CH698352B1 - Kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Mischen einer Brennstoffmischung. - Google Patents

Abstract

Ein kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor weist Verbrennungssensoren (23) auf für die Erfassung der Verbrennung des Brennstoffes in den Zylindern und mindestens eine elektronische Steuereinheit (21) für den Empfang von Signalen von den Verbrennungssensoren (23). Eine Brennstoffmischeinheit ist mit mindestens einer ersten Quelle von einem ersten Brennstoff und einer zweiten Quelle von einem Brennstoffkonditionierer verbunden. Basierend auf einem detektierten Beginn der Zündung des Brennstoffes im individuellen Zylinder verglichen mit dem Start der Brennstoffeinspritzung im besagten Zylinder steuert die mindestens eine elektronische Steuereinheit (21) das Mischverhältnis des ersten Brennstoffes und des Brennstoffkonditionierers in der Brennstoffmischung, welche durch die Mischeinheit (10) den Brennstoffeinspritzdüsen (14) zugeführt wird, sodass die Zündbarkeit der Brennstoffmischung verringert wird, wenn die Zündverzögerung einem vorbestimmten Wert für Brennstoffverzögerung entspricht.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kompressionsgezündeten Verbrennungsmotor wie einen Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotor oder einen Viertakt-Dieselmotor, aufweisend Zylinder, vorgesehen mit Brennstoffeinspritzdüsen für das Einspritzen des Brennstoffes direkt in Verbrennungskammern in den Zylindern, Verbrennungssensoren für die Erfassung der Verbrennung des Brennstoffes in den Zylindern und mindestens eine elektronische Steuerungseinheit für den Empfang von Signalen von den Verbrennungssensoren.

[0002] Ein Motor dieser Art ist bekannt aus dem Markt als ein ME-Motor von MAN-Diesel, wobei die Verbrennungssensoren zum Beispiel Abgas-Gas-Temperatursensoren sind. Der Motor wird typischerweise mittels eines einzigen Brennstoffes betrieben, wie eines Schwerölbrennstoffes oder eines Hauptbrennstoffes und eines Zündbrennstoffes, wie zum Beispiel Gas als Hauptbrennstoff und Öl als Zündbrennstoff, welcher die Auslösung der Kompressionszündung in der Verbrennungskammer verursacht. Wenn zwei Arten von Brennstoff simultan verwendet werden, wie im Fall von Hauptbrennstoff und Zündbrennstoff, bleibt die relative zugeführte Menge der beiden Brennstoffarten mehr oder weniger statisch oder verändert sich nur langsam über mehrere Verbrennungszyklen.

[0003] Während mehrerer Jahre erfolgten Entwicklungen in Richtung des Erzielens geringeren spezifischen Schwerölverbrauches, das heisst weniger Brennstoffverbrauch pro kWh produzierter Energie. Und innerhalb der letzten Dekade wurden keine grossen Fortschritte in dieser Richtung erzielt, hauptsächlich da grosse Dieselmotoren sehr nahe am theoretisch erzielbaren Wirkungsgrad betrieben werden.

[0004] Entsprechend der vorliegenden Erfindung besteht der Wunsch, den Brennstoffverbrauch in ökonomischer Art und Weise zu optimieren, sodass die Kosten zum Betrieb des Motors reduziert werden.

[0005] Mit Blick auf diesen Wunsch ist der Motor gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch charakterisiert, dass eine Brennstoffmischeinheit mit mindestens einer ersten Quelle eines ersten Brennstoffes und einer zweiten Quelle eines Brennstoffkonditionierers verbunden ist, basierend auf einem detektierten Start der Brennstoffzündung im individuellen Zylinder verglichen mit dem Start der Brennstoffeinspritzung in besagtem Zylinder, die mindestens eine elektronische Steuereinheit das Mischverhältnis des ersten Brennstoffes und dem Brennstoffkonditionierer in der Brennstoffmischung, zugeführt durch die Mischeinheit zu den Einspritzdüsen, steuert, sodass die Entzündbarkeit der Brennstoffmischung verringert wird, falls die Zündverzögerung einen vorgegebenen Wert für Zündverzögerung beträgt.

[0006] Die elektronische Steuereinheit kann auf Basis des detektierten Beginns der Zündung und des Starts der Brennstoffinjektion eine Zeitdifferenz bestimmen, welche repräsentativ ist für die aktuelle Zündverzögerung, welche sich bei der Verbrennung im Zylinder einstellt. Die elektronische Steuereinheit vergleicht diese Zeitdifferenz mit einem vorgegebenen Wert für Zündverzögerung, und falls die Zeitdifferenz nahezu so kurz ist wie der vorgegebene Wert für Zündverzögerung, so steuert die Steuereinheit das Mischverhältnis so, dass die Entzündbarkeit der Brennstoffmischung reduziert wird. Auf diese Art und Weise steuert die elektronische Steuereinheit die Brennstoffmischung derart, um die Verwendung von Brennstoff von niedriger Qualität zu erhöhen.

[0007] Die Detektion des Beginns der Brennstoffzündung im individuellen Zylinder ermöglicht eine rasche Adjustierung des Mischverhältnisses, da die elektronische Steuereinheit die Information vom individuellen Verbrennungsprozess im Zylinder empfängt, wenn die Verbrennung im Gang ist. Die elektronische Steuereinheit kann konsequenterweise das Mischverhältnis adjustieren bevor die nächste Brennstoffeinspritzung in demselben Zylinder ausgeführt wird. Dies macht die Detektion unumgänglich, um das Mischverhältnis rascher zu adjustieren als bei Detektion basierend auf einer Temperaturmessung im Abgas, wo die Messung aktuell über mehrere Verbrennungszyklen gemittelt wird.

[0008] Die rasche Detektion der Veränderungen der Zündverzögerung ermöglicht der Steuereinheit, wirkungsvoll Veränderungen in der Zündverzögerung zu kompensieren, welche nicht durch die Brennstoffzusammensetzung verursacht werden, sondern durch andere Faktoren wie Motorlast, Feuchtigkeit in der angesaugten Luft, die Temperatur anderer Zylinderteile (Zylinderhülse, Zylinderdeckel und Kolben sind kälter, wenn der Motor eben gerade in Betrieb genommen wurde), den Sauerstoffgehalt in der angesaugten Luft etc., verursacht werden. Derartige Veränderungen können nicht vermieden werden, und bis anhin wurde es als Voraussetzung betrachtet, einen Brennstoff von ausreichend guter Qualität zu verwenden, um einwandfreie Verbrennung bei ungünstigen Motorbetriebsbedingungen sicherzustellen. Die sofortige Detektion von Veränderungen in aktuellen Zündverzögerungen macht es möglich, eine Brennstoffmischung von sehr niedriger Qualität zu verwenden, falls die Motorbetriebsbedingungen günstig sind, da die elektronische Steuereinheit die Brennstoffmischung in eine höhere Qualität regelt, falls dies aufgrund einer Veränderung in den Betriebsbedingungen notwendig ist.

[0009] Die elektronische Steuereinheit fügt Brennstoff niedriger Qualität zu der Brennstoffmischung, falls die detektierte Zündverzögerung so kurz ist wie ein vorgegebener Wert für Zündverzögerung. Die Zunahme an Brennstoff niedriger Qualität in der Brennstoffmischung resultiert in der Zunahme in der Zündverzögerung und einer Verringerung der Kosten der verbrauchten Brennstoffmischung.

[0010] Gemäss einer bevorzugten Ausführung ist der erste Brennstoff ein Brennstoff niedrigerer Kosten als der Brennstoffkonditionierer, welcher ein Brennstoff besserer Qualität ist als besagter erster Brennstoff. Falls die erhältlichen Brennstoffbestandteile diese Qualitäten aufweisen, steuert die elektronische Steuereinheit die Brennstoffmischung, damit sie weniger an Brennstoffkonditionierer höherer Qualität enthält, welcher teurer ist, und mehr an erstem Brennstoff, was zu einer Kosteneinsparungen von verbrauchtem Brennstoff führt. Falls die elektronische Steuereinheit die Brennstoffmischung derart adjustiert hat, sodass nur Brennstoff von schlechtester Qualität verwendet wird, das heisst, die Brennstoffmischung besteht nur aus dem ersten Brennstoff, arbeitet der Motor mit der Zündverzögerung, resultierend von diesem Brennstoff, sogar falls der Wert für die Zündverzögerung niedriger sein sollte als der vorgegebene Wert für die Zündverzögerung. Dies ergibt keine Probleme im Motor, da dieser in der Lage ist, mit einem Brennstoff leichterer Entzündbarkeit betrieben zu werden als mit dem schlechtesten Brennstoff, allerdings kann das vollständige Potential für Kostenersparnis nicht erreicht werden. Die Information dieser Situation kann beim nächsten Brennstoffeinkauf verwendet werden, wo Brennstoff von sogar niedrigerer Qualität zu einem niedrigeren Preis beschafft werden kann als der früher erworbene erste Brennstoff.

[0011] Gemäss einer bevorzugten Ausführung hat der erste Brennstoff einen CCAI-Wert welcher höher ist als der CCAI-Wert des Brennstoffkonditionierers. Der errechnete Carbon-Aromatic-Index-Wert (Calculated Carbon Aromatic Index value – CCAI-value) des Brennstoffes ist ein Wert, abhängig von der Viskosität und der Dichte des Brennstoffes und kann als Indikation für die Zündeigenschaften des Brennstofföls genommen werden, im Sinne dass ein niedrigerer CCAI-Wert ein Schweröl repräsentiert, das leichter zündbar ist als ein Schweröl mit einem höheren CCAI-Wert.

[0012] Im Speziellen für interne Verbrennungsmotoren, betrieben als Hauptmotoren in Schiffen, können sowohl der erste Brennstoff wie auch der Brennstoffkonditionierer Schwerölbrennstoffe sein. Diese Produkte sind für die Beladung von Schiffen leicht erhältlich, und die Möglichkeit, den Motor mit Schweröl verschiedener Qualitäten zu betreiben, ermöglicht dem Schiffbetreiber, sehr billiges oder das billigst erhältliche Schweröl zu kaufen und einzulagern, in Kombination mit Schweröl von besserer Qualität.

[0013] Gemäss einer Ausführungsvariante wird der Verbrauch an Brennstoffkonditionierer minimiert, indem der vorgegebene Wert für Zündverzögerung nahe einer vorgegebenen maximalen Limite für Zündverzögerung gesetzt wird. Im Falle, dass der erste Brennstoff von einer derart schlechten Qualität ist, dass der Motor nicht zufriedenstellend nur mit diesem Brennstoff betrieben werden kann, da die Zündverzögerung unakzeptierbar lang ist, kann es relevant sein, die elektronische Steuereinheit mit einem vorbestimmten maximalen Grenzwert für Zündverzögerung zu versehen. Und falls ein solcher Wert bestimmt ist, ist es möglich, den vorgegebenen Wert für Zündverzögerung nahe besagtem maximalem Grenzwert zu setzen. Der Vorteil einer derartigen Festlegung besteht darin, dass die elektronische Steuereinheit die Brennstoffmischung nahe der niedrigsten Brennstoffqualität einstellt, mit welcher es möglich ist, den Motor in Betrieb zu halten, und konsequenterweise sind die Brennstoffkosten so niedrig wie möglich für die Brennstofftypen, erhältlich für den Gebrauch im Motor.

[0014] Gemäss einer Ausführungsvariante wird nur der erste Brennstoff zur Brennstoffeinspritzung zugeführt, wenn der Motor bei 100% Motorlast betrieben wird. Bei 100% Motorlast ist der Motor toleranter für Brennstoff niedriger Qualität, und dies wird verwendet, um dem Motor Brennstoff niedrigster Qualität zuzuführen und damit den billigsten Brennstoff.

[0015] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsvariante liegt die Motorgeschwindigkeit bei 100% Motorlast in einem Bereich von 45 U/min bis 175 U/min. Die Möglichkeit der Verwendung schlechter Brennstoffqualität ist ausgeprägter bei Motoren, welche bei niedriger Geschwindigkeit betrieben werden, da zum einen eine längere Periode für den individuellen Verbrennungsprozess vorliegt, da der Motorzyklus länger dauert wenn die Motorgeschwindigkeit niedriger ist, und zum andern sind Niedrig-Geschwindigkeits-Motoren typischerweise sehr stark motorisierte Motoren, wo es tatsächlich sinnvoll ist, Brennstoffe niedriger Qualität zu verwenden, da der Brennstoffverbrauch hoch ist. Einige der Motoren, welche bei sehr niedriger Geschwindigkeit betrieben werden, sind Motoren für Containerschiffe, und ein derartiger Motor kann eine Leistung von zum Beispiel 75 000 kW oder mehr aufweisen.

[0016] Wie oben beschrieben, kann der Brennstoffkonditionierer ein Brennstoff sein, welcher schneller zündbar ist als der erste Brennstoff. Allerdings ist es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich, dass der erste Brennstoff ein Schwerölbrennstoff ist und der Brennstoffkonditionierer Wasser. Das Beimischen von Wasser zum Brennstoff erhöht die Zündverzögerung (reduziert die Zündbarkeit).

[0017] Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Mischen einer Brennstoffmischung, welche mittels Einspritzdüsen direkt in die Verbrennungskammern in Zylindern eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors eingespritzt wird, wie eines Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotors oder eines Viertakt-Dieselmotors. Basierend auf einem erfassten Beginn der Zündung des Brennstoffes in dem individuellen Zylinder und verglichen mit dem Beginn der Brennstoffeinspritzung im besagten Zylinder, wird das Mischverhältnis von mindestens einem ersten Brennstoff und einem Brennstoffkonditionierer in der Brennstoffmischung, zugeführt zu den Brennstoffeinspritzdüsen, adjustiert, um die Zündverzögerung der Brennstoffmischung länger als ein vorgegebener Wert für Zündverzögerung zu halten. Die Vorteile dieses Vorgehens unter Betrachtung der Kosteneinsparungen für Brennstoff wurden bereits in der vorangehenden Beschreibung erklärt, und entsprechend wird darauf verwiesen.

[0018] Vorteilhafterweise wird das Mischverhältnis derart adjustiert, um die Motorbetriebsbedingungen zu variieren, damit die Kosten der Brennstoffmischung minimiert werden. Das Verfahren beinhaltet konsequenterweise das ständige Anpassen der Brennstoffmischung, zugeführt zu den Brennstoffeinspritzdüsen, an die laufenden und aktuellen Betriebsbedingungen des Motors.

[0019] Beispiele der vorliegenden Erfindung und Ausführungsvarianten davon sind nachfolgend detaillierter beschrieben mit Referenz zu den sehr schematischen Figuren in welchen: <tb>Fig. 1<sep>eine generelle Seitenansicht eines Motors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt, <tb>Fig. 2<sep>ein Beispiel eines Brennstoffzuführsystems für einen Motor gemäss der Erfindung, <tb>Fig. 3<sep>eine Darstellung von Verbrennungssensoren der optischen Art, <tb>Fig. 4<sep>eine detailliertere Illustration von einem Verbrennungssensor der optischen Art, <tb>Fig. 5<sep>das Ende einer optischen Faser eines Verbrennungssensors in Fig. 4 darstellt, und <tb>Fig. 6<sep>eine Darstellung der Auswirkungen der Ausgestaltung des Endes der optischen Faser mit verschiedenen Winkeln zeigt.

[0020] Ein kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor gemäss der vorliegenden Erfindung kann ein Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotor sein wie dargestellt in Fig. 1. Ein derartiger Motor kann beispielsweise gemäss der Machart eines MAN-Dieselmotors sein mit der Typenbezeichnung NC oder ME oder der Machart Wärtsilä von der Art Sulzer RT-Flex oder Sulzer RTA oder von der Marke Mitsubishi Heavy Industries. Ein Motor dieser Art ist ein grosser Motor, typischerweise verwendet als Hauptantrieb in einem Schiff oder als stationärer Motor in einem Kraftwerk. Die Zylinder können zum Beispiel eine Bohrung in der Grössenordnung von 25 cm bis 120 cm aufweisen, und der Motor kann eine Leistung im Bereich von 3000 kW bis 120 000 kW aufweisen. Die Motorgeschwindigkeit liegt typischerweise in einem Bereich von 40 U/min bis 250 U/min. Der Motor gemäss der vorliegenden Erfindung kann alternativ ein Viertakt-Dieselmotor sein, mit einer Motorgeschwindigkeit beispielsweise im Bereich von 300 U/min bis 1400 U/min und eine Motorleistung zum Beispiel in einem Bereich von 1300 kW bis 30 000 kW. Die kompressionsgezündeten Verbrennungsmotoren gemäss der vorliegenden Erfindung sind typischerweise in der Lage, Schweröl als Kraftstoff zu verwenden.

[0021] Der Motor von Fig. 1 hat einen Zylinder mit einer Zylinderbuchse 1, angeordnet in einem Zylinderbereich 2 von einem Motorrahmen 3. Ein Abgasventilgehäuse 4 ist in einer Zylinderabdeckung 5 angeordnet, und eine Abgasleitung 6 erstreckt sich vom individuellen Zylinder zu einer Abgasaufnahme 7, gebräuchlich für einige oder alle Zylinder. In der Abgasaufnahme werden Druckveränderungen, ausgelöst durch Abgasimpulse, ausgegeben von den Abgasleitungen, durch einen mehrheitlich gleichmässigen Druck ausgeglichen, und ein oder mehrere Turbolader 8 erhalten Abgas aus der Abgasaufnahme 7 und liefern komprimierte Luft an ein Rückführluftsystem, aufweisend eine Rückführluftaufnahme 9, welche ähnlich der Abgasaufnahme ein längsausgedehnter Druckkessel ist.

[0022] In Fig. 2 ist der Zylinderbereich 2 dargestellt mit nur einem Zylinder, wobei aber der Motor eine Vielzahl von Zylindern aufweist wie von 4 bis 15 Zylindern, falls es sich um einen Zweitakt-Motor handelt, und von 4 bis 20 Zylindern, falls es sich um einen Viertakt-Motor handelt. Jeder Zylinder ist mit einer oder mehreren Brennstoffdosiereinrichtungen 10 verbunden. Die Brennstoffdosiereinrichtung kann eine Brennstoffpumpe sein, und in diesem Falle muss das Brennstoffsystem Brennstoff an die Brennstoffdosierung nur mit einem relativ niedrigen Dosierdruck in einer Brennstoffzufuhrleitung 11 liefern, wie bei einem Druck in einem Bereich von 2 bis 15 bar. Alternativ dazu kann die Brennstoffdosiereinrichtung ein Ventil oder ein Ventil in Verbindung mit einer Dosiereinrichtung sein, und in diesem Falle ist dann die Zuführleitung eine Hochdruckleitung, in welcher der Brennstoff bei einem höheren Druck als der Einspritzdruck geführt wird wie bei einem Zufuhrdruck im Bereich von 500 bis 1500 bar. Ein derartiges Brennstoffsystem nennt man Common-rail-System. Im einen Fall ist die Brennstoffdosiereinrichtung 10 an eine Brennstoffzufuhrleitung 11 über eine Abzweigverbindung 12 mit einem Ventil 13 verbunden, welches während dem normalen Motorbetrieb in offener Position gehalten ist. Die Brennstoffdosiereinrichtung 10 ist mit Brennstoffinjektoren 14 über Hochdruckbrennstoffleitungen 15 verbunden. Eine Rückführleitung 16 führt von den Injektoren zu einem Brennstoffrücklaufrohr 17. Die Anzahl von Injektoren pro Zylinder hängt von der Leistung des Zylinders ab. Bei kleineren Motoren kann ein einzelner Injektor ausreichend sein, um die Menge an Brennstoff einzuspritzen, welche benötigt wird für einen Verbrennungsprozess, währenddem in grösseren leistungsfähigeren Motoren zwei oder drei Einspritzdüsen notwendig sind. Falls mehrere Injektoren pro Zylinder vorgesehen sind, kann eine Brennstoffdosiereinrichtung 10 pro Injektor vorhanden sein, oder die mehreren Injektoren können eine Brennstoffdosiereinrichtung teilen, wie dargestellt in Fig. 2.

[0023] Im individuellen Zylinder ist ein Kolben 18 auf einer Kolbenstange 19 montiert, welche mit einem Wellenkurbelzapfen auf einer Kurbelwelle über einen Kreuzkopf und einen Verbindungsstab (nicht dargestellt) verbunden ist. Der Kolben ist direkt mit dem Verbindungsstab verbunden, falls der Motor ein Viertakt-Motor ist. Der Brennstoffinjektor spritzt den Brennstoff in eine Verbrennungskammer 20 ein, wo er selbst entzündet infolge der hohen Temperatur in der Luft oberhalb des Kolbens. Die hohe Temperatur herrscht, da der Kolben die zugeführte Luft während des Aufwärtskompressionstaktes komprimiert. Die Zündungsart ist deshalb eine Kompressionszündung, welche unterschiedlich ist von einer Funkenzündung, verwendet in Motoren, welche gemäss dem Otto-Zyklus betrieben werden.

[0024] Wenn der Injektor den Brennstoff in die komprimierte Luft in der Verbrennungskammer zerstäubt oder einspritzt, wird der Brennstoff durch die heisse Luft erhitzt, und nach einiger Zeit – der Zündverzögerung – zündet der Brennstoff und beginnt zu verbrennen. Die Zündverzögerung beginnt mit der Injektion des Brennstoffes. Dieser rechtzeitige Startpunkt kann entweder durch aktuelle Messung ermittelt werden oder basiert auf dem Timing des Signals für die Aktivierung der Brennstoffdosiereinrichtung 10.

[0025] Ein Sensor, angeordnet beim Brennstoffinjektor 14, kann die aktuelle Messung durchführen und ein Signal an eine elektronische Steuereinheit 21 über ein Kabel 22 übertragen. Der Sensor, welcher die Messung des Injektionsstarts durchführt, kann ein magnetischer Sensor sein, welcher durch die Auslenkung einer Nadel im Injektor aktiviert wird, oder ein Drucksensor, aktiviert durch dieselbe Auslenkung oder durch einen hohen Druck im Brennstoffkanal des Zerstäubers oder ein Vibrationssensor, verbunden mit der rückwärtigen Endoberfläche des Zerstäubers. Wenn der Ventilsitz im Brennstoffinjektor geöffnet wird und der Brennstoff vorwärts fliesst und das Ende der Bohrung des Zerstäubers erreicht, wird ein Druckimpuls erzeugt, welcher durch den Vibrationssensor detektiert werden kann.

[0026] Der Startpunkt kann alternativ bestimmt werden zu Beginn in dem Moment, wo die Brennstoffdosiereinrichtung aktiviert wird. Für einen speziellen Motor ist es möglich, die Verzögerung zu bestimmen, welche zwischen Aktivierung der Brennstoffdosierungseinrichtung und dem aktuellen Start der Injektion des Brennstoffes in die Verbrennungskammer entsteht. Die elektronische Steuereinheit 21 kann dann den Startpunkt als denjenigen rechtzeitigen Punkt, wo die Brennstoffdosiereinrichtung aktiviert wird, plus die vorbestimmte Verzögerungsperiode berechnen. Die Bestimmung des rechtzeitigen Startpunktes ist einfach auszuführen, im Speziellen wenn die elektronische Steuereinheit ebenfalls das Aktivierungssignal an die Brennstoffdosiereinrichtung sendet. Natürlich ergibt sich eine minime Ungenauigkeit bei dieser Bestimmung, falls die Brennstoffeigenschaften signifikant von den Brennstoffeigenschaften variieren, welche bei der Bestimmung der Verzögerungsperiode verwendet wurden. Es ist möglich, dies zu kompensieren, indem manuelle Modifikation der Verzögerungsperiode erlaubt ist, zum Beispiel durch Einführen eines positiven oder negativen Wertes für einen Korrekturfaktor, welcher zur vorbestimmten Verzögerungsperiode addiert wird.

[0027] Die Verbrennungsverzögerung endet in dem Moment, wo der Brennstoff tatsächlich in der Verbrennungskammer entzündet wird. Dieser tatsächliche Endpunkt kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden durch Verwendung eines Verbrennungssenors, welcher die Verbrennung des Brennstoffes in den Zylindern detektiert. In einer Ausführung ist der Verbrennungssensor ein Drucksensor, welcher den Druckanstieg im Zylinderdruck detektiert, welcher durch die Verbrennung ausgelöst wird. Ein derartiger Drucksensor kann in der Seitenwand der Zylinderbüchse an einer Position über dem oberen Kolbenring montiert sein, wenn der Kolben in der oberen Totpunktposition ist, oder kann im Zylinderdeckel montiert sein. Alternativ kann der Drucksensor ein Dehnungsmessgerät sein, welches die Spannung in einem Deckelbolzen misst, welcher den Zylinderdeckel 5 an dem Zylinderbereich 2 hält, welche Spannung zu einem Druckwert umgerechnet werden kann, da die Spannung in dem Bolzen erhöht wird, wenn sich eine Druckerhöhung in der Verbrennungskammer einstellt. Zum Zwecke der Bestimmung des rechtzeitigen Endpunktes ist es nicht notwendig, Belastung in Druck zu konvertieren, da das relevante Ereignis der Moment ist, wo der Druckanstieg ausgelöst wird, und es ist deshalb ausreichend, den Moment zu erfassen, bei welchem die Belastung erhöht wird.

[0028] Der Verbrennungssensor kann alternativ ein Temperatursensor sein, welcher im Zylinderkopf oder in der Zylinderbüchsenwandung angeordnet ist. Die Zündung führt zu einem Anstieg der Temperatur der Gase, welche in der Verbrennungskammer enthalten sind, und dies ist mit einem Temperatursensor detektierbar.

[0029] Sowohl der Druckanstieg wie auch der Temperaturanstieg erfolgen eher langsam. Es ist deshalb möglich, einen Korrekturwert vom detektierten Moment des Temperatur- oder Druckanstieges abzuziehen, um den richtigen Endpunkt zu erhalten. Der Korrekturwert kann empirisch ermittelt sein oder in der elektronischen Steuereinheit 12 als vorgegebener Korrekturwert abgespeichert sein oder er kann manuell in das System eingegeben werden, basierend auf Beobachtungen, wie der Motor läuft.

[0030] Der Verbrennungssensor kann alternativ ein Lichtsensor sein, welcher Licht detektieren kann, welches in der Verbrennungskammer von der Zündung des Brennstoffes emitiert wird (vorzugsweise UV-Licht und/oder sichtbares Licht für das menschliche Auge). Ein derartiger Verbrennungssensor 23 reagiert schnell und detektiert sofort den Moment, bei welchem die Zündung beginnt, und detektiert damit den oben erwähnten tatsächlichen Endpunkt für die Zündverzögerung mit hoher Präzision. Der Verbrennungssensor 23 für die Lichterfassung ist in einer Ausführung angeordnet, wie dargestellt in Fig. 4, wo eine Bohrung 24 im Zylinderkopf vorhanden ist und ein Halter 25 mit einem externen Gewinde eingeschraubt in einem passenden internen Gewinde in einer Bohrung, führend zur Verbrennungskammer. Der Halter 25 hat eine zentrale durchgehende Bohrung, in welcher zwei optische Fasern angeordnet sind, sodass deren innere Enden in der Verbrennungskammer positioniert sind oder derart nahe an der Verbrennungskammer in der Bohrung 24, sodass sie eine freie Sicht zu den Inhalten in der Verbrennungskammer haben.

[0031] Von den optischen Fasern ist die eine Faser 26 eine Photodetektor-Faser, welche aktuell den Verbrennungssensor bildet. Die optische Faser 26 ist an ihrem äusseren Ende an eine Lichtsensorvorrichtung 29 verbunden, welche über ein Kabel 30 ein Signal zur elektronischen Steuereinheit 21 überträgt, wenn die empfangene Lichtintensität über einem Schwellenwert liegt. Die Lichtsensoreinrichtung 29 kann eine photosensitive Diode sein. Die andere optische Faser 27 ist zu Testzwecken angeordnet und ist an ihrem äusseren Ende an eine Lichtquelle 28 verbunden wie einer LED (Light Emitting Diode).

[0032] Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Zylinder mit zwei Verbrennungssensoren 23 versehen, wobei jeder die beiden besagten optischen Fasern 26, 27 aufweist, mit dazugehörigen Komponenten. Der Doppelsensor 23 dient als Backup-Sensor, in dem Falle, dass der andere Sensor ausfällt, und im Weiteren ermöglichen die Doppelsensoren ebenfalls dem Detektionssystem ein Selbsttestsystem zu sein, welches die korrekte Funktion des Systems verifiziert. Bei normalem Betrieb ist das System im Messmodus, wo jeder Sensor individuell arbeitet und Signale der detektierten Zündung an die elektronische Steuereinheit 21 liefert. Die elektronische Steuereinheit 21 kann zwei Signale vergleichen, welche weitgehend identisch sein sollten, und falls die Signale mit mehr als einem vorgegebenen Grenzwert voneinander abweichen, kann die elektronische Steuereinheit 21 das Selbstkontrollprozedere auslösen.

[0033] Auf Aktivierung des Selbstkontrollprozederes wird die Funktion der Verbrennungssensoren während demjenigen Teil des Verbrennungszyklus überprüft, wo keine Verbrennung stattfindet. Die Prüfung kann zum Beispiel während dem Kompressionstakt des Kolbens ausgeführt werden. Ein bevorzugtes Prüfprozedere ist das folgende: <tb>A)<sep>Lichtquelle 28 in einem der Sensoren ist aktiviert, um Licht zu emittieren, welches durch die optische Faser 27 verläuft und in die Verbrennungskammer gelangt, wo der andere der Sensoren das Licht detektiert, um anzuzeigen, dass sowohl die Lichtquelle wie auch der andere Sensor korrekt arbeiten. <tb>B)<sep>Lichtquelle 28 im andern der Sensoren wird aktiviert, um Licht zu emittieren, welches durch die optische Faser 27 verläuft und in die Verbrennungskammer gelangt, wo der eine der Sensoren das Licht detektiert, um anzuzeigen, dass sowohl die Lichtquelle wie auch der eine Sensor korrekt arbeiten. <tb>C)<sep>Die detektierten Signale von A) und B) werden in der elektronischen Steuereinheit 21 verglichen, und falls die Abweichung zwischen den Signalen unterhalb eines Grenzwertes liegt, wird das korrekte Funktionieren beider Sensoren akzeptiert und der normale Betrieb fortgeführt. Falls die Abweichung oberhalb des Grenzwertes liegt, werden die detektierten Werte mit Standardwerten verglichen, und einer der Sensoren wird als normalfunktionierend akzeptiert und der andere deaktiviert, und ein Fehlersignal wird an einen Operator abgegeben.

[0034] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsvariante ist dasjenige Ende der optischen Faser 26, welches gegen die Verbrennungskammer gerichtet ist, derart ausgebildet, dass das Ende mindestens eine planare Endfläche 31 aufweist, welche einen Winkel α mit der Längsachse der optischen Faser (5) einschliesst. Der Winkel α beeinflusst die Richtung β, von welcher die optische Faser Licht detektieren kann. Linie 32 in Fig. 5 illustriert das empfangene Licht, und die Darstellung zeigt, wie das Licht in die optische Faser eingeführt wird und am Übergang zwischen dem Fasermaterial und der Beschichtung 33 an der Faser reflektiert wird. Der Einfluss des Winkels α ist detaillierter in Fig. 6 dargestellt. Auf der linken Seite von Fig. 6ist die Endoberfläche mit einem Winkel α = 60° ausgebildet, und die optische Faser kann Licht im Winkel 34 detektieren, dargestellt durch das dunkle Band. In der Mitte von Fig. 6 zeigt die Darstellung, dass eine optische Faser mit einer Endoberfläche mit einem Winkel α = 45° in der Lage ist, Licht in den Sektoren 35, 35 ́ und 35 ́ ́ zu detektieren, überstreichend mehr als 180°, währenddem die Illustration auf der rechten Seite von Fig. 6 zeigt, dass, wenn die Endoberfläche einen Winkel von α = 35° aufweist, die optische Faser nur Licht in dem schmalen Winkelsektor 36 detektieren kann. Der Winkel α = 45° ist bevorzugt.

[0035] Die Zündungsverzögerung wird bestimmt als die Dauer zwischen dem Start der Einspritzung und dem Start der Zündung. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Zündverzögerung verwendet, um die Injektoren 14 mit Brennstoff niedriger Qualität zu versorgen, um die gewünschte Motorantriebsleistung bei niedrigen Kosten zu erzielen. Das Anpassen der Brennstoffqualität wird durch Mischen von mindestens zwei verschiedenen Brennstoffen in einer Brennstoffmischung erreicht, welche einerseits den Anforderungen des Motors genügt, aber andererseits die niedrigsten günstigen Kosten aufweist.

[0036] Ein Beispiel von einem Brennstoffsystem, ausgelegt für die Verwendung mit Schwerölbrennstoffen, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Verwendung von Schweröl erfordert gewisse Bedingungen für das Schwerölsystem, da Schwerölbrennstoff typischerweise nicht flüssig ist bei Raumtemperatur. Um in der Lage zu sein, Schweröl zu pumpen, muss dieses auf eine Temperatur erhitzt werden, welche deutlich über Raumtemperatur liegt, wie eine Temperatur von ungefähr 70 °C bis 80 °C. Es ist weiter erforderlich, dass das erhitzte Schweröl durch das Schwerölsystem in Mengen zirkuliert werden kann, welche grösser sind als der Verbrauch, sodass die Zirkulation des erhitzten Öls alle Teile im System auf einer ausreichend erhöhten Temperatur hält, um Blocken infolge schlechter Fliessfähigkeit zu verhindern. Weiter muss das System mit der Möglichkeit ausgelegt sein, alle empfindlichen Teile von Schweröl zu reinigen, was typischerweise erfolgt durch Wechseln des Betriebes von Schweröl zu Marinedieselöl (ISO 8217) oder ähnlichem Öl bevor der Motor gestoppt wird. Das Brennstoffölsystem hat einen Dieselöltank (37), der auf Standby während dem kontinuierlichen Motorbetriebe gehalten wird, indem ein Ventil 38 in einer Position gehalten ist, welches den Tank 37 vom Schwerölsystem trennt. Der Tank kann mit Öl durch eine Leitung 38 gefüllt werden und belüftet durch eine Entlüftung 40.

[0037] Eine erste Quelle vom ersten Brennstoff ist in Form von einem Tank 41 bereitgestellt, in welchem ein erstes Schweröl gelagert ist, welches in den Tank durch eine Leitung 42 eingefüllt wird. Eine zweite Quelle eines Brennstoffkonditionierers ist in Form von einem Tank 43 vorhanden, in welchem ein zweites Schweröl enthalten sein kann, eingefüllt in den Tank durch ein Rohr 44. Entlüftung 40 entlüftet die Tanks. Während Normalbetrieb des Motors ist das Ventil 47 in einer Stellung eingestellt, bei welcher ein Auslassrohr 49 vom Tank 41 in Fliessverbindung ist mit einem ersten Satz von Brennstoffpumpen 48, wie mittels Pfeil B angegeben, und der Zugang zum Tank 37 ist blockiert. Während Normalbetrieb des Motors wird Ventil 38 in einer Position eingestellt, bei welcher ein Auslassrohr 45 vom Tank 43 in Fliessverbindung ist mit einem zweiten Satz an Brennstoffpumpen 46, wie durch Pfeil A angegeben, und der Zugang zum Tank 37 ist blockiert.

[0038] Der erste Brennstoff wird durch den ersten Satz an Brennstoffpumpen 48 verdichtet und kann via einen Filter 51 zu einer Brennstoffmischeinheit 52 über eine Leitung 53 fliessen, versehen mit einem Kontrollventil, welches nur Durchfluss in Richtung der Mischeinheit 52 erlaubt. Der Brennstoffkonditionierer wird durch den zweiten Satz an Brennstoffpumpen 46 verdichtet und kann über einen Filter 54 zur Brennstoffmischeinheit 52 über eine Leitung 55 fliessen.

[0039] Die Brennstoffmischeinheit 52 mischt die Brennstoffe, zugeführt von den Tanks 41 und 43, in eine Brennstoffmischung, welche über eine Leitung 56 zu einem dritten Satz an Brennstoffpumpen 57 geliefert wird, welche die Brennstoffmischung zum erforderlichen Druck beim Einführen in die Brennstoffdosiereinrichtung 10 komprimieren. Das Brennstoffsystem weist vorzugsweise eine Brennstoffheizeinheit 58 auf und einen zusätzlichen Brennstofffilter 59 nachfolgend dem dritten Satz an Brennstoffpumpen.

[0040] Die Rückführleitung 17 ist mit einem Druckregulierventil 60 in der Brennstoffzufuhrleitung 11 verbunden und mit einer Entlüftungseinrichtung 61, welche über eine Leitung 62 mit der Leitung 56 verbunden ist, um die Rückführung der Brennstoffmischung in das Brennstoffzuführrohr 11 und die Brennstoffrückführleitung 17 zu ermöglichen. Die Rezyklisierung stellt sicher, dass eine Änderung in der Zusammensetzung der Brennstoffmischung rasch zu den Schwerölverbrauchspunkten zirkuliert wird, wo Leitungen 12 mit der Brennstoffmischung versehen werden.

[0041] Die Brennstoffmischung 52 wird von der elektronischen Steuereinheit 21 gesteuert, welche das Mischverhältnis der Brennstoffe einstellt, erhalten von den Tanks 41 und 43. Die elektronische Steuereinheit wird kontinuierlich über die augenblickliche Zündverzögerung durch die oben beschriebene Bestimmung der Dauer zwischen dem Start der Injektion und dem Start der Zündung aktualisiert. Diese Zündverzögerung kann von Sensoren erhalten werden, welche nur auf einem einzigen Zylinder im Motor angeordnet sind oder von Sensoren angeordnet auf mehreren oder allen Zylindern im Motor.

[0042] Falls die Betriebsbedingungen oder die Brennstoffzusammensetzung ändert, sodass die Zündverzögerung kürzer wird, kompensiert die elektronische Steuereinheit diese Änderung durch Ändern des Mischverhältnisses in der Brennstoffmischung, sodass das Verhältnis von weniger entzündbarem (und damit schlechterem und billigerem) Brennstoff erhöht wird. Die Wirkung einer derartigen Erhöhung ist die Abnahme der Zündbarkeit der Brennstoffmischung und dadurch ein Anstieg der Zündverzögerung. Für spezielle Motoren kann die vorbestimmte minimale Zündverzögerung in der elektronischen Steuereinheit abgespeichert sein. Die vorbestimmte Zündverzögerung ist von der Motorgeschwindigkeit abhängig. Generell ist bei einer niedrigeren Motorgeschwindigkeit eine längere Zündverzögerung akzeptierbar. Für einen Zweitakt-Motor mit einer Motorgeschwindigkeit von ungefähr 80 U/min bei 100% Motorleistung (im vorliegenden Kontext bezieht sich die Motorgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit bei 100% Motorlast) ist der vorbestimmte Wert für Zündverzögerung vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 3.5 bis 3.9 ms gesetzt.

[0043] Die elektronische Steuereinheit kann zusätzlich zum vorbestimmten Wert für Zündverzögerung ebenfalls mit einer maximalen Grenze für Zündverzögerung versehen sein. Dieser Grenzwert kann so gewählt werden, dass einwandfreie Zündung sichergestellt ist, möglicherweise versehen mit einer Sicherheitsmarge, basierend auf Erfahrung beim Betrieb mit einem Motor des aktuellen Typs. Für einen Zweitakt-Motor mit einer Motorgeschwindigkeit von ungefähr 70 U/min wird der maximale Grenzwert für Zündverzögerung vorzugsweise bei ungefähr 4.0 ms festgelegt.

[0044] Falls normaler Motorbetrieb zu beenden ist und der Motor gestoppt wird, kann das Brennstoffsystem in Betrieb auf Dieselöl aus Tank 37 geändert werden, durch Einstellen der Ventile 38 und 47 in eine Offen-Stellung für das Verbinden von Tank 37 zu den Brennstoffpumpen 46 und 48 und Schliessen der Ventile in den Auslassleitungen 45 und 49.

[0045] Andere Brennstoffe als Schwerölbrennstoffe sind natürlich möglich. Der Brennstoffkonditionierer kann zum Beispiel ein biogenerierter Brennstoff sein, wie Ethanol, und der erste Brennstoff kann ein Brennstoff sehr schlechter Qualität sein, wie Brennstoffe enthaltend Teer oder Asphalt. Eine grosse Anzahl anderer Brennstoffe sind ebenfalls möglich, namentlich wenn der Motor im Betrieb ist, da die Brennstoffmischung zur Mischung angepasst wird, die gerade in der Lage ist, die gewünschten Zündeigenschaften zu ermöglichen, ohne Brennstoffe von zu hoher Qualität zu verwenden.

[0046] Es ist natürlich möglich, mehr als zwei Arten von Brennstoffen zu verwenden wie drei, vier, fünf oder mehr Arten von Brennstoffen, welche in individuellen Brennstofftanks gelagert sind und an die Brennstoffmischeinheit über separate Pumpen und Leitungen zugeführt werden.

[0047] Die Zündbarkeit der individuellen Brennstoffe kann durch den kalkulierten Carbon-Aromatic-Index-Wert (Calculated Carbon Aromatic Index – CCAI) angegeben werden. Dieser Wert ist abhängig von der Viskosität und Dichte des Brennstofföls. Der CCAI-Wert wird durch die Verwendung der nachfolgenden Formel errechnet: CCAI = D-81-141 Log10Log10 (Vk + 0.85) – 483 Log10 ((T + 273)/323) wobei Vk = Kinematische Viscosität (mm<2>/s) bei Temperatur T °C, D = Dichte kg/m<3>bei 15 °C ist.

[0048] Es wird bevorzugt, dass der erste Brennstoff einen CCIA-Wert aufweist, welcher höher ist als derjenige des Brennstoffkonditionierers, sodass der Brennstoff derart gemischt wird, dass ein Maximum des Brennstoffes mit einem hohen CCIA-Wert verbraucht wird.

[0049] Gemäss einer Ausführungsvariante erfolgt das Messen der Zündverzögerung nur an einem einzigen individuellen Zylinder. Diese Ausführungsvariante ist leicht zu implementieren, da nur der eine Zylinder mit dem Verbrennungssensor zu versehen ist und möglicherweise einem Sensor für die Detektion des Beginns der Brennstoffeinspritzung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind mehrere Zylinder, wie alle Zylinder, an einem Motor ausgerüstet, um die Messung der Zündverzögerung auszuführen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Motors, da ein Fehlzustand im einen Zylinder detektiert werden kann, wenn mehrere Zylinder die Messung der Zündverzögerung ausführen können.

[0050] Anpassung ist innerhalb des Schutzbereiches der Ansprüche möglich, und es ist im Wesentlichen möglich, Details von den beschriebenen Ausführungsvarianten in neue Ausführungen zu kombinieren.

Claims (10)

1. Ein kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor wie ein Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotor oder ein Viertakt-Dieselmotor, aufweisend Zylinder versehen mit Brennstoffinjektoren, für das direkte Einspritzen von Brennstoff in die Verbrennungskammern in den Zylindern, Verbrennungssensoren für das Detektieren der Verbrennung des Brennstoffes in den Zylindern und mindestens eine elektronische Steuereinheit, welche Signale von den Verbrennungssensoren empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffmischeinheit mit mindestens einer ersten Quelle von einem ersten Brennstoff und einer zweiten Quelle von einem Brennstoffkonditionierer verbunden ist, dass basierend auf einem detektierten Beginn der Zündung des Brennstoffes im individuellen Zylinder verglichen mit dem Beginn der Brennstoffeinspritzung in besagtem Zylinder die mindestens eine elektronische Steuereinheit das Mischverhältnis vom ersten Brennstoff und vom Brennstoffkonditionierer in der Brennstoffmischung steuert, welche durch die Mischeinheit zu den Brennstoffinjektoren zugeführt wird, sodass die Zündbarkeit der Brennstoffmischung reduziert wird, wenn die Zündverzögerung einem vorbestimmten Wert für Zündverzögerung entspricht.

2. Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff ein Brennstoff von niedrigerer Qualität ist als der Brennstoffkonditionierer, welcher ein Brennstoff von besserer Qualität ist als der erste Brennstoff.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff einen CCAI-Wert aufweist, welcher höher ist als der CCAI-Wert des Brennstoffkonditionierers.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff und der Brennstoffkonditionierer Schwerölbrennstoffprodukte sind.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrauch an Brennstoffkonditionierer minimiert wird, durch Festlegen des vorbestimmten Wertes für Zündverzögerung nahe einem vorgegebenen maximalen Grenzwert für Zündverzögerung.

6. Verbrennungs-Dieselmotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei 100% Motorlast das Mischverhältnis derart ist, dass nur der erste Brennstoff zu den Brennstoffinjektoren zugeführt wird.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei 100% Motorlast die Motorgeschwindigkeit in einem Bereich liegt von 45 U/min bis 175 U/min.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff ein Schwerölbrennstoff ist und der Brennstoffkonditionierer Wasser.

9. Verfahren zum Mischen einer Brennstoffmischung, welche mittels Brennstoffinjektoren direkt in die Verbrennungskammern in Zylinder von einem kompressionsgezündeten Verbrennungsmotor eingespritzt werden, wie einem Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotor oder einem Viertakt-Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf einem erfassten Beginn der Zündung des Brennstoffes im individuellen Zylinder verglichen mit dem Beginn der Brennstoffeinspritzung in besagten Zylinder das Mischverhältnis von mindestens einem ersten Brennstoff und einem Brennstoffkonditionierer in der Brennstoffmischung, welche den Brennstoffinjektoren zugeführt wird, angepasst wird, um die Zündverzögerung der Brennstoffmischung länger zu halten als ein vorgegebener Wert für Zündverzögerung.

10. Verfahren zum Mischen einer Brennstoffmischung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischverhältnis derart adjustiert wird, um die Motorbetriebsbedingungen so zu variieren, dass der Verbrauch vom ersten Brennstoff minimal ist.