参考值保存在控制器中。同时，强烈偏离或超出限定阈值的值能够推断出箱外壳和/或管路接口的损坏，使得必须进行相应的检查。

为了不仅在已知运行状态时、例如在内燃机停止时能够建立与机动车的使用相关的预测和/或诊断，提出在内燃机运行期间求取附加的与运行点相关的热流量或者说热流量q2并且在求取预计的箱压力走势时考虑该热流量。与运行点相关的热流量q2例如可以由燃料消耗导出。

因此，优选地，在本发明的扩展方案中提出，由之前发生的使用者行为求取燃料消耗。然后，可以将这样求出的燃料消耗优选作为滑动平均值保存和存储在控制器中。在这种情况下，可以借助控制器基于燃料消耗求取与运行点相关的热流量q2。

此外优选地，将根据本发明的方法求出的预计的箱压力走势与实际的箱压力走势比较，使得在存在偏差能够推断出持续热流量q1增加和/或与运行点相关的热流量q2增加的情况下识别出损坏和/或故障情况。为了感测实际的箱压力走势而测量箱压力。因此，箱压力的不希望的时间上的走势能够尽早识别出损坏和/或故障情况，使得可以相应地做出反应，例如通过针对内燃机的最佳工作区域和针对在紧急运行模式中的内燃机运行的校正功能。因此可以防止可能的完全失效或间接损坏。此外，可以优化地计划和执行服务和/或维护措施。

只要在内燃机运行期间在持续热流量q1不变的情况下，与运行点相关的热流量q2增加，则这可以推断出系统部件，尤其是燃料系统的泵的故障情况。在包括预输送泵和连接在该预输送泵之后的高压泵的燃料系统中，故障情况尤其能够归因于预输送泵和/或高压泵的损坏。

为了验证在泵区域中诊断出的损坏和/或故障情况，优选在给定转速和/或输送频率的情况下求取所提供的体积流并且将该体积流与泵特性曲线族进行比较。因为故障的泵尤其表现出过高的内部泄漏，其中，通过过高的转速或者频率补偿损失。因此，该故障情况可以通过以下方式得到验证：将实际提供的体积流在给定转速的情况下与相应的泵特性曲线族进行对比。因为系统侧的体积流调节导致根据特性曲线族的额定转速和实际调节的泵转速或者频率之间的转速偏差。

可信度检查尤其可以被用于鉴别故障的系统部件。在此，准确的进行方式是与系统相关的并且必须对每个燃料系统重新定义。这尤其是适用的，因为回流量决定性地与此相关。

用于比较所需的泵特性曲线族优选保存在控制器中。因此，可以在控制器中执行所述比较。

因此，本发明的主题还是一种控制器，该控制器设置为用于实施根据本发明的方法。

附图说明

下面根据附图详细地阐述本发明。附图示出了：

图1箱的示意性纵截面，所述箱用于向内燃机供给天然气的燃料系统，图2用于向内燃机供给天然气的燃料系统的示意性纵截面，和

图3与机动车的行驶状态c)相关的箱压力a)和箱液位b)的时间上的走势的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性示出的箱1用于储存低温的液态天然气。为了使从外部到箱1中的热输入最小化，箱1实施为双壁的并且附加地绝缘(未示出)。然而，天然气变热，使得一部分蒸发并且在液相7上方形成气相8。箱压力也随着温度升高，使得随着达到允许的最大值而必须通过安全阀(未示出)排出一部分气态天然气，以便避免箱1破裂。因此，借助合适的传感装置9测量箱压力和箱1中的温度并且将其传输给控制器4，用于分析评估和存储。

从外部到箱1中的热输入由持续热流量q1和与运行点相关的热流量q2组成。持续热流量q1从外部经由箱外壳到达箱1中并且基本上取决于箱1的绝缘性能，而与运行点相关的热流量q2通过回流量被输入，所述回流量经由回流管路6供应给箱1。相反地，如果天然气经由流入管路5从箱1被取出，则箱1中的压力和温度下降。即出现自冷却效应。然而，自冷却势能通常小于从外部到箱中的热输入，使得箱压力随时间升高。

如在图2中示例性示出的那样，在箱1中可以布置有用于取出天然气的第一泵2，并且在箱1外布置有用于对天然气加载高压的另一泵3。流入管路5连接两个泵2、3。借助布置在箱1中的第一泵2、尤其是预输送泵，所述另一泵3、尤其是高压泵可以在开始运行之前被冲刷或者说“冷启动”。冷启动应防止液态天然气在高压泵3的流入区域中蒸发，因为包含在液态天然气中的气泡降低了高压泵3的效率。用于冲刷或者说冷启动所需的量经由回流管路6被引回箱1中。在高压泵3的运行中，经由回流管路6引回到箱1中的回流量尤其由泄漏量组成，该泄漏量应归因于内部泄漏。此外，燃料系统的其它(未示出的)部件，例如压力存储器和/或至少一个喷射器可以连接到回流管路6上。因此，与运行点相关的热流量q2可以视燃料系统的设计而定强烈地变化。相应地，箱压力走势也随时间变化。

对于增加的热流量a和减小的热流量b在图3a)中示例性地示出关于时间t的箱压力走势。所属的箱液位在图3b)中示出，而图3c)示出行驶状态(0＝静止，1＝行驶)。在行驶开始之前，箱压力由于从外部的热输入首先升高。随着行驶开始，即在内燃机运行期间，箱压力下降，因为天然气从箱1中被取出。该效应(“自冷却效应”)在每次行驶时出现。相应地，在行驶期间，箱液位下降。然而，在类似于曲线a的热流量增加的情况下，自冷却效应不足以防止随时间t的箱压力升高，使得箱压力连续地朝最大允许极限值的方向升高。在此，斜率是确定的热流量的特征。

由这些相关性得出，在已知箱液位和已知热流量的情况下可以预测箱压力走势。基于预计的箱压力走势又可以预测事件的出现，例如达到临界的压力阈值。替代地或补充地，可以将预计的箱压力走势用于诊断目的。尤其可以将基于压力测量的实际的箱压力走势与预计的箱压力走势进行对比。如果它们彼此偏离，则由此可以推断出损坏和/或故障情况。此外，在损坏和/或故障情况下可以发出警告提示，该警告提示通过显示设备10被显示给机动车的使用者或借助遥测装置11被传输给中心站点(参见图1)。