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Gebiet
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Die
vorliegende Anmeldung betrifft ein System und Verfahren zum Verbessern
von Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei Motoren, die einen gasförmigen Kraftstoff
verbrennen.
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Hintergrund und Kurzdarstellung
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Mit
Gas betriebene Fahrzeuge können
Kraftstoff in druckbeaufschlagten Tanks (zum Beispiel aus Kohlenstofffaser)
bei Maximaldrücken
von in etwa 350 bis 700 Bar speichern. In dem verdichteten Gas kann
bei diesen hohen Drücken
erhebliche Energie gespeichert werden, und diese Energie kann verloren
gehen, wenn der Druck auf den Bereich von 5–10 Bar von Motoren mit Kanalkraftstoffeinspritzung
oder den Bereich von 50–150
Bar von Direkteinspritzmotoren heruntergedrosselt wird.
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Ein
Vorgehen, das auf das Rückgewinnen zumindest
eines Teils der verdichteten Gasenergie gerichtet ist, wird in
US-Patent 5,941,210 beschrieben.
Das offenbarte Vorgehen verwendet einen Turbolader, der durch den
verdichteten Gasstrom betrieben wird, um während des Regelprozesses, wenn gasförmiger Kraftstoff
reduziert wird, um einem Direkteinspritzmotor Kraftstoff zu liefern,
Expansionsenergie zurückzugewinnen.
Es beschreibt auch die Einspritzung bei veränderlichen Kraftstoffdrücken ohne
Regelung, wobei ein Steuermittel auf Änderungen im Druck der Kraftstoffzufuhranlage
reagiert. Diesbezüglich
wird in der Kraftstoffzufuhranlage eine Druckmessvorrichtung vorgesehen.
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Die
vorliegenden Erfinder haben aber erkannt, dass in manchen Fällen ein
solches System aufgrund des Hinzufügens des Turboladers und zugehöriger Einrichtungen
die Kosten und/oder Komplexität
der Kraftstoffzufuhranlage steigern kann, was den Betrieb im Fall
einer Verschlechterung des Turboladers und/oder der zugehörigen Einrichtungen weiter
komplizieren kann. Dies kann die Fähigkeit zum präzisen Regeln
von Kraftstoffdruck und/oder zum Rückgewinnen der Energie verdichteten
Gases mindern. Wenn weiterhin auf Druckmessungen zum Reagieren auf Änderungen
des Kraftstoffdrucks gesetzt wird, können durch Betätigung der
Einspritzventile hervorgerufene Schwankungen des Kraftstoffdrucks
Fehler bei der Kraftstoffzufuhr erzeugen, was wiederum die Fähigkeit
zum präzisen
Regeln von Kraftstoffdruck mindert. Ein solcher verschlechterter
Betrieb kann insbesondere unter stark schwankenden Tankdrücken vorherrschen,
die bei dem Versuch auftreten, Energie verdichteten Gases in der Kraftstoffanlage
zurückzugewinnen.
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Um
mindestens einige der obigen Punkte anzugehen, können verschiedene Verfahren
vorgesehen werden. In einer Ausführung
kann ein Verfahren umfassen: direktes Einspritzen von Kraftstoff
von dem Einspritzventil in den Brennraum bei einem veränderlichen
Zufuhrdruck, der sinkt, wenn der Kraftstofftankdruck sinkt; und
Verstellen mindestens eines von Einspritzsteuerzeit und Einspritzdauer
als Reaktion auf mindestens den veränderlichen Druck sowie Informationen
von dem Abgassauerstoffsensor. In einem Beispiel kann das Einspritzventil
ein Einspritzventil piezoelektrischer Art mit ausreichend schneller Ansprechzeit
sein, um einen Ausgleich bei einem stark variierenden Kraftstoffdruck
zu ermöglichen, wodurch
Druckverlust aufgrund von Regelung gemindert wird. Weiterhin können die
Steuerzeiten der Einspritzung später
im Verdichtungstakt und im Arbeitstakt liegen (während Bedingungen mit geschlossenem
Einlass- und Auslassventil), um eine Rückgewinnung der Energie verdichteten
Gases zu ermöglichen.
Natürlich
können
auch zusätzliche
Einspritzungen während
des Zyklus und andere Bauarten von schnell ansprechenden Einspritzventilen
verwendet werden.
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Das
obige Vorgehen kann verschiedene Vorteile haben. Durch Verstellen
der Einspritzsteuerung als Reaktion sowohl auf veränderlichen
Kraftstoffdruck als auch Rückmeldung
von einem Abgassauerstoffsensor kann es zum Beispiel möglich sein,
die Zufuhr gasförmigen
Kraftstoffs über
einem breit schwankenden Kraftstoffdruckbereich präzis zu steuern,
selbst bei über
dem Motordrehzahl- und Motorlastbereich breit schwankenden Kraftstoffzufuhrmengen
und -zeiten. Auf diese Weise kann verdichtete Energie in dem gespeicherten
Kraftstoff in dem Zylinder zurückgewonnen
werden, während
immer noch eine annehmbare Kraftstoffsteuerung aufrechterhalten
wird.
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Zu
beachten ist, dass das obige Vorgehen ohne Druckregelung verwendet
werden kann, auch wenn es bei Systemen, die mindestens eine Form von
Druckregelung in der Kraftstoffanlage aufweisen, die eine veränderliche
Druckregelung umfassen kann, anwendbar ist, wenn nicht gar besser
anwendbar ist. Unter Motorbetriebsbedingungen reduzierter Einspritzventilpulsbreite
kann zum Beispiel vermehrte Druckregelung verwendet werden, wogegen
während
Bedingungen vergrößerter Einspritzventilpulsbreite
eine reduzierte Druckregelung verwendet werden kann, wodurch wenn
möglich
eine präzise
Steuerung und eine verbesserte Rückgewinnung
von Energie verdichteten Gases ermöglicht werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines
Motors, der gasförmigen
Kraftstoff verbrennt.
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer ersten beispielhaften Ausführung eines
Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage.
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer zweiten beispielhaften Ausführung eines
Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage.
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4 ist
ein schematisches Diagramm einer dritten beispielhaften Ausführung eines
Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage.
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5 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Änderung der Druckregelung bei
beispielhaften Betriebsbedingungen zeigt.
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6 ist
ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführung eines Verfahrens zum
Steuern von Kraftstoffeinspritzung basierend auf der Motorbetriebsbedingung
und dem Kraftstofftankdruck.
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7 ist
ein Flussdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführung eines
Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung basierend auf
Motorbetriebsbedingungen und Kraftstoffdruck.
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8 zeigt
die Beziehung zwischen Zylinderdruck und Zylindervolumen, wobei
es die thermodynamischen Wirkungen der Einspritzsteuerzeiten veranschaulicht.
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Eingehende Beschreibung
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1 zeigt
im Allgemeinen bei 10 eine beispielhafte Ausführung eines
Zylinders eines Mehrzylindermotors, mit diesem Zylinder verbundene
Ein- und Auslasswege und eine beispielhafte Ausführung einer Nockenwelle mit
einem Mechanismus zur veränderlichen
Zeitsteuerung zum Steuern der Ventile des Zylinders. Es versteht
sich, dass die Auslegung des Motors 10 lediglich beispielhaft
ist und dass hierin beschriebene Systeme und Verfahren in jedem
anderen geeigneten Motor umgesetzt werden können. Weiterhin kann der Motor
mittels einer Zündkerze, die
in dem (nicht dargestellten) Zylinder angeordnet ist, fremdgezündet werden,
wobei deren Steuerzeiten mit den Betriebsbedingungen verändert werden können.
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Weiter
mit 1 wird der Motor 10 durch ein elektronisches
Motorsteuergerät 12 gesteuert.
Ein Brennraum oder Zylinder 14 des Motors 10 wird
mit Brennraumwänden 16 mit
einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 20 verbundenen
Kolben 18 gezeigt. Der Brennraum 14 wird mit einem
Ansaugkrümmer 22 und
einem Abgaskrümmer 24 hinter
einem Einlassventil 26 und Auslassventil 28 in
Verbindung stehend gezeigt. Ein Einspritzventil 30 ist
mittels eines herkömmlichen
elektronischen Treibers 68 mit dem Brennraum 14 zum
Zuführen
von eingespritztem Kraftstoff direkt dorthinein proportional zu dem
vom Steuergerät 12 empfangenen
Pulsbreitensignal (fpw) verbunden. Durch eine (nicht dargestellte)
Gaskraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen
und ein Verteilerrohr umfasst, wird dem Einspritzventil 30 Kraftstoff
zugeführt.
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Der
Ansaugkrümmer 22 wird
mit einem Drosselklappengehäuse 32 in
Verbindung stehend gezeigt, die eine Drosselklappe 34 umfasst.
In diesem bestimmten Beispiel ist die Drosselklappe 34 mit
einem Elektromotor 36 verbunden, so dass die Stellung der
Drosselklappe 34 mittels des Elektromotors 36 durch
das Steuergerät 12 gesteuert
wird. In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführung wird
auf das Drosselklappengehäuse 32 und
die Drosselklappe 34 verzichtet.
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Ein
Abgassensor 38 wird mit dem Abgaskrümmer 24 stromaufwärts einer
Nachbehandlungsvorrichtung 40 verbunden gezeigt. Die Nachbehandlungsvorrichtung 40 kann
jede geeignete Art von Vorrichtung zum Reduzieren von Emissionen
des Motors 10 umfassen. Beispiele umfassen Dreiwege- und
Vierwegekatalysatoren, Partikelfilter, Mager-NOx-Filter etc., sind
aber nicht hierauf beschränkt.
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In 1 wird
das Steuergerät 12 als
herkömmlicher
Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: eine Mikroprozessoreinrichtung 60,
Input/Output-Ports 62, ein elektronisches Speichermedium
für ausführbare Programme
und Kalibrierungswerte (in diesem besonderen Beispiel als Festwertspeicherchip 64 gezeigt),
einen Arbeitsspeicher 66, einen batteriestromgestützten Speicher 69 und
einen herkömmlichen
Datenbus. Das Steuergerät 12 wird
gezeigt, wie es neben den zuvor beschriebenen Signalen von mit dem
Motor 10 gekoppelten Sensoren verschiedene Signale empfängt, darunter
Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF) von einem Luftmengenmesser 70,
der mit dem Drosselklappengehäuse 32 verbunden
ist; Motorkühlmitteltemperatur
(ECT) von einem mit einem Kühlmantel 74 verbundenen Temperaturfühler 72;
ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal
(PIP) von einem mit der Kurbelwelle 20 verbundenen Hallgeber 76;
eine Drosselklappenstellung TP von einem Drosselklappenstellungssensor 78 und
ein Krümmerdrucksignal
(MAP) von einem Sensor 71.
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Der
Motor 10 kann so ausgelegt sein, dass er die Fähigkeit
zur veränderlichen
Zeitsteuerung von Einlassventilen und Auslassventilen hat. Zum Beispiel
kann der Motor elektromechanisch betätigte Ventile umfassen, die
von dem Steuergerät 12 gesteuert
werden. Alternativ kann der Motor 10, wie in der dargestellten
Ausführung
gezeigt wird, einen Mechanismus zum mechanischen Verändern der
Ein- und/oder Auslassventilsteuerzeiten, zum Beispiel zur Verstellen
der Steuerzeiten einer Nockenwelle, umfassen. In der dargestellten
Ausführung
wird die Nockenwelle 90 des Motors 10 mit Kipphebeln 52 und 54 zum
Betätigen
des Einlassventils 26 und Auslassventils 28 in
Verbindung stehend gezeigt. Die Nockenwelle 90 ist direkt
mit einem Gehäuse 56 verbunden.
Das Gehäuse 56 bildet
ein Zahnrad mit mehreren Zähnen 58.
Das Gehäuse 56 ist
mit einem (nicht dargestellten) inneren Antriebselement hydraulisch verbunden,
das wiederum direkt mittels einer (nicht dargestellten) Steuerkette
mit der Kurbelwelle 20 verbunden ist. Daher drehen das
Gehäuse 56 und
die Nockenwelle 90 bei einer Geschwindigkeit, die im Wesentlichen
gleich dem inneren Antriebselement ist. Das innere Antriebselement
dreht bei einem konstanten Drehzahlverhältnis zur Kurbelwelle 20.
Durch Betätigung
der hydraulischen Kupplung kann aber, wie später hierin beschrieben wird,
die relative Position der Nockenwelle 90 zur Kurbelwelle 20 durch Steuerung
von Hydraulikdrücken
in der Frühverstellkammer 100 und
der Spätverstellkammer 102 verändert werden.
Zum Beispiel wird durch Eindringenlassen von Hydraulikfluid hohen
Drucks in die Frühverstellkammer 100,
während
man Fluid aus der Spätverstellkammer 102 austreten
lässt,
die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 90 und
der Kurbelwelle 20 auf früh verstellt. Somit öffnen und
schließen
das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 zu einem
früheren
Zeitpunkt als normal im Verhältnis
zur Kurbelwelle 20. Indem man Hydraulikfluid hohen Drucks
in die Spätverstellkammer 102 eindringen lässt, während man
Fluid aus der Frühverstellkammer 100 austreten
lässt,
wird analog die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 90 und
der Kurbelwelle 20 auf spät verstellt. Somit öffnen und schließen das
Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 zu einem
späteren
Zeitpunkt als normal im Verhältnis
zur Kurbelwelle 40.
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Die
Zähne 58,
die mit dem Gehäuse 56 und der
Nockenwelle 90 verbunden sind, ermöglichen eine Messung der relativen
Nockenstellung mittels eines Nockensteuerungssensors 104,
der dem Steuergerät 12 ein
veränderliches
Nockenwellensteuerzeitensignal (VCT, vom engl. Variable Camshaft
Timing) liefert. In der dargestellten Ausführung sind vier Zähne (mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet)
zur Messung von Nockenwellensteuerzeiten vorgesehen und sind gleichmäßig beabstandet
(zum Beispiel 90 Grad voneinander entfernt), während ein Zahn 5 bei
einem anderen Abstand für
Zylinderidentifizierung verwendet werden kann. Zudem sendet das
Steuergerät 12 Steuersignale
zu herkömmlichen
(nicht dargestellten) Solenoidventilen, um das Strömen von
Hydraulikfluid entweder in die Frühverstellkammer 100,
die Spätverstellkammer 102 oder
in keine zu steuern.
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Es
versteht sich, dass 1 lediglich einen Zylinder eines
Mehrzylindermotors zeigt und dass jeder Zylinder seinen eigenen
Satz an Einlass-/Auslassventilen, Einspritzventilen etc. aufweist.
Ferner versteht sich, dass der dargestellte Motor 10 nur
beispielshalber gezeigt wird und dass die hierin beschriebenen Systeme
und Verfahren in jedem anderen geeigneten Motor mit geeigneten Bauteilen und/oder
einer geeigneten Anordnung von Bauteilen umgesetzt oder angewendet
werden können.
Zum Beispiel können
das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 elektromechanisch
betätigt
werden, und auf die Nockenwelle 90 (und verschiedene zugehörige Teile)
kann verzichtet werden. Analog können
separate Nockenwellen verwendet werden, um das Öffnen des Einlassventils 26 und
des Auslassventils 28 zu steuern. Wenn jedes Ventil durch
eine separate Nockenwelle betrieben wird, kann jede Nockenwelle einen
Mechanismus für
veränderliche
Steuerzeiten umfassen, wie er zum Beispiel in 1 für Nockenwelle 90 gezeigt
wird, um mittels eines Systems für eine
veränderliche Nockensteuerung
ein Verändern der
Steuerzeiten des Auslassventils unabhängig von den Steuerzeiten des
Einlassventils und umgekehrt zu ermöglichen.
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Zu
beachten ist, dass die hierin nachstehend enthaltenen Steuer- und
Schätzroutinen
mit verschiedenen Motorkonfigurationen, wie sie beispielsweise vorstehend
beschrieben wurden, verwendet werden können. Die hierin beschriebene
spezifische Routine kann eine oder mehrere einer Reihe von Verarbeitungsstrategien
darstellen, beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert,
Multitasking, Multithreading und dergleichen. Daher können verschiedene
gezeigte Schritte, Betriebe oder Funktionen in der gezeigten Abfolge
oder parallel ausgeführt
oder in manchen Fällen
ausgelassen werden. Analog ist die Reihenfolge der Verarbeitung
nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier
beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, wird
aber zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen.
Einer oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von
der jeweils eingesetzten Strategie wiederholt ausgeführt werden.
Weiterhin können
die beschriebenen Schritte einen in ein maschinenlesbares Speichermedium
in dem Steuergerät 12 einzuprogrammierenden
Code graphisch darstellen.
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer ersten beispielhaften Ausführung eines
Einspritzventils und der Kraftstoffzufuhranlage. In der dargestellten
Ausführung
kann der Gaskraftstofftank 222 direkt ohne Druckregelung
mit dem Einspritzventil 228 verbunden sein. Der Tank 222 kann
in einem Beispiel ein Kohlenstofffasertank hoher Festigkeit sein.
Der Tank kann gasförmigen
Kraftstoff bei dem Druckbereich von zum Beispiel 350–700 Bar
speichern. In einer Ausführung
kann der gasförmige
Kraftstoff in etwa 10 Kilogramm Wasserstoff enthalten und einen
Anfangsdruck von 700 Bar haben. In einer anderen Ausführung kann
der dem Einspritzventil 228 gelieferte Druck oder der Verteilerrohrdruck
in dem Bereich von 10 bis 700 Bar liegen.
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Das
Einspritzventil 228 kann ein schnell ansprechendes Einspritzventil
umfassen. Das Einspritzventil kann zum Beispiel eine piezoelektrische oder
magnetorestriktive Betätigung
umfassen, die zu einem schnellen Ansprechen und einer flexiblen
Einspritzung mit mehreren Ereignissen über breiten Ström und Druckbereichen
führen
kann. In einem Beispiel kann ein Einspritzventil zwischen 1 und
16 mg pro Einspritzung innerhalb eines Kurbelfensters von 40 Grad
bei bis zu 700 U/min. bei einem Druck von 10 bis 700 Bar liefern.
Es versteht sich, dass alle geeigneten Einspritzventile mit vorhersagbarem
Verhalten über
einem breiten Druck- und Pulsbreitenbereich (die in diesem arbeiten
können)
verwendet werden können.
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In
dem Beispiel von 2 betreibt das System das Einspritzventil
im Wesentlichen bei dem Tankdruck, der zusammen mit geeigneter Direkteinspritzsteuerung
eine Rückgewinnung
der verdichteten Energie im Tank mittels Expansion im Zylinder ermöglicht.
Durch Nutzen von Einspritzung bei oder nahe dem oberen Totpunkt
der Kolbenposition im Verdichtungstakt (einem Viertaktzyklus) kann
ein verbesserter Motorwirkungsgrad erreicht werden. Weitere Einzelheiten
der Einspritzsteuerung und Energierückgewinnung werden nachstehend
bezüglich zum
Beispiel 8 näher beschrieben.
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer zweiten beispielhaften Ausführung eines
Einspritzventils und seiner Kraftstoffzufuhranlage. In der dargestellten
Ausführung ähnelt das
System dem in 2 veranschaulichten System,
doch ist ein Variodruckregler 334 vorgesehen. Der Regler 334 kann zwischen
dem Gaskraftstofftank 332 und dem Einspritzventil 338 angeordnet
sein. In einer Ausführung hat
der dem Einspritzventil 338 gelieferte veränderliche
Druck einen Bereich von 10–700
Bar.
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Zu
beachten ist, dass der Variodruckregler 334 mit der Motorsteuereinrichtung,
beispielsweise dem Steuergerät 12,
wie in 1 beschrieben in Verbindung gesetzt werden kann,
so dass dem Einspritzventil 338 beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen
mittels des Steuergeräts 12 ein
Solldruck geliefert werden kann. In einem Beispiel kann der Betrag der
Regelung bzw. der Regelungsdruck als Reaktion auf Kraftstofftankdruck
und Motorbetriebsbedingungen verstellt werden. Die Regelung kann
zum Beispiel mit der Einspritzventilleistung koordiniert werden,
die sich mit Motordrehzahl und zuzuführender Kraftstoffmenge unter
Berücksichtigung
des Tankdrucks verändern
kann. Somit können
bei höheren Tankdrücken eine
höhere
Motordrehzahl und/oder eine geringere Kraftstoffforderung (Einspritzmenge), vermehrte
Druckregelung (z.B. ein niedrigerer geregelter Druck) vorgesehen
werden und umgekehrt. Somit kann bei Verwenden von Kraftstoff aus
dem Tank Druckregelung so weit gesenkt werden, dass im Wesentlichen
keine Regelung vorgesehen wird.
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Ein
solches System kann unter einem breit schwankenden Druck- und Motordrehzahl-/Motorlastbetrieb
wie in 5 nachstehend beschrieben eine verbesserte Nutzung
von verdichteter Energie in dem Kraftstofftank und verbesserte Kraftstoffzufuhrgenauigkeit
ermöglichen.
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4 ist
ein schematisches Diagramm einer dritten beispielhaften Ausführung eines
Einspritzventils und seiner Kraftstoffzufuhranlage. In der dargestellten
Ausführung
kann der Variodruckregler 444 zwischen dem ersten Gaskraftstofftank 442 und
dem Einspritzventil 448 angeordnet sein. Ein zweiter Gaskraftstofftank 446 kann
stromabwärts
des ersten Kraftstofftanks 442 und mit dem Variodruckregler 444 verbunden
angeordnet sein. Ein Rückschlagventil 450 kann
zwischen den Tanks 442 und 446 angeordnet sein.
In einer Ausführung
hat der dem Einspritzventil 448 zugeführte veränderliche Druck einen Bereich
von 10–700
Bar.
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In
manchen Ausführungen
kann ein zweiter Kraftstofftank 446 zunächst im Wesentlichen leer sein.
Wenn dann der reduzierte Verteilerrohrdruck für den Betrieb des Einspritzventils 448 erforderlich
ist, kann das Rückschlagventil 450 geöffnet werden,
um den Druck an dem ersten Kraftstofftank 442 schnell freizusetzen
und den Gaskraftstoff in den zweiten Kraftstofftank 446 zu
füllen.
Der zweite Kraftstofftank 446 kann dann später zum
Zuführen
von Kraftstoff zum Motor, beispielsweise bei niedrigem Verteilerrohrdruckbetrieb,
verwendet werden.
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Unter
Bezug nun auf 5 zeigt diese schematisch eine
Druckregelungsaktivität,
die sich mit Tankdruck und gewünschter
Kraftstoffeinspritzmenge ändert.
Somit kann sich abhängig
von den Motorbetriebsbedingungen der dem Einspritzventil gelieferte
Druck oder der Verteilerrohrdruck ändern. Der Bereich, der verstärkte Druckregelung
nutzen kann, wird als Bereich A bezeichnet, in dem der Tankdruck höher und
die Solleinspritzmenge niedriger ist. Bei Zufuhr von Kraftstoff
zum Motor kann der Tankdruck auf einen Bereich abfallen, der für den Betrieb
des Einspritzventils ohne Regelung geeignet ist. Somit kann weniger
oder keine Druckregelung eingesetzt werden, wie in dem mit Bereich
B bezeichneten Bereich angezeigt ist. Wenn der Tankdruck auf einen bestimmten
Wert abgesenkt wird, beispielsweise 10 Bar, kann der Tank nicht
den gewünschten
Kraftstoff bei einer erwünschten
Strömrate
liefern, was auf den als Bereich C bezeichneten Bereich verweist.
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In
manchen Systemen kann zum Beispiel bei einem hohen Druck des Tanks
(zum Beispiel 700 Bar) das Einspritzventil nicht in der Lage sein,
ein geringes Kraftstoffströmen
(zum Beispiel 1 mg/Einspritzung) präzis zu liefern. Somit kann
der Tankdruck geregelt werden, um eine Sollkraftstoffmenge vorzusehen,
während
immer noch eine gewisse Energierückgewinnung
möglich
wird. Wenn der Tankdruck aber absinkt oder die Einspritzmenge zunimmt,
kann verminderte Regelung vorgesehen werden, wodurch die Energierückgewinnung
verbessert wird.
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Daher
können
in manchen Ausführungen zum
Erhalten einer präzisen
Kraftstoffeinspritzsteuerung mit vermehrter Druckrückgewinnung über einem
breiten Tank- und Motorbetriebsbereich Druckregelungsvorrichtungen,
beispielsweise der Variodruckregler, ein zusätzlicher Kraftstofftank oder
andere geeignete Druckregelungsvorrichtungen wahlweise verwendet
werden. Zum Beispiel können
die in den 3 und 4 beschriebenen
beispielhaften Ausführungen
bei manchen Einstellungen vorteilhaft sein, da sie Druckregelung
vorsehen, die sich an Änderungen
sowohl des Tankdrucks als auch der Motorlast anpasst.
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Unter
Bezug nun auf 6 zeigt diese ein Flussdiagramm
einer Ausführung
eines Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung beruhend
auf den Motorbetriebsbedingungen und dem Kraftstofftankdruck. Die
Routine 600 ermittelt zunächst bei 610 Motorbetriebsbedingungen.
Die Motorbetriebsbedingungen können
Motordrehzahl, Luftdurchsatz, Drehmomentforderung etc. umfassen.
Als Nächstes
ermittelt die Routine bei 620 Tankdruck. Der Tankdruck, die
Motordrehzahl und der Luftdurchsatz können die Kraftstoffmenge bestimmen,
die nach Bedarf in den Brennraum geliefert werden kann.
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Als
Nächstes
ermittelt die Routine bei 630 die Einspritzstartsteuerzeiten
und/oder die Pulsbreite in einem Zyklus beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen
und auf Tankdruck. Wie vorstehend beschrieben kann das Einspritzventil
Betriebsbeschränkungen
aufweisen. Somit kann der dem Einspritzventil gelieferte Tankdruck
oder Verteilerrohrdruck die Zufuhr von Kraftstoff in einen Zylinder
beeinflussen Die Einspritzstartzeit und die Einspritzdauer können aber
verändert
werden, um den erforderlichen Kraftstoff beruhend auf Tankdruck
oder Verteilerrohrdruck bei einer spezifischen Betriebsbedingung
vorzusehen. Es ist zum Beispiel möglich, die geeignete Kraftstoffmenge
pro Zylinder durch eine geeignete Berechnung der Pulsbreitendauer
bei offener Einspritzung durch Einbeziehen von Tabellen der Einspritzventilströmrate bei
verschiedenen Zufuhrdrücken
in dem Motorsteuergerät
einzuspritzen. Alternativ können
andere Vorgehen, wie eine empirische Korrelation zwischen der Einspritzventilströmrate und
dem Zufuhrdruck, verwendet werden.
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In
einem Beispiel werden die Einspritzsteuerzeiten so vorgesehen, dass
sie so spät
wie möglich im
Verdichtungstakt oder Arbeitstakt vor dem Zündereignis enden, um eine vermehrte
Energierückgewinnung
zu ermöglichen.
In manchen Ausführungen kann
die Einspritzung so spät
wie möglich
im Verdichtungstakt oder nahe dem oberen Totpunkt starten, was das
Rückgewinnen
der Einspritzdruckenergie des gasförmigen Kraftstoffs möglich macht.
Daher kann in mancher Ausführung
der Kraftstoffdruck (unter manchen Bedingungen bis zu dem maximalen Tankdruck)
zurückgewonnen
werden.
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Analog
können
die Zündsteuerzeiten
verändert
werden, um die Sollverbrennung bei veränderlichem Tankdruck zu ermöglichen.
Somit können
alternativ oder zusätzlich
in manchen Ausführungen
die Zündsteuerzeiten
basierend auf Betriebsbedingungen und Tankdruck ermittelt werden
Optional können Drosseleinstellungen
verändert
werden, um ein Einspritzventil beruhend auf Betriebsbedingungen
und Tankdruck in seinem Leistungsbereich arbeiten zu lassen.
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Weiter
mit 6 ermittelt die Routine bei 640, ob der
Druck des Kraftstofftanks geregelt werden sollte. Wie vorstehend
beschrieben kann Druckregelung in manchen Ausführungen abhängig von Tankdruck, Motordrehzahl
und/oder Sollkraftstoffmenge verwendet werden.
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Wenn
weiter mit 6 die Antwort auf Schritt 640 Nein
lautet, spritzt die Routine bei 660 Kraftstoff zum Zylinder
ein. Wenn die Antwort auf Schritt 640 Ja lautet, passt
die Routine bei 650 Verteilerrohrdruck auf einen für die aktuellen
Betriebsbedingungen geeigneten Wert an. Dann geht die Routine weiter
zu Schritt 660, was das Einspritzen von Kraftstoff zum Zylinder
umfasst. Als Nächstes
misst die Routine bei 670 die Sauerstoffkonzentration im
Abgas. Die Sauerstoffkonzentration kann durch einen oder mehrere Sauerstoffsensoren
ermittelt werden, was zum Beispiel das Kraftstoff-/Luftverhältnis des
Abgases anzeigen kann.
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Als
Nächstes
passt die Routine bei 680 die Einspritzstartzeit und die
Pulsbreite basierend auf Sauerstoffanteil und/oder gemessenem Kraftstoff-/Luftverhältnis an.
Auf diese Weise kann die Verbrennung bei den Sollbedingungen gesteuert werden,
beispielsweise bei einem mageren, stöchiometrischen oder fetten
Kraftstoff-/Luftverhältnis über einem
breit schwankenden Tankdruck, während
immer noch Verdichtungsenergie aus dem Kraftstofftank zurückgewonnen
wird. Somit ist es durch Nutzen der Verstellung von Einspritzsteuerzeiten und/oder
-dauer als Reaktion auf sowohl den Abgassauerstoffsensor als auch
Betriebsbedingungen der Kraftstoffanlage, beispielsweise Kraftstoffeinspritzdruck,
möglich,
eine präzise
Kraftstoffmengenzufuhr zu erreichen, während auch eine Zufuhr während Bedingungen
ermöglicht
wird, die eine verbesserte Energierückgewinnung im Motor zulassen.
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7 ist
ein Flussdiagramm einer anderen beispielhaften Ausführung eines
Verfahrens zum Steuern von Kraftstoffeinspritzung beruhend auf der Motorbetriebsbedingung
und dem Kraftstofftankdruck. Zunächst
ermittelt die Routine 700 bei 710 Motorbetriebsbedingungen.
Die Motorbetriebsbedingungen können
Motordrehzahl, Luftdurchsatz, Drehmomentforderung etc. umfassen.
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Als
Nächstes
ermittelt die Routine bei 720 den Tankdruck. Der Tankdruck,
die Motordrehzahl und der Luftdurchsatz können die Kraftstoffmenge bestimmen,
die nach Bedarf in den Brennraum geliefert werden kann. Dann ermittelt
die Routine bei 730 die Einspritzstartsteuerzeiten und/oder
die Pulsbreite in einem Zyklus beruhend auf den Motorbetriebsbedingungen
und auf Tankdruck. Als Nächstes
ermittelt die Routine bei 740, ob der Druck aus dem Kraftstofftank
geregelt werden sollte. Wenn die Antwort auf Schritt 740 Nein
lautet, spritzt die Routine bei 760 Kraftstoff zum Zylinder
ein. Wenn die Antwort auf Schritt 740 Ja lautet, verstellt
die Routine bei 750 den Verteilerrohrdruck auf einen für die aktuellen
Betriebsbedingungen geeigneten Wert. Dann geht die Routine weiter
zu Schritt 760, der das Einspritzen von Kraftstoff zum
Zylinder umfasst.
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Als
Nächstes
misst die Routine bei 770 den Druck im Zylinder. Beruhend
auf dem Druck im Zylinder kann die Routine bei 780 den
tatsächlichen
zurückgehaltenen
Kraftstoff aus einer Tabelle von Druck gegen Kraftstoff-/Luftverhältnis ermitteln. Dann
legt die Routine bei 790 Zündsteuerzeiten beruhend auf
verschiedenen Bedingungen wie Motodrehzahl, Kraftstoff-/Luftverhältnis, Umgebungsbedingungen
etc. fest, um eine Sollverbrennung zu erreichen. Als Nächstes misst
die Routine bei 810 die Sauerstoffkonzentration im Abgas.
Die Sauerstoffkonzentration kann zum Beispiel durch einen oder mehrere
Sauerstoffsensoren ermittelt werden, die ein Kraftstoff-/Luftverhältnis des
Abgases anzeigen können.
Somit verstellt die Routine bei 820 die Einspritzstartsteuerzeiten
und die Pulsbreite basierend auf Sauerstoffkonzentration.
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Zu
beachten ist, dass die Routine in anderen als den in den 6 und 7 dargestellten
Abläufen
ausgeführt
werden kann. Ferner können
ein oder mehrere Schritte der Routine übersprungen oder hinzugefügt werden.
In manchen Ausführungen
kann die Routine 700 zum Beispiel die Schritte 790 und 810 überspringen.
Somit werden Verbrennungsinformationen nur von dem Zylinderdrucksensor
erhalten. Alternativ können
in anderen Ausführungen
im Anschluss an Schritt 780 Zündsteuerzeiten ermittelt werden,
um eine Sollverbrennung beruhend auf dem tatsächlichen Kraftstoff im Zylinder
auszuführen. Dann
kann die Routine Schritt 810 überspringen und verstellt somit
die Einspritzstartzeit und die Pulsbreite ohne Informationen aus
der Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas.
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8 zeigt
die Beziehung zwischen Zylinderdruck und Zylindervolumen, was die
thermodynamischen Wirkungen von Einspritzzeitsteuerung veranschaulicht.
Insbesondere veranschaulicht die graphische Darstellung Zylinderdruck
gegen Zylindervolumen bei 1.500 U/min und Stöchiometrie. Weiterhin veranschaulicht
sie den verbesserten Wirkungsgrad (weniger Verdichtungsarbeit erforderlich),
der durch späte
Direkteinspritzung von Kraftstoff bei erhöhten Kraftstoffdrücken, beispielsweise
bei Kraftstofftankdruck, verglichen mit früher Einspritzung bei einem Direkteinspritzmotor
erreicht wird. In diesem speziellen Beispiel erfolgt eine späte Endeinspritzung
43–10 Grad
VOT (vor dem oberen Totpunkt), wogegen eine frühe Einspritzung 123–90 Grad
VOT erfolgt. Verglichen mit Arbeit, die in einem Kanalkraftstoffeinspritzmotor
verrichtet wird, verbessert eine späte Einspritzung den Wirkungsgrad
aufgrund von weniger erforderlicher Verdichtungsarbeit und vermehrt
geleisteter Expansionsarbeit aufgrund von Tankdruckrückgewinnung,
während
eine frühe
Einspritzung den Wirkungsgrad nicht verbessert. Zu beachten ist,
dass dies nur ein Beispiel für
frühe und
späte Einspritzung ist
und eine Änderung
der Steuerzeiten möglich
ist.
-
Die
folgenden Ansprüche
zeigen bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neuartig
und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich
auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder dessen
Entsprechung beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein
oder mehrere solche Elemente einbezogen werden, wobei zwei oder
mehrere solche Elemente weder gefordert noch ausgeschlossen werden.
Andere Kombinationen und Unterkombinationen der Einspritz- und Temperaturverfahren,
Prozesse, Einrichtungen und/oder andere Merkmale, Funktionen, Elemente
und/oder Eigenschaften können
durch Änderung
der vorliegenden Ansprüche
oder durch Vorlage neuer Ansprüche
in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche
Ansprüche, seien
sie nun vom Schutzbereich her breiter, enger, gleich oder anders
gefasst als die ursprünglichen
Ansprüche,
werden ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung
enthalten betrachtet.