DE102013003091A1

DE102013003091A1 - Gasverbrennungsmotorsystem

Info

Publication number: DE102013003091A1
Application number: DE102013003091.9A
Authority: DE
Inventors: Manuel Boog; Wolfgang FIMML
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-08-28
Also published as: WO2014127888A1

Abstract

Bei einem Gasverbrennungsmotorsystem (1), umfassend einen Gasverbrennungsmotor (2), ein Kraftstoffversorgungssystem (3) mit einer Leitungsanordnung (4) zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches zu dem Gasverbrennungsmotor (2) und wenigstens einem Gasdrosselorgan (11) zur Steuerung und/oder Regelung des durch das Kraftstoffversorgungssystem (3) strömenden Volumenstromes an Gas als gasförmigen Kraftstoff, eine Steuer- und/oder Regeleinheit (5) soll die Funktionsfähigkeit eines Gasdrosselorganes (11) zuverlässig mit einem geringen technischen Aufwand auch während des Betriebes des Gasverbrennungsmotors (2) überprüft und überwacht werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kraftstoffversorgungssystem (3) mit wenigstens einem Durchflusssensor (6) und/oder mit wenigstens einem Drucksensor (d1, d2, d3) versehen ist zur Erfassung des durch das Kraftstoffversorgungssystem (3) strömenden Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe, insbesondere ein Druck oder eine Druckdifferenz, zur Überprüfung und/oder Überwachung der Funktionsfähigkeit des wenigstens einen Gasdrossselorganes (11) in Zusammenwirken mit der Steuer- und/oder Regeleinheit (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasverbrennungsmotorsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Gasverbrennungsmotorsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
Gasverbrennungsmotoren, im Allgemeinen als Hubkolben-Gasverbrennungsmotoren ausgebildet, dienen als Verbrennungskraftmaschinen zur Umwandlung von Wärme- bzw. Verbrennungsenergie in mechanische Energie und werden für in stationären Anlagen, z. B. zur Kraftwärmekopplung, oder als mobile Anlagen, z. B. in Schiffen, Lokomotiven oder im Tunnel- und Bergbaubereich, eingesetzt. Hierzu wird in Brennräumen ein Gas als Verbrennungsgas, z. B. Erdgas, Biogas, Grubengas, LNG (liquefied natural gas) oder Wasserstoff, als Kraftstoff verbrannt.
Das Gas wird dabei von einem Kraftstoffversorgungssystem als ein Gas-Luftgemisch durch eine Receiverleitung oder mehrere Receiverleitungen den Brennräumen zugeführt. Hierzu wird von einem Gasspeicher das unter einem hohen Druck stehende Gas durch einen Druckminderer einer Gaszuführleitung zugeführt. Die Gaszuführleitung mündet in ein Gasdrosselorgan und von dem Gasdrosselorgan wird das Gas durch eine Gaszwischenleitung der Receiverleitung zugeführt bzw. eingedüst. Dabei kann das Gas separat für jeden Zylinder durch jeweils eine Gaszwischenleitung einer Receiverleitung für je einen Zylinder eingedüst werden (sog. Mulitpoint-Injection) oder es wird mit nur einem Gasdrosselorgan und nur einer Gaszwischenleitung das Gas einer gemeinsamen Receiverleitung für sämtliche Zylinder zugeführt, die sich anschließend aufzweigt in die Zylinder (Singlepoint-Injection). Das Gasdrosselorgan dient zur Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas, welches in die Receiverleitung eingeführt wird. Durch die Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas kann auch der Lambdawert des Gasverbrennungsmotors gesteuert werden.
Aus Gründen der Betriebssicherheit des Gasverbrennungsmotors ist eine Überwachung und Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Gasdrosselorganes erforderlich. Durch ein unkontrolliert offenstehendes Gasdrosselorgan können explosionsfähige Gas-Luftgemische entstehen, welche ein Sicherheitsrisiko darstellen. Um einen hohen Motorwirkungsgrad unter Vermeidung klopfender Verbrennung oder Verbrennungsaussetzer innerhalb der Emissionsgrenzwerte zu ermöglichen ist eine präzise Gasmenge in jedem Arbeitsprozess notwendig.
Die DE 102 52 953 B4 zeigt einen Otto-Gasverbrennungsmotor mit vier Zylindern. Durch eine Einlassleitung als Receiverrohr werden die Zylinder mit einem Luft-Gasgemisch versorgt. In das Receiverrohr mündet eine Brenngaszufuhr als Gaszwischenleitung von einer Drossel als Gasdrosselorgan. Die Brenngaszufuhr als Gaszwischenleitung mündet mit einer Gasmischeinrichtung in das Receiverrohr. Ein Luftmassenmesser erfasst den durch ein Luftansaugrohr strömenden Luftmassenstrom und ein Temperatursensor die Temperatur des Luft-Gasgemisches, welches dem Otto-Gasverbrennungsmotor zugeführt wird.
Aus der DE 10 2009 031 933 A1 ist ein Gasmotor mit einem Kraftstoffversorgungssystem für Gas als Verbrennungsgas bekannt. Das Kraftstoffversorgungssystem weist eine Gasdruckregeleinrichtung auf, mit dem der Druck des gasförmigen Kraftstoffes von einem quellenseitigen Druck an einem Gastank auf einen arbeitsorganseitigen Druck reduziert wird. Dabei sind an der Gasdruckregeleinrichtung zwei Druckregler fluidmäßig in Reihe geschaltet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Gasverbrennungsmotorsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Gasverbrennungsmotorsystems zur Verfügung zu stellen, bei dem die Funktionsfähigkeit eines Gasdrosselorganes zuverlässig mit einem geringen technischen Aufwand auch während des Betriebes des Gasverbrennungsmotors überprüft und überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Gasverbrennungsmotorsystem, umfassend einen Gasverbrennungsmotor, ein Kraftstoffversorgungssystem mit einer Leitungsanordnung zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches zu dem Gasverbrennungsmotor und wenigstens einem Gasdrosselorgan zur Steuerung und/oder Regelung des durch das Kraftstoffversorgungssystem strömenden Volumenstromes an Gas als gasförmigen Kraftstoff, eine Steuer- und/oder Regeleinheit, wobei das Kraftstoffversorgungssystem mit wenigstens einem Durchflusssensor und/oder mit wenigstens einem Drucksensor versehen ist zur Erfassung des durch das Kraftstoffversorgungssystem strömenden Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe, insbesondere ein Druck und/oder eine Druckdifferenz, zur, insbesondere ausschließlichen, Überprüfung und/oder Überwachung der Funktionsfähigkeit des wenigstens einen Gasdrossselorganes in Zusammenwirken mit der Steuer- und/oder Regeleinheit.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Leitungsanordnung wenigstens eine Receiverleitung zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches zu dem Gasverbrennungsmotor, wenigstens eine Gaszuführleitung zur Zuführung von Gas zu dem wenigstens einem Gasdrosselorgan und in die wenigstens eine Receiverleitung und wenigstens eine Gaszwischenleitung, welche in die wenigstens eine Receiverleitung mündet, zur Zuführung von Gas von dem wenigstens einen Gasdrosselorgan in die wenigstens eine Receiverleitung und mit dem wenigstens einen Durchflusssensor und/oder mit dem wenigstens einen Drucksensor ist der durch die wenigstens eine Gaszuführleitung und/oder die wenigstens eine Gaszwischenleitung und/oder das wenigstens eine Gasdrosselorgan strömende Volumenstrom an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe erfassbar und/oder der Durchflusssensor ist von zwei Drucksensoren an der Leitungsanordnung gebildet, so dass mittels eines Differenzdruckes an den beiden Drucksensoren und der Steuer- und/oder Regeleinheit der Volumenstrom an Gas bestimmbar ist, wobei vorzugsweise zwischen den beiden Drucksensoren bezüglich der Strömung des Gases eine Engstelle ausgebildet ist. Mittels des Differenzdruckes an den beiden Drucksensoren und der Geometrie, insbesondere der Strömungsquerschnittsfläche, des Strömungsweges kann einfach und zuverlässig von der Steuer- und/oder Regeleinheit der Ist-Volumenstrom des Gases berechnet werden, beispielsweise in ähnlicher oder analoger Weise wie bei einer Venturidüse. Zweckmäßig ist ein Drucksensor in Strömungsrichtung des Gases vor der Engstelle angeordnet und ein weiterer Drucksensor an der Engstelle, so dass der Volumenstrom mit dem Prinzip der Venturidüse ermittelbar ist.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Durchflusssensor als wenigstens ein erster Drucksensor zur Erfassung des Druckes an der wenigstens einen Receiverleitung und wenigstens ein zweiter Drucksensor zur Erfassung des Druckes an der wenigstens einen Gaszwischenleitung ausgebildet, so dass mittels des Differenzdruckes zwischen der wenigstens einen Gaszwischenleitung und der wenigstens einen Receiverleitung der Volumenstrom an Gas erfassbar ist und/oder das Kraftstoffversorgungssystem als Singlepoint-Injection ausgebildet ist, so dass sämtlichen Brennräumen des Verbrennungsmotors ein, insbesondere nur ein, Gasdrosselorgan zugeordnet ist zur Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas für sämtliche Brennräume und sämtlichen Brennräumen ein, insbesondere nur ein, Durchflusssensor und/oder wenigstens ein Drucksensor zugeordnet ist zur Erfassung des Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe für sämtliche Brennräume oder das Kraftstoffversorgungssystem als Multipoint-Injection ausgebildet ist, so dass einem Teil der Brennräume, vorzugsweise zwei Brennräumen oder nur einem Brennraum, des Verbrennungsmotors je ein, insbesondere nur ein, Gasdrosselorgan zugeordnet ist zur getrennten Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas für die Teile der Brennräume, und einem Teil der Brennräume, vorzugsweise zwei Brennräume oder nur ein Brennraum, je ein, insbesondere nur ein, Durchflusssensor und/oder wenigstens ein Drucksensor zugeordnet ist zur getrennten Erfassung des Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe für Teile der Brennräume. Jedem der Teile der Brennräume bzw. Zylinder ist somit je ein Gasdrosselorgan und je ein Durchflusssensor zugeordnet bei der Mulitpoint-Injection und/oder die Anzahl der Drosselorgane und der Durchflusssensoren entspricht der Anzahl der Teile der Brennräume bei der Mulitpoint-Injection. Ferner kann bei der Multipoint-Injection der Teil der Brennräume wenigstens zwei Brennräume, z. B. drei oder vier, Brennräume umfassen.
Zweckmäßig ist das Gasdrosselorgan als mechanisches Ventil, z. B. mit einem Nockentrieb, ausgebildet mit einem Ventilkolben als Stellorgan und einem Elektromotor, welcher den Ventilkolben in verschiedene Stellungen, vorzugsweise mit dem Nockentrieb, bewegt, z. B. in einer Schließ-, Öffnungs- oder Zwischenstellung.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Gasdrosselorgan als ein elektromagnetisches Ventil ausgebildet mit einem Ventilkolben als Stellorgan und einem Elektromagneten zum Bewegen des Ventilkolbens zwischen einer vollständigen Schließ- und Öffnungsstellung. Dabei wird Elektromagnet getaktet abwechselnd bestromt oder nicht bestromt, so dass aufgrund der durchschnittlichen Schließ- und Öffnungszeiten des Ventilkolbens der Volumenstrom des durch das Gasdrosselorgan geleiteten Gases gesteuert und/oder geregelt werden kann. Eine Erhöhung der durchschnittliche Öffnungszeit bedeutet ein Öffnen des Gasdrosselorganes und umgekehrt.
Zweckmäßig wird auch ein Abschnitt des Gasdrosselorganes zur Zuleitung von Gas an das Stellorgan als Gaszuführleitung betrachtet.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird auch ein Abschnitt des Gasdrosselorganes zur Ableitung von Gas von dem Stellorgan als Gaszwischenleitung betrachtet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Gasdrosselorgan an der Receiverleitung bzw. Luftansaugleitung angebaut oder integriert, so dass die Gaszwischenleitung teilweise oder vollständig an dem Gasdrosselorgan ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist in Strömungsrichtung des Gases zwischen dem wenigstens einen zweiten und wenigstens einen ersten Drucksensor wenigstens eine erste Engstelle für das Gas ausgebildet ist, insbesondere ist bei einer Multipoint-Injection einem Teil der Brennräume je eine erste Engstelle und je ein zweiter Drucksensor und vorzugsweise je ein erster Drucksensor zugeordnet. An der Engstelle treten Energieverluste und/oder Druckänderungen auf, welche zur Berechnung des Volumenstromes genutzt werden können.
Zweckmäßig mündet die wenigstens eine Gaszwischenleitung mit wenigstens einem Zerstäuber in die wenigstens eine Receiverleitung und vorzugsweise ist die wenigstens eine erste Engstelle von dem wenigstens einen Zerstäuber gebildet.
In einer weiteren Variante ist der wenigstens eine Durchflusssensor als ein Ultraschalldurchflusssensor, magnetisch-induktiver Durchflusssensor oder ein Turbinen- oder Flügelrad-Durchflussensor ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform weist der wenigstens eine Zerstäuber eine Vielzahl an Öffnungen auf, insbesondere sind die Öffnungen an einem Endbereich der wenigstens einen Gaszwischenleitung ausgebildet, welcher innerhalb des Strömungsraumes der wenigstens einen Receiverleitung angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gasverbrennungsmotor als ein Hubkolben-Gasverbrennungsmotor ausgebildet und/oder das Kraftstoffversorgungssystem umfasst einen Abgasturbolader und vorzugsweise einen Ladeluftkühler und/oder das Kraftstoffversorgungssystem umfasst einen Druckminderer zur Reduzierung des Druckes des in die wenigstens eine Gaszuführleitung eingeleiteten Gases und/oder das Kraftstoffversorgungssystem weist wenigstens ein Notventil zum Schließen der Zuführung von Gas zu einem Teil der Brennräume bei einem erfassten Schaden auf als eine Korrekturmaßnahme.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist von der Steuer- und/oder Regeleinheit das Gasdrosselorgan steuerbar und/oder regelbar und von der Steuer- und/oder Regeleinheit ist der von dem wenigstens einen Durchflusssensor erfasste Ist-Volumenstrom mit einem Soll-Volumenstrom aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes vergleichbar und in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom und dem Soll-Volumenstrom ist wenigstens eine Korrekturmaßnahme, insbesondere eine Fehlermeldung, vorzugsweise mit einem optischen und/oder akustischen Meldeorgan, z. B. einer Warnleuchte, einer Warnhupe oder einem Bildschirm, und/oder ein Schließen des Notventils ausführbar, und/oder von der Steuer- und/oder Regeleinheit ist das Gasdrosselorgan steuerbar und/oder regelbar und von der Steuer- und/oder Regeleinheit ist der von wenigstens einem Drucksensor, erfasste Ist-Druck oder Ist-Differenzdruck mit einem Soll-Druck oder Soll-Differenzdruck aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes vergleichbar und in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Druck oder dem Ist-Differenzdruck und dem Soll-Druck oder dem Soll-Differenzdruck ist wenigstens eine Korrekturmaßnahme, insbesondere eine Fehlermeldung, vorzugsweise mit einem optischen und/oder akustischen Meldeorgan, z. B. einer Warnleuchte, einer Warnhupe oder einem Bildschirm, und/oder ein Schließen des Notventils ausführbar, und/oder mit dem Gasverbrennungsmotor ist ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Gasverbrennungsmotorsystems, insbesondere eines in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Gasverbrennungsmotorsystems, mit den Schritten: Leiten von Gas als Verbrennungsgas bzw. gasförmigen Kraftstoff durch ein Kraftstoffversorgungssystem zu einem Gasverbrennungsmotor, Leiten des Gases durch wenigstens ein Gasdrosselorgan und Steuern und/oder Regeln des durch das Kraftstoffversorgungssystem geleiteten Volumenstromes an Gas mit dem wenigstens einen Gasdrosselorgan, Mischen von Luft und Gas in dem Kraftstoffversorgungssystem zu einem Gas-Luftgemisch, Einleiten des Gas-Luftgemisches in wenigstens einen Brennraum des Gasverbrennungsmotors, wobei mit wenigstens einem Durchflusssensor der Volumenstrom des durch das Kraftstoffversorgungssystem geleiteten Gases erfasst wird und mit dem erfassten Volumenstrom die Funktionsfähigkeit des wenigstens eine Gasdrosselorgan überprüft und überwacht wird und/oder mit wenigstens einem Drucksensor ein Ist-Druck und/oder ein Ist-Differenzdruck des Gases und/oder Gas-Luftgemisches erfasst wird und mit dem erfassten Volumenstrom und/oder dem erfassten Ist-Druck und/oder dem erfassten Ist-Differenzdruck, insbesondere ausschließlich, die Funktionsfähigkeit des wenigstens eine Gasdrosselorgan überprüft und überwacht wird. In einfacher und zuverlässiger Weise kann somit die Funktionsfähigkeit und damit ein möglicher Schaden oder Defekt an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan erkannt werden, um hieraus resultierende Schäden zu vermeiden.
In einer weiteren Variante wird aus dem erfassten Volumenstrom und der Dichte der Gasmassenstrom bestimmt und mit dem Gasmassenstrom die Funktionsfähigkeit des wenigstens eine Gasdrosselorgan überprüft und überwacht wird, so dass mit dem Volumenstrom mittelbar die Funktionsfähigkeit des wenigstens eine Gasdrosselorgan überprüft und überwacht wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird das Gas durch wenigstens eine Gaszuführleitung zu dem wenigstens einem Gasdrosselorgan geleitet, das Gas wird von dem wenigstens einen Gasdrosselorgan durch wenigstens eine Gaszwischenleitung in wenigstens eine Receiverleitung geleitet, das Gas mit Luft in der wenigstens einen Receiverleitung zu einem Gas-Luftgemisch gemischt wird, das Gas-Luftgemisches in wenigstens einen Brennraum des Gasverbrennungsmotors eingeleitet wird, mit dem wenigstens einem Durchflusssensor, insbesondere mittels eines Differenzdruckes, der Volumenstrom des durch die wenigstens eine Gaszuführleitung und/oder die wenigstens eine Gaszwischenleitung und/oder das wenigstens eine Gasdrosselorgan geleiteten Gases erfasst wird und/oder mit wenigstens einem Drucksensor ein Ist-Druck und/oder ein Ist-Differenzdruck an der wenigstens einen Gaszuführleitung und/oder an der wenigstens einen Gaszwischenleitung und/oder an der wenigstens einen Receiverleitung erfasst wird.
Zweckmäßig wird mit dem erfassten Volumenstrom und/oder dem erfassten Ist-Druck und/oder dem erfassten Ist-Differenzdruck die Funktionsfähigkeit des wenigstens einen Gasdrosselorganes während des Betriebes des Gasverbrennungsmotors überprüft und überwacht. Die Funktionsfähigkeit wird dabei vorzugsweise während der gesamten Betriebszeit des Gasverbrennungsmotors überwacht, so dass jederzeit ein Schaden an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan erkannt und/oder wenigstens eine Korrekturmaßnahme ausgeführt werden kann.
In einer Variante wird ein Soll-Volumenstrom des Gases aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes mit einem Ist-Volumenstrom des Gases, welcher von dem wenigstens einen Durchflusssensor erfasst wird, verglichen und bei einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom des Gases zu dem Soll-Volumenstrom des Gases einer Fehler oder ein Schaden an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan erkannt wird und/oder in Abhängigkeit von der Differenz wenigstens eine Korrekturmaßnahme ausgeführt wird und/oder ein Ist-Druck und/oder ein Ist-Differenzdruck mit einem Soll-Druck und/oder einem Soll-Differenzdruck aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes verglichen wird und bei einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom des Gases zu dem Soll-Volumenstrom des Gases einer Fehler oder ein Schaden an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan erkannt wird und/oder in Abhängigkeit von der Differenz wenigstens eine Korrekturmaßnahme ausgeführt wird. Der Durchflusssensor erfasst den Ist-Volumenstrom an Gas als gasförmigen Kraftstoff, welcher durch das Gasdrosselorgan strömt. Dadurch kann die Funktionsfähigkeit des Gasdrosselorganes einfach überprüft werden. Zweckmäßig sind hier weitere Parameter, z. B. die Soll-Strömungsquerschnittsfläche für das Gas aufgrund einer Soll-Stellung oder auch durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes oder die durchschnittliche Soll-Strömungsquerschnittsfläche für das Gas an dem Gasdrosselorgan und der Druck des Gases oder ein Differenzdruck des Gases erforderlich, um einen Soll-Volumenstrom des Gases zu ermitteln aufgrund der von dem Gasdrosselorganes zur Verfügung gestellten Soll-Strömungsquerschnittfläche, d. h. auch durchschnittlichen Soll-Strömungsquerschnittsfläche. Da das Stellorgan des Gasdrosselorganes ein Teil des Gasdrosselorganes bildet ist eine Stellung des Gasdrosselorganes gleichbedeutend mit einer Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes.
In einer zusätzlichen Variante wird zur Erfassung des Soll-Volumenstromes des Gases neben der Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes wenigstens ein weiterer Parameter, insbesondere der Druck des Gases in der wenigstens einen Gaszuführleitung und/oder in der wenigstens einen Gaszwischenleitung und/oder in der wenigstens einen Receiverleitung, berücksichtigt. Die Soll-Stellung oder durchschnittliche Soll-Stellung eines Stellorganes, z. B. eines Ventilschiebers, des Gasdrosselorganes bedingt eine Soll-Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Soll-Strömungsquerschnittfläche an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan. Bei einer Abweichung der Soll-Stellung des Gasdrosselorganes von einer Ist-Stellung des Gasdrosselorganes weicht auch der Ist-Volumenstrom des Gases von dem Soll-Volumenstrom des Gases ab, so dass damit eine Abweichung der Ist-Stellung zu einer Soll-Stellung des Gasdrosselorganes, d. h. ein Schaden oder ein Defekt an dem Gasdrosselorgan, erkannt werden kann.
Insbesondere wird zur Erfassung des Soll-Volumenstromes des Gases neben der Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung des Stellorganes des Gasdrosselorganes wenigstens ein weiterer Parameter, insbesondere der Druck des Gases in der wenigstens einen Gaszuführleitung und/oder in der wenigstens einen Gaszwischenleitung und/oder in der wenigstens einen Receiverleitung, berücksichtigt. Die Soll-Stellung oder durchschnittliche Soll-Stellung eines Stellorganes, z. B. eines Ventilschiebers, des Gasdrosselorganes bedingt eine Soll-Strömungsquerschnittsfläche oder durchschnittliche Soll-Strömungsquerschnittfläche an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan. Bei einer Abweichung der Soll-Stellung des Gasdrosselorganes von einer Ist-Stellung des Gasdrosselorganes weicht auch der Ist-Volumenstrom des Gases von dem Soll-Volumenstrom des Gases ab, so dass damit eine Abweichung der Ist-Stellung zu einer Soll-Stellung des Gasdrosselorganes, d. h. ein Schaden oder ein Defekt an dem Gasdrosselorgan, erkannt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Volumenstrom des durch die wenigstens eine Gaszuführleitung geleiteten Gases erfasst, indem der Druck des Gases in der wenigstens einen Receiverleitung mit einem ersten Drucksensor und in der wenigstens einen Gaszwischenleitung mit einem zweiten Drucksensor erfasst wird und mittels des Differenzdruckes zwischen dem Druck in der wenigstens einen Gaszwischenleitung und der wenigstens einen Receiverleitung der Ist-Volumenstrom in der wenigstens einen Gaszwischenleitung und/oder der wenigstens einen Gaszuführleitung berechnet wird und/oder das wenigstens eine Gasdrosselorgan in Abhängigkeit von dem erfassten Volumenstrom an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe gesteuert und/oder geregelt wird und/oder der Druck in der wenigstens einen Receiverleitung erfasst wird, indem während eines vollständig geschlossenen Gasdrosselorganes der Druck in der wenigstens einen Gaszwischenleitung erfasst wird und/oder der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor von nur einem Drucksensorbauteil gebildet wird und von dem nur einem Drucksensorbauteil der Druck in der Gaszwischenleitung zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder Zeiträumen erfasst wird und während eines ersten Zeitpunktes oder Zeitraumes das Gasdrosselorgan vollständig geschlossen ist, so dass von dem nur einem Drucksensorbauteil während des ersten Zeitpunktes oder Zeitraumes der Druck in der Receiverleitung und in der Gaszwischenleitung erfasst wird und während eines zweiten Zeitpunktes oder Zeitraumes das Gasdrosselorgan geöffnet ist, so dass von dem nur einem Drucksensorbauteil während des zweiten Zeitpunktes oder Zeitraumes der Druck nur in der Receiverleitung erfasst wird. Ist der Ist-Volumenstrom des Gases kleiner als der Soll-Volumenstrom des Gases wird das Gasdrosselorgan geöffnet und umgekehrt. Das Drucksensorbauteil ist ein einziger Drucksensor an der Gaszwischenleitung, welcher die Funktion des ersten und zweiten Drucksensors übernimmt.
In einer Ausgestaltung wird der Druck des Gases, welches der wenigstens einen Gaszuführleitung zugeführt wird, mit einem Druckminderer reduziert und/oder das Gas-Luftgemisch wird in dem wenigstens einen Brennraum gezündet und mit wenigstens einem Arbeitsorgan, insbesondere einem Hubkolben, wird die Verbrennungsenergie in mechanische Energie umgewandelt und/oder die dem wenigstens einen Receiverleitung zugeführt Luft wird mit einem Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, verdichtet und vorzugsweise anschließend mit einem Ladeluftkühler gekühlt und/oder das Gas wird von der wenigstens einen Gaszwischenleitung zu dem wenigstens einen Gasdrosselorgan geleitet und von dem wenigstens einen Gasdrosselorgan in die wenigstens eine Gaszwischenleitung geleitet und von der wenigstens einen Gaszwischenleitung in die wenigstens eine Receiverleitung geleitet und/oder das Gas wird zwischen dem zweiten und ersten Drucksensor durch eine Engstelle, insbesondere einen Zerstäuber, geleitet.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Gasverbrennungsmotor eine Gasturbine oder ein Otto-Gasverbrennungsmotor.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Gasverbrennungsmotor ein 4-Takt-Gasverbrennungsmotor mit wenigstens einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil je Brennraum ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist ein Gasmassenstrom und/oder ein Gasmengenstrom eine von dem Volumenstrom abhängige Größe. Beispielsweise wird der Gasmassenstrom aus dem Volumenstrom und der Dichte des Gases und/oder der Luft und/oder des Gas-Luftgemisches bestimmt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das Gasverbrennungsmotorsystem ein Kraftstoffversorgungssystem mit Multipoint-Injection mit einer Leitungsanordnung zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches zu dem Gasverbrennungsmotor, wobei für einen Teil der Zylinder, vorzugsweise zwei Zylinder oder nur einem Zylinder, des Hubkolben-Gasverbrennungsmotors je eine gesonderte Receiverleitung, je eine gesonderte Gaszuführleitung, je eine gesonderte Gaszwischenleitung und je ein gesondertes Gasdrosselorgan ausgebildet ist und die Gasdrosselorgane zur Steuerung und/oder Regelung des durch das Kraftstoffversorgungssystem strömenden Volumenstromes an Gas als gasförmigen Kraftstoff dienen und eine Steuer- und/oder Regeleinheit, wobei an dem Kraftstoffversorgungssystem je ein gesonderter Durchflusssensor für die Teile der Zylinder ausgebildet ist zur gesonderten Erfassung des Volumenstromes an Gas welches in die Teile der Zylinder gesondert einleitbar ist. Bei der Multipoint-Injection ist somit je einem Teil der Zylinder eine, insbesondere nur eine Gaszwischenleitung und ein, insbesondere nur ein, Gasdrosselorgan zugeordnet.
Zweckmäßig ist für die Teile der Zylinder gesondert und getrennt der Volumenstrom an Gas, welcher den Teilen der Zylinder zuführbar ist, oder einer hiervon abhängigen Größe erfassbar und mit der Steuer- und/oder Regeleinheit ist in Abhängigkeit von diesem gesondert erfassten Volumenstrom an Gas oder einer hiervon abhängigen Größe der Hubkolben-Gasverbrennungsmotor getrennt für die Teile der Zylinder steuerbar und/oder regelbar. Beispielsweise sind damit der Zündzeitpunkt und/oder die. Steuerzeiten der Ein- und/oder Auslassventile in Abhängigkeit von dem getrennt für die Teile der Zylinder erfassten Volumenstrom an Gas oder einer hiervon abhängigen Größe getrennt für die Teile der Zylinder mit der Steuer- und/oder Regeleinheit steuerbar und/oder regelbar.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Gasverbrennungsmotorsystems in einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Singlepoint-Injection (SPI) und
2 eine stark vereinfachte Darstellung des Gasverbrennungsmotorsystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Multipoint-Injection (MPI),
3 Druckbereiche des Zwischendruckes p_Z an dem zweiten Drucksensor d2 bei einer geöffneten Soll-Stellung des Gasdrosselorganes,
4 Druckbereiche des Zwischendruckes p_Z an dem zweiten Drucksensor d2 bei einer geschlossenen Soll-Stellung des Gasdrosselorganes und
5 zwei Diagramme mit einem ersten oberen Diagramm bei dem an der Abszisse die Zeit t und an der Ordinate der Zwischendruck p_Z an dem zweiten Drucksensor d2 aufgetragen ist und einem zweiten unteren Diagramm bei dem an der Abszisse die Zeit t und an der Ordinate die Strömungsquerschnittsfläche des Gasdrosselorganes aufgetragen ist.
Ein in 1 dargestelltes Gasverbrennungsmotorsystem 1 umfasst einen als Hubkolben-Gasverbrennungsmotor 2 ausgebildeten Gasverbrennungsmotor 2 mit vier Brennräumen 23, denen jeweils ein Kolben 25 als Arbeitsorgan 24 zugeordnet ist, und ein Kraftstoffversorgungssystem 3. Der Gasverbrennungsmotor 2 wird beispielsweise als mobile Anlage zum An- oder Vortrieb einer Lokomotive oder eines Schiffes eingesetzt.
Das Kraftstoffversorgungssystem 3 weist eine Leitungsanordnung 4 und ein Gasdrosselorgan 11, z. B. ein elektromagnetisches Ventil, auf zur Versorgung des Gasverbrennungsmotors 2 mit Gas als gasförmigen Kraftstoff. Die Leitungsanordnung 4 umfasst eine Gaszuführleitung 10, eine Gaszwischenleitung 9, eine Receiverleitung 7 und eine Luftansaugleitung 8. In einem Gastank 13 als Kraftstoff- oder Gasquelle 12 ist Gas, z. B. Erdgas, unter einem hohen Druck gespeichert und von dem Gastank 13 wird das unter dem hohen Druck stehende Gas mit einem Druckminderer 14 unter stark vermindertem Druck durch die Gaszuführleitung 10 dem Gasdrosselorgan 11 zugeführt. Von dem Gasdrosselorgan 11 wird das Gas durch die Gaszwischenleitung 9 in die Receiverleitung 7 eingeleitet. Mit der Luftansaugleitung 8 als Receiverleitung 7, durch welche nur Luft geleitet wird, wird Umgebungsluft mit einem Abgasturbolader 15 angesaugt und verdichtet, anschließend von einem Ladeluftkühler 16 die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt. Ein Endbereich der Gaszwischenleitung 9 mündet in die Luftansaugleitung 8 bzw. Receiverleitung 7, so dass das durch das Gasdrosselorgan 11 strömende Gas an diesem Endbereich der Gaszwischenleitung 9 in die Receiverleitung 7 eingeleitet wird. Der Endbereich der Gaszwischenleitung 9 weist eine Vielzahl von Öffnungen 22 auf, durch welche das Gas von der Gaszwischenleitung 9 in die Receiverleitung 7 eingeleitet wird, so dass der Endbereich der Gaszwischenleitung 9 mit den Öffnungen 22 einen Zerstäuber 21 zur gleichmäßigen Vermischung des in die Luft eingeleiteten Gases bildet, um ein möglichst homogenes Luft-Gasgemisch dem Gasverbrennungsmotor 2 zuleiten zu können. Die Receiverleitung 7 zweigt sich nach der Zuleitung des Gases in vier getrennte Receiverleitungen 7 auf jeweils für einen Brennraum 23.
Das Gasdrosselorgan 11 dient zur Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas, welches der Receiverleitung 7 und damit dem Gasverbrennungsmotor 2 zugeführt wird. Eine Drosselklappe 17 dient zur Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Luft, welches der Receiverleitung 7 und damit dem Gasverbrennungsmotor 2 zugeführt wird. Das Gasdrosselorgan 11 und die Drosselklappe 17 werden von einer Steuer- und/oder Regeleinheit 5, z. B. mit einem Computer als Rechner und Datenspeicher, mittels nicht dargestellter Datenleitung gesteuert und geregelt. Dadurch kann beispielsweise die Leistung und/oder die Drehzahl und/oder das Drehmoment und/oder der Lambdawert des Gasverbrennungsmotors 2 gesteuert und/oder geregelt werden. Es handelt sich um eine Singlepoint-Injection mit einem Gasdrosselorgan 11, einer Gaszwischenleitung 9 und einer Gaszuführleitung 10 für sämtliche Brennräume 23 des Gasverbrennungsmotors 2.
An der Receiverleitung 7 im Bereich der Gaszwischenleitung 9 ist ein erster Drucksensor d1a und an der Gaszwischenleitung 9 ein zweiter Drucksensor d2 angeordnet. Optional können an der Receiverleitung 7 in Strömungsrichtung der Luft bzw. des Gas-Luftgemisches vor der Gaszwischenleitung 9 ein weiterer erster Drucksensor d1b sowie in Strömungsrichtung der Luft bzw. des Gas-Luftgemisches nach der Gaszwischenleitung 9 ein weiterer erster Drucksensor d1c ausgebildet sein. Die Strömungsquerschnittsfläche der Gaszwischenleitung 9 ist wesentlich kleiner als die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der Öffnungen 22, so dass die Öffnungen 22 eine erste Engstelle 19 als Engstelle 18 für das Gas bilden. Der von dem ersten Drucksensor d1a und dem zweiten Drucksensor d2 erfasste Druck wird mittels nicht dargestellter Datenleitungen an die Steuer- und/oder Regeleinheit 5 übermittelt und aufgrund des Differenzdruckes zwischen dem ersten und zweiten Drucksensor d1a und d2 sowie der bekannten und unveränderten Strömungsquerschnittsfläche für das Gas, die Luft und das Gas-Luftgemisch kann von der Steuer- und/oder Regeleinheit der Ist-Volumenstrom des durch die Gaszwischenleitung 9 und damit auch das Gasdrosselorgan 11 strömenden Gases berechnet werden, so dass die beiden Drucksensoren d1a und d2 einen Durchflusssensor 6 ausbilden. Optional können bei der Berechnung des Volumenstromes auch auch die Daten von den weiteren Drucksensoren d1b und d1c mit berücksichtigt werden.
Der von den beiden Drucksensoren d1a und d2 sowie der Steuer- und/oder Regeleinheit 5 als Durchflusssensor 6 ermittelte Volumenstrom an Gas als Ist-Volumenstrom wird mit einem Soll-Volumenstrom des Gas aufgrund einer Soll-Stellung eines Stellorganes (nicht dargestellt) des Gasdrosselorganes 11 verglichen. Das Stellorgan bestimmt die dem Gas durch das Gasdrosselorgan 11 zur Verfügung stehende Soll-Strömungsquerschnittsfläche. Das Stellorgan des Gasdrosselorgans 11 kann zwischen einer Schließstellung, vielen Zwischenstellungen und einer Öffnungsstellung mit vollständiger Öffnung bzw. maximaler Strömungsquerschnittsfläche von der Steuer- und/oder Regeleinheit 5 verstellt werden. Mit einem bekannten oder konstanten Druck oder einem von einem dritten Drucksensor d3 erfassten Druck des Gases an einer Einströmöffnung des Gasdrosselorganes 11 und dem mit dem zweiten Drucksensor d2 erfassten Druck an der Gaszwischenleitung 9 sowie der vorgegebenen Soll-Stellung des Stellorganes des Gasdrosselorganes 11, welches die Strömungsquerschnittsfläche des Gases bestimmt, kann der Soll-Volumenstrom des Gases bestimmt werden. Der Soll-Volumenstrom des Gases kann für verschiedenen Stellung des Stellorganes des Gasdrosselorganes 11 in der Steuer- und/oder Regeleinheit gespeichert sein, insbesondere bei einem im Wesentlichen konstantem Druck an der Gaszuführleitung 10 und vorzugsweise an der Gaszwischenleitung 9. Weicht der Soll-Volumenstrom wesentlich von dem Ist-Volumenstrom ab, weicht auch die vorgegebenen Soll-Stellung des Stellorganes des Gasdrosselorganes 11 von der tatsächlichen Ist-Stellung des Stellorganes ab, d. h. das Gasdrosselorgan 11 weist einen Schaden oder Defekt auf. Damit kann auf einfach und zuverlässige Art und Weise die Funktionsfähigkeit des Gasdrosselorganes 11 ständig während des Betriebes des Gasverbrennungsmotors 2 überprüft werden.
An der Gaszuführleitung 10 ist der dritte Drucksensor d3 angeordnet. Dabei bildet das Gasdrosselorgan 11 eine zweite Engstelle 20. Aufgrund der vorgegebenen Soll-Stellung des Stellorganes sowie dem Druck an der Gaszuführleitung 10 und der Gaszwischenleitung 9 sowie vorzugsweise an der Receiverleitung 7 ergibt sich ein Soll-Volumenstrom des Gases. Ein Flügelrad-Durchflusssensor 26 an der Gaszuführleitung 10 erfasst den Ist-Volumenstrom des Gases, so dass bei einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom und dem Soll-Volumenstrom des Gases ein Schaden an dem Gasdrosselorgan 11 erkannt werden kann. Somit kann mit dem weiteren Durchflusssensor 6 als Flügelrad-Durchflusssensor 26 zusätzlich ein Schaden des Gasdrosselorganes 11 detektiert werden.
In einem weiteren, in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Kraftstoffversorgungssystem 3 mit Multipoint-Injection (MPI) für jeden von vier Brennräumen 23 bzw. Zylinder je eine Gaszwischenleitung 10, je ein Gasdrosselorgan 11 und je eine Gaszuführleitung 9 auf, so dass jeder Brennraum 23 einen von vier Teilen der Brennräume 23 bzw. der Gesamtanzahl der Brennräume bildet. In Abweichung von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind somit die Endbereiche von vier Gaszuführleitungen 9 erst nach der Aufzweigung der Luftansaugleitungen 8 in die vier Luftansaugleitungen 8 für jeden Brennraum 23 separat in jeweils einem von vier Receiverleitungen 7 angeordnet. Bei einer Anordnung je eines Durchflusssensors 6 getrennt für jeden Zylinder an dem Kraftstoffversorgungssystem 3, z. B. an der Gaszwischenleitung 9, an dem Gasdrosselorgan 11 oder an der Gaszuführleitung 10, kann getrennt der jedem Zylinder zugeführte Volumenstrom an Gas erfasst werden und in Abhängigkeit hiervon der Hubkolben-Gasverbrennungsmotor 2 getrennt für jeden Zylinder von der Steuer- und/oder Regeleinheit 5 der Volumenstrom an Gas mit den vier separaten Gasdrosselorganen 11 gesteuert und/oder geregelt werden. Die Gaszuführleitung 10 von der Kraftstoff- oder Gasquelle 12 zweigt sich dabei in vier getrennte Gaszuführleitungen 10 jeweils für einen Zylinder auf. Ferner ist an jeder der vier separaten Gaszuführleitungen 10 je ein Notventil 27 angeordnet. Mit dem Notventil 27 kann die Zufuhr von Gas von dem Gastank 13 als Korrekturmaßnahme getrennt für jede der vier Gaszuführleitungen 10 und damit für jeden Brennraum 23 getrennt unterbunden werden, falls ein Schaden beispielsweise an einem Gasdrosselorgan 11 aufgetreten ist. Damit ist es möglich, auch bei einem Schaden an einem der vier Gasdrosselorgane 11 den Verbrennungsmotor 2 mit nur drei Kolben 25 bzw. Brennräumen 23 weiter zu betreiben.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Kraftstoffversorgungssystem 3 mit Multipoint-Injection (MPI) für je zwei von insgesamt zwölf Brennräumen 23 bzw. Zylindern je eine Gaszwischenleitung 10, je ein Gasdrosselorgan 11 und je eine Gaszuführleitung 9 auf, so dass das Kraftstoffversorgungssystem 3 sechs Gaszwischenleitungen 10, sechs Gasdrosselorgane 11 und sechs Gaszuführleitungen 9 aufweist und die zwölf Brennräume 23 in sechs Teile von Brennräumen 23 unterteilt sind.
Ein Ladeluftdruck p_L liegt an der Receiverleitung 7 und an dem ersten Drucksensor d1 vor aufgrund der Verdichtung der Luft mit dem Abgasturbolader, an der Gaszuführleitung 10 und an dem dritten Drucksensor d3 liegt ein Gasdruck p_G des Gases vor und an der Gaszwischenleitung 9 und an dem zweiten Drucksensor d2 liegt ein Zwischendruck p_Z des Gases vor. In 3 sind unterschiedliche Druckbereiche des Zwischendruckes p_Z an der Gaszwischenleitung 9 bei einer geöffneten Soll-Stellung des Gasdrosselorganes 11 dargestellt. Bei der geöffneten Soll-Stellung des Gasdrosselorganes 11 und bei einer korrekt geöffneten Ist-Stellung des Gasdrosselorganes liegt an dem zweiten Drucksensor d2 der Druckbereich a als der Zwischendruckes p_Z vor, d. h. es sind keine Korrekturen erforderlich, und der zu der geöffneten Soll-Stellung des Gasdrosselorganes 11 korrespondierende Soll-Druck bzw. normale Zwischendruck p_ZN liegt mittig in dem Druckbereich a. Der Druckbereich a liegt zwischen dem Ladeluftdruck p_L an dem ersten Drucksensor d1 und dem Gasdruck p_G an dem dritten Drucksensor d3. In dem Druckbereich e₁ ist der Volumenstrom des durch die Gaszwischenleitung 9 strömenden Volumenstromes an Gas kleiner als für die geöffnete Soll-Stellung vorgesehen, so dass von der Steuer- und/oder Regeleinheit 5 das Gasdrossselorgan 11 weiter geöffnet wird und in dem Druckbereich e₂ ist dies umgekehrt, d. h. das Gasdrosselorgan 11 weiter geschlossen wird. In den Druckbereichen c ist der zweite Drucksensor d2 defekt. In dem Druckbereich b ist das Gasdrosselorgan 11 defekt, weil bei dem Gasdrosselorgan 11 in der geöffneten Ist-Stellung der Zwischendruck p_Z an dem zweiten Drucksensor d2 um einen Betrag x größer sein muss als an der Ladeluftdruck p_L an dem ersten Drucksensor d1 und das Doppelte des Betrages x entspricht der Druckausdehnung in dem Druckbereich b.
In 4 sind in analoger Weise wie in 3 unterschiedliche Druckbereiche des Zwischendruckes p_Z an der Gaszwischenleitung 9 bei einer geschlossenen Soll-Stellung des Gasdrosselorganes 11 dargestellt. Bei einer geschlossenen Ist-Stellung des Gasdrosselorganes 11 strömt kein Gas durch das Gasdrosselorgan 11, so dass der Druck an dem zweiten Drucksensor d2 dem Druck an dem ersten Drucksensor d1 entspricht und der Druckbereich a liegt mit einem Toleranzbereich um dem Ladeluftdruck p_L an dem ersten Drucksensor d1. Der Ladeluftdruck p_G an der Receiverleitung 7 entspricht dem Soll-Druck an dem zweiten Drucksensor d2 in der geschlossenen Soll-Stellung des Gasdrosselorganes 11 (p_Z = p_ZN). Ist trotz der geschlossenen Soll-Stellung des Gasdrosselorganes 11 das Gasdrosselorgan 11 geöffnet, d. h. in einer geöffneten Ist-Stellung, strömt Gas durch das Gasdrosselorgan 11 und der Druck an dem zweiten Drucksensor d2 ist wesentlich größer als der Ladeluftdruck p_L, d. h. entspricht dem Druckbereich b bei einem defekten Drosselorgan 11. In den Druckbereichen c ist der zweite Drucksensor d2 defekt.
Bei einem erfassten Defekt an dem Gasdrosselorgan 11 bei welchem das Gasdrosselorgan 11 nicht schließt, wird als Korrekturmaßnahme das dem Gasdrosselorgan 11 zugeordnete Notventil 27 geschlossen, so dass der betroffene Zylinder stillgelegt ist. Bei einem erfassten Defekt an dem Gasdrosselorgan 11 bei welchem das Gasdrosselorgan 11 nicht öffnet, wird als Korrekturmaßnahme eine Wartungsempfehlung ausgeben, weil wenigstens ein Zylinder abgeschalten ist bei Multipoint-Injection. Bei einem Defekt an dem zweiten Drucksensor d2 ist eine Steuerung- und/oder Regelung des Gasdrosselorganes 11 in Abhängigkeit von dem erfassten Volumenstrom an Gas nicht mehr möglich, so dass als Korrekturmaßnahme das Gasdrosselorgan 11 mit einem gespeicherten Kennfeld ohne den Daten von dem Drucksensor d2 gesteuert und/oder geregelt wird. Das Gasdrosselorgan 11 wird vorzugsweise mit einem getakteten Strom bestromt, d. h. ist entweder bei Bestromung vollständig geöffnet oder bei fehlender Bestromung vollständig geschlossen, und die Steuerung und/oder Regelung des durch das Gasdrosselorgan 11 geleiteten Volumenstromes an Gas erfolgt dadurch, dass zur Erhöhung des Volumenstromes die Zeitdauer der Bestromung erhöht wird und die Zeitdauer der fehlenden Bestromung verkleinert wird und umgekehrt.
In 5 sind in zwei Diagrammen der Zwischendruck p_Z an dem zweiten Drucksensor d2 und die durchschnittliche Strömungsquerschnittsfläche A für das Gas an dem Gasdrosselorgan 11 jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Bei dem geschlossenen Gasdrosselorgan 11 entspricht der Zwischendruck p_Z dem Ladeluftdruck p_L und bei dem Gasdrosselorgan 11 in der geöffneten Ist-Stellung liegt der Zwischendruck p_Z zwischen dem Ladeluftdruck p_G und dem Gasdruck p_L. Dabei tritt eine Zeitverzögerung zwischen dem Öffnen des Gasdrosselorganes 11 und der hieraus bedingten Erhöhung des Druckes an dem zweiten Drucksensor d2 auf. Bei einem Kraftstoffversorgungssystem 3 mit Multipoint-Injection kann bei einem geschlossenen Gasdrosselorgan 11 somit mit dem zweiten Drucksensor d2 auch der Druck an der Receiverleitung 7 erfasst werden. Dabei liegt an sämtlichen Receiverleitungen 7 für die Brennräume 23 der im Wesentliche gleiche Ladeluftdruck p_L an, so dass mit dem von dem zweiten Drucksensor d2 erfasste Druck für den Ladeluftdruck p_L dieser zur Steuerung und/oder Regelung für andere Gasdrosselorgane 11 genutzt werden kann, d. h. kein gesonderter Drucksensor d1 notwendig ist, sondern die Funktion des Drucksensors d1 auch von dem Drucksensor d2 an der Gaszwischenleitung 9 übernommen werden kann. Der Drucksensor d2 erfasst zu unterschiedlichen Zeiten somit unterschiedliche Drücke, nämlich bei einem dem Drucksensor d2 zugeordneten, vollständig geschlossenen Gasdrosselorgan 11 den Ladeluftdruck p_L und bei einem geöffneten Gasdrosselorgan 11 den Zwischendruck p_Z. Der Drucksensor d2 bildet damit während einer Druckmessung bei dem geschlossenen Gasdrosselorgan 11 auch den Drucksensor d1.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Gasverbrennungsmotorsystem 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Funktionsfähigkeit des Gasdrosselorganes 11 kann einfach mit dem Durchflusssensor 6 überprüft und überwacht werden, so dass während des gesamten Betriebes des Gasverbrennungsmotorsystems 1 ein Schaden oder Defekt an dem Gasdrosselorgan 11 einfach erkannt werden kann. Dadurch können Folgeschäden aufgrund eines Defektes an dem Gasdrosselorgan 11 ausgeschlossen oder im Wesentlichen ausgeschlossen werden, weil mit der Steuer- und/oder Regeleinheit 5 bei einem Schaden als Korrekturmaßnahmen beispielsweise eine Fehlermeldung ausgegeben werden kann und/oder das Gasverbrennungsmotorsystem 1 selbständig abgeschaltet und das Notventil 27 an der Kraftstoff- oder Gasquelle 12 automatisch geschlossen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10252953 B4 [0005]
DE 102009031933 A1 [0006]

Claims

Gasverbrennungsmotorsystem (1), umfassend – einen Gasverbrennungsmotor (2), – ein Kraftstoffversorgungssystem (3) mit einer Leitungsanordnung (4) zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches zu dem Gasverbrennungsmotor (2) und wenigstens einem Gasdrosselorgan (11) zur Steuerung und/oder Regelung des durch das Kraftstoffversorgungssystem (3) strömenden Volumenstromes an Gas als gasförmigen Kraftstoff, – eine Steuer- und/oder Regeleinheit (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffversorgungssystem (3) mit wenigstens einem Durchflusssensor (6) und/oder mit wenigstens einem Drucksensor (d1, d2, d3) versehen ist zur Erfassung des durch das Kraftstoffversorgungssystem (3) strömenden Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe, insbesondere einem Druck oder einer Druckdifferenz, zur Überprüfung und/oder Überwachung der Funktionsfähigkeit des wenigstens einen Gasdrossselorganes (11) in Zusammenwirken mit der Steuer- und/oder Regeleinheit (5).
Gasverbrennungsmotorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (4) – wenigstens eine Receiverleitung (7) zur Zuführung eines Gas-Luftgemisches zu dem Gasverbrennungsmotor (2), – wenigstens eine Gaszuführleitung (10) zur Zuführung von Gas zu dem wenigstens einem Gasdrosselorgan (11) und in die wenigstens eine Receiverleitung (7) und – wenigstens eine Gaszwischenleitung (9), welche in die wenigstens eine Receiverleitung (7) mündet, zur Zuführung von Gas von dem wenigstens einen Gasdrosselorgan (11) in die wenigstens eine Receiverleitung (7) umfasst und mit dem wenigstens einen Durchflusssensor (6) und/oder mit dem wenigstens einem Drucksensor (d1, d2, d3) der durch die wenigstens eine Gaszuführleitung (10) und/oder die wenigstens eine Gaszwischenleitung (9) und/oder das wenigstens eine Gasdrosselorgan (11) strömende Volumenstrom an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe erfassbar ist.
Gasverbrennungsmotorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (6) als wenigstens ein erster Drucksensor (d1) zur Erfassung des Druckes an der wenigstens einen Receiverleitung (7) und wenigstens ein zweiter Drucksensor (d2) zur Erfassung des Druckes an der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) ausgebildet ist, so dass mittels des Differenzdruckes zwischen der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) und der wenigstens einen Receiverleitung (7) der Volumenstrom an Gas erfassbar ist und/oder das Kraftstoffversorgungssystem (3) als Singlepoint-Injection ausgebildet ist, so dass sämtlichen Brennräumen (23) des Verbrennungsmotors (2) ein, insbesondere nur ein, Gasdrosselorgan (11) zugeordnet ist zur Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas für sämtliche Brennräume (23) und sämtlichen Brennräumen (23) ein Durchflusssensor (6) und/oder wenigstens ein Drucksensor (d1, d2, d3) zugeordnet ist zur Erfassung des Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe für sämtliche Brennräume (23) oder das Kraftstoffversorgungssystem (3) als Multipoint-Injection ausgebildet ist, so dass einem Teil der Brennräume (23), vorzugsweise zwei Brennräumen (23) oder nur einem Brennraum (23), des Verbrennungsmotors (2) je ein, insbesondere nur ein, Gasdrosselorgan (11) zugeordnet ist zur getrennten Steuerung und/oder Regelung des Volumenstromes an Gas für die Teile der Brennräume (23), und einem Teil der Brennräume, vorzugsweise zwei Brennräumen (23) oder nur einem Brennraum (23), je ein Durchflusssensor (6) und/oder wenigstens ein Drucksensor (d1, d2, d3) zugeordnet ist zur getrennten Erfassung des Volumenstromes an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe für die Teile der Brennräume (23).
Gasverbrennungsmotorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Gases zwischen dem wenigstens einen zweiten und wenigstens einen ersten Drucksensor (d2, d1) wenigstens eine erste Engstelle (19) für das Gas ausgebildet ist, insbesondere bei einer Multipoint-Injection einem Teil der Brennräume (23) je eine erste Engstelle (19) und je ein zweiter Drucksensor (d2) und vorzugsweise je ein erster Drucksensor (d1) zugeordnet ist.
Gasverbrennungsmotorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gaszwischenleitung (9) mit wenigstens einem Zerstäuber (21) in die wenigstens eine Receiverleitung (7) mündet und vorzugsweise die wenigstens eine erste Engstelle (19) von dem wenigstens einen Zerstäuber (21) gebildet ist.
Gasverbrennungsmotorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Durchflusssensor (6) als ein Ultraschalldurchflusssensor, magnetisch-induktiver Durchflusssensor oder ein Turbinen- oder Flügelrad-Durchflussensor (26) ausgebildet ist.
Gasverbrennungsmotorsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zerstäuber (21) eine Vielzahl an Öffnungen (22) aufweist, insbesondere die Öffnungen (22) an einem Endbereich der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) ausgebildet sind, welcher innerhalb des Strömungsraumes der wenigstens einen Receiverleitung (7) angeordnet ist.
Gasverbrennungsmotorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverbrennungsmotor (2) als ein Hubkolben-Gasverbrennungsmotor (2) ausgebildet ist und/oder das Kraftstoffversorgungssystem (3) einen Abgasturbolader (15) umfasst und vorzugsweise einen Ladeluftkühler (16) und/oder das Kraftstoffversorgungssystem (3) einen Druckminderer (14) zur Reduzierung des Druckes des in die wenigstens eine Gaszuführleitung (10) eingeleiteten Gases umfasst und/oder das Kraftstoffversorgungssystem (3) wenigstens ein Notventil (27) zum Schließen der Zuführung von Gas zu einem Teil der Brennräume (23) bei einem erfassten Schaden aufweist.
Gasverbrennungsmotorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuer- und/oder Regeleinheit (5) das Gasdrosselorgan (11) steuerbar und/oder regelbar ist und von der Steuer- und/oder Regeleinheit (5) der von dem wenigstens einen Durchflusssensor (6) erfasste Ist-Volumenstrom mit einem Soll-Volumenstrom aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes (11) vergleichbar ist und in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom und dem Soll-Volumenstrom wenigstens eine Korrekturmaßnahme, insbesondere eine Fehlermeldung, vorzugsweise mit einem optischen und/oder akustischen Meldeorgan, z. B. einer Warnleuchte, einer Warnhupe oder einem Bildschirm, und/oder ein Schließen des Notventils (27) ausführbar ist und/oder von der Steuer- und/oder Regeleinheit (5) das Gasdrosselorgan (11) steuerbar und/oder regelbar ist und von der Steuer- und/oder Regeleinheit (5) der von wenigstens einem Drucksensor (d1, d2, d3), erfasste Ist-Druck oder Ist-Differenzdruck mit einem Soll-Druck oder Soll-Differenzdruck aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes (11) vergleichbar ist und in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Druck oder dem Ist-Differenzdruck und dem Soll-Druck oder dem Soll-Differenzdruck wenigstens eine Korrekturmaßnahme, insbesondere eine Fehlermeldung, vorzugsweise mit einem optischen und/oder akustischen Meldeorgan, z. B. einer Warnleuchte, einer Warnhupe oder einem Bildschirm, und/oder ein Schließen des Notventils (27) ausführbar ist und/oder mit dem Gasverbrennungsmotor (2) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 15 ausführbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Gasverbrennungsmotorsystems (1), insbesondere eines Gasverbrennungsmotorsystems (1) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Leiten von Gas als Verbrennungsgas bzw. gasförmigen Kraftstoff durch ein Kraftstoffversorgungssystem (3) zu einem Gasverbrennungsmotor (2), – Leiten des Gases durch wenigstens ein Gasdrosselorgan (11) und Steuern und/oder Regeln des durch das Kraftstoffversorgungssystem (3) geleiteten Volumenstromes an Gas mit dem wenigstens einen Gasdrosselorgan (11), – Mischen von Luft und Gas in dem Kraftstoffversorgungssystem (3) zu einem Gas-Luftgemisch, – Einleiten des Gas-Luftgemisches in wenigstens einen Brennraum (23) des Gasverbrennungsmotors (2), dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Durchflusssensor (6) der Volumenstrom des durch das Kraftstoffversorgungssystem (3) geleiteten Gases erfasst wird und mit dem erfassten Volumenstrom die Funktionsfähigkeit des wenigstens eine Gasdrosselorgan (11) überprüft und überwacht wird und/oder mit wenigstens einem Drucksensor (d1, d2, d3) ein Ist-Druck und/oder ein Ist-Differenzdruck des Gases und/oder Gas-Luftgemisches erfasst wird und mit dem erfassten Volumenstrom und/oder dem erfassten Ist-Druck und/oder dem erfassten Ist-Differenzdruck die Funktionsfähigkeit des wenigstens eine Gasdrosselorgan (11) überprüft und überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gas durch wenigstens eine Gaszuführleitung (10) zu dem wenigstens einem Gasdrosselorgan (11) geleitet wird, – das Gas von dem wenigstens einen Gasdrosselorgan (11) durch wenigstens eine Gaszwischenleitung (9) in wenigstens eine Receiverleitung (7) geleitet wird, – das Gas mit Luft in der wenigstens einen Receiverleitung (7) zu einem Gas-Luftgemisch gemischt wird, – das Gas-Luftgemisches in wenigstens einen Brennraum (23) des Gasverbrennungsmotors (2) eingeleitet wird, – mit dem wenigstens einem Durchflusssensor (6), insbesondere mittels eines Differenzdruckes, der Volumenstrom des durch die wenigstens eine Gaszuführleitung (10) und/oder die wenigstens eine Gaszwischenleitung (9) und/oder das wenigstens eine Gasdrosselorgan (11) geleiteten Gases erfasst wird und/oder mit wenigstens einem Drucksensor (d1, d2, d3) ein Ist-Druck und/oder ein Ist-Differenzdruck an der wenigstens einen Gaszuführleitung (10) und/oder an der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) und/oder an der wenigstens einen Receiverleitung (7) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem erfassten Volumenstrom und/oder dem erfassten Ist-Druck und/oder dem erfassten Ist-Differenzdruck die Funktionsfähigkeit des wenigstens einen Gasdrosselorganes (11) während des Betriebes des Gasverbrennungsmotors (2) überprüft und überwacht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Soll-Volumenstrom des Gases aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes (11) mit einem Ist-Volumenstrom des Gases, welcher von dem wenigstens einen Durchflusssensor (6) erfasst wird, verglichen wird und bei einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom des Gases zu dem Soll-Volumenstrom des Gases einer Fehler oder ein Schaden an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan (11) erkannt wird und/oder in Abhängigkeit von der Differenz wenigstens eine Korrekturmaßnahme ausgeführt wird und/oder ein Ist-Druck und/oder ein Ist-Differenzdruck mit einem Soll-Druck und/oder einem Soll-Differenzdruck aufgrund einer Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes (13) verglichen wird und bei einer vorgegebenen Differenz zwischen dem Ist-Volumenstrom des Gases zu dem Soll-Volumenstrom des Gases einer Fehler oder ein Schaden an dem wenigstens einen Gasdrosselorgan (11) erkannt wird und/oder in Abhängigkeit von der Differenz wenigstens eine Korrekturmaßnahme ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Soll-Volumenstromes des Gases neben der Soll-Stellung oder durchschnittlichen Soll-Stellung eines Stellorganes des Gasdrosselorganes (11) wenigstens ein weiterer Parameter, insbesondere der Druck des Gases in der wenigstens einen Gaszuführleitung (10) und/oder in der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) und/oder in der wenigstens einen Receiverleitung (7), berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des durch die wenigstens eine Gaszuführleitung (10) geleiteten Gases erfasst wird, indem der Druck des Gases in der wenigstens einen Receiverleitung (7) mit einem ersten Drucksensor (d1) und in der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) mit einem zweiten Drucksensor (d2) erfasst wird und mittels des Differenzdruckes zwischen dem Druck in der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) und der wenigstens einen Receiverleitung (7) der Ist-Volumenstrom in der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) und/oder in der wenigstens einen Gaszuführleitung (10) berechnet wird und/oder das wenigstens eine Gasdrosselorgan (11) in Abhängigkeit von dem erfassten Volumenstrom an Gas und/oder einer hiervon abhängigen Größe gesteuert und/oder geregelt wird und/oder der Druck in der wenigstens einen Receiverleitung (7) erfasst wird, indem während eines vollständig geschlossenen Gasdrosselorganes (11) der Druck in der wenigstens einen Gaszwischenleitung (9) erfasst wird und/oder der erste Drucksensor (d1) und der zweite Drucksensor (d2) von nur einem Drucksensorbauteil (d1, d2) gebildet wird und von dem nur einem Drucksensorbauteil (d1, d2) der Druck in der Gaszwischenleitung (9) zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder Zeiträumen erfasst wird und während eines ersten Zeitpunktes oder Zeitraumes das Gasdrosselorgan (11) vollständig geschlossen ist, so dass von dem nur einem Drucksensorbauteil (d1, d2) während des ersten Zeitpunktes oder Zeitraumes der Druck in der Receiverleitung (7) und in der Gaszwischenleitung (9) erfasst wird und während eines zweiten Zeitpunktes oder Zeitraumes das Gasdrosselorgan (11) geöffnet ist, so dass von dem nur einem Drucksensorbauteil (d1, d2) während des zweiten Zeitpunktes oder Zeitraumes der Druck nur in der Receiverleitung (7) erfasst wird.