AT517138A2 - Verfahren und Steuerungseinrichtung zur Bestimmung eines Gasverbrauchs eines mit Gas betriebenen Motors - Google Patents

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AT517138A2 ATA207/2016A AT2072016A AT517138A2 AT 517138 A2 AT517138 A2 AT 517138A2 AT 2072016 A AT2072016 A AT 2072016A AT 517138 A2 AT517138 A2 AT 517138A2
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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Gasverbrauchs eines mit Gas betriebenen Motors (10), nämlich eines mit Gas betriebenen Gasmotors oder eines mit Gas betriebenen Dual-Fuel-Motors, wobei der Motor (10) unter Ist-Betriebsbedingungen betrieben wird und unter den Ist-Betriebsbedingungen der Ist-Gasverbrauch des Motors (10) erfasst wird, und wobei ein unter Ziel­ Betriebsbedingungen zur erwartender Ziel-Gasverbrauch des Motors (10) abhängig von dem Ist-Gasverbrauch und abgängig von Abweichungen zwischen den Ist-Betriebsbedingungen und den Ziel­ Betriebsbedingungen berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gasverbrauchs eines mit Gas betriebenen Motors. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Von mit Diesel betriebenen Motoren ist es bekannt, dass der Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors, wie zum Beispiel der Kraftstoffverbrauch einer Schiffsdieselbrennkraftmaschine, von den aktuellen Betriebsbedingungen bzw. aktuellen
Umgebungsbedingungen abhängig ist, unter welchen der Dieselmotor betrieben wird. Daher ist es von Dieselmotoren bekannt, einen unter Ist-Betriebsbedingungen bzw. Ist-Umgebungsbedingungen erfassten Ist-Kraftstoffverbrauch auf einen Ziel-Kraftstoffverbrauch oder Referenz-Kraftstoffverbrauch unter Ziel-oder Referenz-Betriebsbedingungen bzw. Ziel-oder Referenz-Umgebungsbedingungen umzurechnen. Für mit Gas betriebene Motoren, wie zum Beispiel für mit Gas betriebene Gasmotoren oder mit Gas betriebene Dual-Fuel-Motoren, ist man bislang davon ausgegangen, dass eine
Motorsteuerungseinrichtung schwankende Betriebsbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen, insbesondere einen schwankenden Umgebungsluftdruck, eine schwankende Umgebungslufttemperatur, eine schwankende Umgebungsluftfeuchte, eine schwankende Methanzahl des Gases, einen schwankenden Zündzeitpunkt des Motors, eine schwankende Ladelufttemperatur und einen schwankenden Abgasgegendruck, vollständig ausregeln kann, sodass der Kraftstoffverbrauch eines mit Gas betriebenen Motors von diesen Betriebsbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen des mit Gas . betriebenen Motors nicht abhängig ist.
Die Praxis hat jedoch gezeigt, dascs mit Gas betriebene Motoren oben genannte Betriebsbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen nicht vollständig ausregeln können, sodass der Gasverbrauch von mit Gas betriebenen Motoren durchaus von den obigen Betriebsbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen abhängig ist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung des Gasverbrauchs eines mit Gas betriebenen Motors und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird der Motor unter Ist-Betriebsbedingungen betrieben und unter den Ist-Betriebsbedingungen wird der Ist-Gasverbrauch erfasst, wobei ein unter Ziel-Betriebsbedingungen zur erwartender Ziel-Gasverbrauch abhängig von dem Ist-Gasverbrauch und abgängig von Abweichungen zwischen den Ist-Betriebsbedingungen und den Ziel-Betriebsbedingungen berechnet wird.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, einen unter Ist-Betriebsbedingungen ermittelten Ist-Gasverbrauch eines mit Gas betriebenen Motors auf Ziel- oder Referenz-Betriebsbedingungen umzurechnen. Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, dass der Gasverbrauch eines mit Gas betriebenen Motors durchaus von Betriebsbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen wie Umgebungsluftdruck und/oder Umgebungslufttemperatur und/oder Umgebungsluftfeuchte und/oder Methanzahl des Gases und/oder Zündzeitpunkt des Motors und/oder Ladelufttemperatur und/oder Abgasgegendruck und/oder Ladedruck abhängig ist, wobei erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, ein unter Ist-Betriebsbedingungen erfassten Ist-Gasverbrauch auf einen Ziel- oder Referenz-Gasverbrauch unter Ziel- oder Referenz-Betriebsbedingungen umzurechnen.
Mit der Erfindung ist ein optimierter Betrieb eines mit Gas betriebenen Motors möglich. Ein auf einem Prüfstand ermittelter
Ist-Gasverbrauch kann von den am Prüfstand herrschenden Ist-Betriebsbedingungen sicher und zuverlässig auf andere Betriebsbedingungen umgerechnet werden.
Vorzugsweise wird bei der Berechnung des Ziel- oder Referenz-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einem Ist-Umgebungsluftdruck und einem Ziel-Umgebungsluftdruck und/pder eine Abweichung zwischen einer Ist-Umgebungslufttemperatur und einer Ziel-Umgebungslufttemperatur und/oder eine Abweichung zwischen einem Ist-Abgasgegendruck und einem Ziel-Abgasgegendruck und/oder eine Abweichung zwischen einem Ist-Ladedruck und einem Ziel-Ladedruck und/oder eine Abweichung zwischen einer Ist-Methanzahl des Gases und einer Ziel-Methanzahl des Gases und/oder eine Abweichung zwischen einem Ist-Zündzeitpunkt des Motors und einem Ziel-Zündzeitpunkt des Motors und/oder eine Abweichung zwischen einer Ist-Ladelufttemperatur und einer Ziel-Ladelufttemperatur und/oder eine Abweichung zwischen einer Ist-Umgebungsluftfeuchte und einer Ziel-Umgebungsluftfeuchte und/oder eine Ist-Motorlast berücksichtigt wird. Die Berücksichtigung einer oder mehrerer der obigen Betriebsbedingungen bzw. Umgebungsbedingungen erlaubt eine besonders vorteilhafte Umrechnung eines unter Ist-Betriebsbedingungen erfassten Ist-Gasverbrauchs auf einen Zieloder Referenz-Gasverbrauch unter Ziel- oder Referenz-Betriebsbedingungen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Berechnung des Ziel- oder Referenz-Gasverbrauchs nach folgenden Gleichungen
KRl=l+kl* (To-ist-Tu-ziel) KR2 = l-k2* (Pu-ist-Pu-ziel) KR3=l + k3* (Pag-ist-Pag-ziel) KR4—l + k4 1*MList ki2* (Pll-ist-Pll-ziel) KR5=l+k5* (MZist-MZZiEL) KR6=l + k61* (ZZTist2-ZZPziel2) -k62* (ZZTist-ZZPZiEL) KR7=l-k7* (Tll_ist-Tll-ziel) KR8=l+k8* (Hu-1stziel) wobei VZIEL der Ziel- oder Referenz-Gasverbrauch des Motors ist, wobei VIST der Ist-Gasverbrauch des Motors ist, wobei Tö die Umgebungslufttemperatur ist, wobei p0 der Umgebungsluftdruck ist, wobei der pAG Abgasgegendruck ist, wobei pLL der Ladedruck ist, wobei MZ die Methanzahl des Gases ist, wobei ZZP der Zündzeitpunkt des Motor ist, wobei TLL die Ladelufttemperatur ist, wobei H0 die Umgebungsluft feuchte ist, und wobei ML die Motorlast ist, und wobei kl, k2, k3, k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 motorabhängige Konstante sind. Die Verwendung dieser Gleichungen erlaubt eine besonders vorteilhafte Umrechnung des Ist-Gasverbrauchs auf den Ziel- oder Referenz-Gasverbrauch.
Die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 15 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines mit Gas betriebenen Motors.
Fig. 1 zeigt einen mit Gas betriebenen Motor 10, insbesondere einen Gasmotor oder einen Dual-Fuel-Motor. Der mit Gas betriebene Motor 10 umfasst mehrere Zylinder 11, in welchem als Kraftstoff Gas G verbrannt wird.
Zur Verbrennung des Gases G in den Zylindern 11 des Motors 10 wird den Zylindern 11 weiterhin Ladeluft LL zugeführt. Bei der Verbrennung des Gases G in den Zylindern 11 des Motors 10 entsteht Abgas AG.
Mit dem Motor 10 wirkt ein Abgasturbolader 12 zusammen. Abgas AG, welches bei der Verbrennung des Gases G in den Zylindern 11 des Motors 10 anfällt, wird einer Turbine 13 des
Abgasturboladers 12 zugeführt. Hierbei gewonnene Energie wird in einem Verdichter 14 des Abgasturboladers 12 genutzt, um den Zylindern 11 des Motors 10 zuzuführende Ladeluft LL zu verdichten.
Es ist eine Erkenntnis der Erfindung, dass der Gasverbrauch eines mit Gas betriebenen Motors 10, nämlich eines mit Gas betriebenen Gasmotors oder eines mit Gas betriebenen Dual-Fuel-Motors, von diversen Umgebungsbedingungen bzw.
Betriebsbedingungen abhängig ist, nämlich vom Umgebungsluftdruck und/oder von der Umgebungslufttemperatur und/oder der Umgebungsluftfeuchte und/oder der Methanzahl des Gases und/oder vom Zündzeitpunkt des Motors und/oder von der Ladelufttemperatur und/oder vom Ladeluftdruck und/oder vom Abgasgegendruck.
Erfindungsgemäß wird demnach vorgeschlagen, einen unter aktuellen Ist-Betriebsbedingungen des Motors 10 erfassten Ist-Gasverbrauch auf einen Ziel-Betriebsbedingungen oder Referenz-Betriebsbedingungen zu erwartenden Ziel-Gasverbrauch oder Referenz-Gasverbrauch umzurechnen, und zwar abhängig von Abweichungen zwischen den Ist-Betriebsbedingungen, unter welchen der Ist-Gasverbrauch erfasst wurde, und den Ziel-Betriebsbedingungen oder Referenz-Betriebsbedingungen, für die der Ziel-Gasverbrauch oder Referenz-Gasverbrauch berechnet werden soll. Nachfolgend werden der Einfachheit halber nur die
Begriffe Ziel-Gasverbrauch und Ziel-Betriebsbedingungen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Vielzahl von Sensoren 15, 16, 17, 18, 19, 20 ' und 21, mit Hilfe derer die Ist-Betriebsbedingungen messtechnisch erfasst werden können. So erfasst der Sensor 15 einen Ist-Ladeluftdruck und der Sensor 16 eine Ist-Ladelufttem-peratur. Ein Sensor 17 erfasst eine Ist-Methanzahl des Gases G. Ein Sensor 18 erfasst einen Ist-Abgasgegendruck stromabwärts der Turbine 13 des Abgasturboladers 12. Die Sensoren 19, 20 und 21 erfassen eine Ist-Umgebungslufttemperatur, einen Ist-Umgebungsluftdruck und eine Ist-Umgebungsluftfeuchte. Die von den Sensoren 15, 16, 17, 18, 19, 20 und 21 messtechnisch erfassten Ist-Betriebsbedingungen sind einer
Steuerungseinrichtung 22 bereitstellbar. Der Motor 10 stellt der Steuerungseinrichtung 22 weiterhin Daten über den Ist-Zündzeit-punkt desselben bereit.
Die Steuerungseinrichtung 22 ermittelt auf Basis einer oder mehrerer der von den Sensoren 15 bis 21 messtechnisch erfassten Ist-Betriebsbedingungen sowie der diesbezüglichen Ziel-Betriebsbedingungen aus dem Ist-Gasverbrauch, der unter den Ist-Betriebsbedingungen erfasst wurde, einen Ziel-Gasverbrauch unter den Ziel-Betriebsbedingungen, nämlich abhängig von Abweichungen zwischen der jeweiligen Ist-Betriebsbedingung und der jeweiligen Ziel-Betriebsbedingung.
Die Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs erfolgt vorzugsweise nach folgenden Gleichungen:
KRl = l + kl* (Tu-ist-Tq-ziel) KR2 = l-k2* (Pu-ist~Pu-ziel) KR3=l + k3* (Pag-ist-Pag-ziel) KR4-l + k41*MLIST k42* (Pll-ist~Pll-ziel) KR5=l + k5* (MZist-MZziel) KR6=l+k61* (ZZTjst — ΖΖΡΖχΕΕ ) — k62* (ZZTxsx·—ZZPZiel) KR7=l-k7* (Tll-ist-TLl-zieL) KR8 = l + k8* (Hu-ist_Hu-ziel) wobei VZIEL des Ziel-Gasverbrauchs des Motors ist, wobei VIST der Ist-Gasverbrauchs des Motors ist, wobei T0-IST die Ist-Umgebungslufttemperatur ist, wobei T0_ZiEL die Ziel-Umgebungslufttemperatur ist, wobei Pu-ist der Ist-Umgebungsluftdruck ist, wobei Po-soll der Soll-Umgebungsluftdruck ist, wobei der Pag-ist Ist-Abgasgegendruck ist, wobei der Pag-ziel Ziel-Abgasgegendruck ist, wobei Pll-ist der Ist-Ladedruck ist, wobei Pll-ziel der Ziel-Ladedruck ist, wobei MZIST die Ist-Methanzahl ist, wobei MZziel die Ziel-Methanzahl ist, wobei ZZPIST der Ist-Zündzeitpunkt ist, wobei ZZPZIEL der Ziel-Zündzeitpunkt ist, wöbe i TLL_ xst die Ist-Ladelufttemperatur ist, wobei TLL_ZIEL die Ziel-Ladelufttemperatur ist, wobei Hu_IST die Ist-Umgebungsluftfeuchte ist, wobei Hu_ZIEL die Ziel-Umgebungsluf tf euchte ist, und wobei MList die Ist-Motorlast ist, und wobei kl, k2, k3, k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 motorabhängige Konstante sind.
Die Konstanten kl, k2, k3, k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 sind insbesondere von der Art der λ-Regelung des mit Gas betriebenen Motors 10 abhängig.
Bei einer λ-Regelung des mit Gas betriebenen Motors 10 über Ladeluftabblasen gilt: kl=0, k2=0, k3=0, 0<k41<l, 0<k42<l, 0<k5<l, 0<k61<l, 0<k62<l, 0<k7<l, 0<k8<l.
Bei einer λ-Regelung des mit Gas betriebenen Motors 10 über ein Wastegate oder über eine variable Turbinengeometrie gilt jeweils: 0<kl<l, 0<k2<l, 0<k3<l, 0<k41<l, 0<k42<l, 0<k5<l, 0<k61<l, 0<k62<l, 0<k7<l, 0<k8<l.
Die Erfindung ermöglicht eine sichere und einfache Umrechnung eines unter Ist-Betriebsbedingungen ermittelten Ist-Gasverbrauchs auf einen Ziel-Gasverbrauch unter Ziel-Betriebsbedingungen .
Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, für einen an Prüfständen ermittelten Ist-Gasverbrauch einen Referenz-Gasverbrauch zu ermitteln, nämlich abhängig von den am Prüfstand herrschenden Ist-Betriebsbedingungen und entsprechenden Referenz-Betriebsbedingungen. So können an unterschiedlichen Prüfständen die herrschenden Ist-Betriebsbedingungen kompensiert werden, so zum Beispiel unterschiedliche Ist-Methanzahlen und/oder unterschiedliche Ist-Zündzeitpunkte und/oder unterschiedliche Umgebungsluft-Bedingungen und/oder andere Betriebsbedingungen. Hierdurch kann die Qualität von an Prüfständen ermittelten Versuchsmessreihen gesteigert werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei den berücksichtigten Ist-Betriebsbedingungen jeweils um messtechnisch erfasste Betriebsbedingungen. Hierdurch kann die Umrechnung eines Ist-Gasverbrauchs auf einen Ziel-Gasverbrauch bzw. Referenz-Gasverbrauch einfach und zuverlässig gestaltet werden.

Claims (15)

  1. Patentansprüche :
    1. Verfahren zur Bestimmung eines Gasverbrauchs eines mit Gas betriebenen Motors, nämlich eines mit Gas betriebenen Gasmotors oder eines mit Gas betriebenen Dual-Fuel-Motors, wobei der Motor unter Ist-Betriebsbedingungen betrieben wird und unter den Ist-Betriebsbedingungen der Ist-Gasverbrauch des Motors erfasst wird; wobei ein unter Ziel-Betriebsbedingungen zur erwartender Ziel-Gasverbrauch des Motors abhängig von dem Ist-Gasverbrauch und abgängig von Abweichungen zwischen den Ist-Betriebsbedingungen und den Ziel-Betriebsbedingungen berechnet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einem Ist-Umgebungsluftdruck und einem Ziel-Umgebungsluftdruck berücksichtigt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einer Ist-Umgebungslufttemperatur und einer Ziel-Umgebungslufttemperatur berücksichtigt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einem Ist-Abgasgegendruck und einem Ziel-Abgasgegendruck berücksichtigt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einem Ist-Ladedruck und einem Ziel-Ladedruck berücksichtigt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einer Ist-Methanzahl des Gases und einer Ziel-Methanzahl des Gases berücksichtigt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einem Ist-Zündzeitpunkt des Motors und einem Ziel-Zündzeitpunkt des Motors berücksichtigt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einer Ist-Ladelufttemperatur und einer Ziel-Ladelufttemperatur berücksichtigt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Abweichung zwischen einer Ist-Umgebungsluft feuchte und einer Ziel-Umgebungsluftfeuchte berücksichtigt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs eine Ist-Motorlast berücksichtigt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Ziel-Gasverbrauchs des Motors nach folgenden Gleichungen erfolgt
    wobei VZIEL des Ziel-Gasverbrauchs des Motors ist, wobei VIST der Ist-Gasverbrauchs des Motors ist, wobei T0 die Umgebungslufttemperatur ist, wobei p0 der Umgebungsluftdruck ist, wobei der pAG Abgasgegendruck ist, wobei Pll der Ladedruck ist, wobei MZ die Methanzahl ist, wobei ZZP der Zündzeitpunkt ist, wobei TLl die Ladelufttemperatur ist, wobei Hu die Umgebungsluftfeuchte ist, und wobei ML die Motorlast ist, wobei kl, k2, k3, k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 motorabhängige Konstante sind.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstanten kl, k2, k3, k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 von der Art der λ-Regelung des Motors abhängig sind.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer λ-Regelung über Ladeluftabblasen kl, k2, k3 jeweils 0 und k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 jeweils größer 0 und kleiner 1 sind.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer λ-Regelung über ein Wastegate oder über eine variable Turbinengeometrie kl, k2, k3, k41, k42, k5, k61, k62, k7, k8 jeweils größer 0 und kleiner 1 sind.
  15. 15. Steuerungseinrichtung eines mit Gas betriebenen Motors, nämlich eines mit Gas betriebenen Gasmotors oder eines mit Gas betriebenen Dual-Fuel-Motors, gekennzeichnet durch Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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