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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und insbesondere Motoren, die dazu ausgestaltet sind, mit mehr als einem Typ Kraftstoff zu arbeiten, etwa Diesel und Erdgas.
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Hintergrund
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Dualkraftstoff-Motoren sind für verschiedene Anwendungen bekannt, wie etwa Generatoraggregate, motorbetriebene Kompressoren, motorbetriebene Pumpen, Maschinen, geländegängige Lastwagen, Schiffsanwendungen und dergleichen. In der Regel sind solche Motoren stationär und arbeiten vor Ort. Der Betrieb solcher Motoren durch Ersatz einer bestimmten Menge von schwerem Kraftstoff, etwa Diesel, mit einem leichteren Kraftstoff, etwa Erdgas, Biogas, Flüssiggas (LPG) oder anderen Typen von Kraftstoff, die einfacher verfügbar und kostengünstiger sind, macht deren Betrieb effizienter.
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Dennoch kommt es oft vor, dass die Qualität des sekundären Kraftstoffes, der in bestimmten Gebieten verfügbar ist, nicht konsistent ist. Wenn zum Beispiel der sekundäre Kraftstoff Biogas ist, das in einem Gebiet vor Ort erzeugt wird, oder auch LPG oder Erdgas, das von lokalen Quellen zugekauft wird, variiert der Brennwert des Kraftstoffs oder die Methanzahl von Dieselkraftstoffen ziemlich sicher über die Zeit oder für unterschiedliche Chargen des zugekauften Kraftstoffs. Solche Veränderungen in der Methanzahl oder dem Brennwert des Kraftstoffes machen verschiedene Änderungen im Betrieb des Motors notwendig, etwa Dieselkraftstoff-Einspritzmengen, Einspritzzeitsteuerung und dergleichen, damit der Motor effizient gehalten wird.
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Darüber hinaus wird bei typischen Dualkraftstoff-Motoren, etwa einem Motor, der betrieben wird, um Erdgas zu verbrennen, dessen Verbrennung durch eine Dieselpiloteinspritzung gezündet wird, beträchtliche Zeit in einem Labor benötigt, um akzeptable Gassubstitutionsraten für den gesamten Betriebsbereich des Motors auszuarbeiten, während gleichzeitig der akzeptable Zylinderdruck, die Abgastemperatur und andere Motorbetriebsparameter innerhalb der Komponentengrenzen gehalten werden. Aufgrund der inhärenten Variabilität der Erdgaszusammensetzung sind diese Kalibrierungstechniken oft konservativ und können zu möglichen Verlusten in der Motorleistung führen, die theoretisch erzielbar ist. Alle diese und weitere Faktoren machen den Betrieb eines Motors vor Ort teurer und komplexer.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben eines Motors. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines ersten Kraftstoffs in einem Motorzylinder, Einspritzen eines zweiten Kraftstoff in den Motorzylinder zu einem Einspritzzeitpunkt (SOI), Liefern eines Motorparameters an ein Steuergerät, Liefern eines Zylinderparameters an das Steuergerät, Überwachen des Motorparameters und des Zylinderparameters mit dem Steuergerät, und Vergleichen des Motorparameters und des Zylinderparameters in dem Steuergerät mit entsprechenden Grenzen, um einen globalen Fehler zu bestimmen, der mit dem Motorparameter in Beziehung steht, und einen lokalen Fehler, der mit dem Zylinder in Beziehung steht. Gemäß dem Verfahren wird, während der globale Fehler und der lokale Fehler jeweils anzeigen, dass der Motorparameter und der Zylinderparameter unter den entsprechenden Grenzen liegen, der Einspritzzeitpunkt mit dem Steuergerät für alle Motorzylinder automatisch vorgerückt. Wenn der lokale Fehler darauf hinweist, dass der Zylinderparameter über der entsprechenden Grenze liegt, wird der Einspritzzeitpunkt für einen konkreten Zylinder automatisch mit dem Steuergerät verzögert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Motor mit einem Motorzylinder zur Verbrennung eines Gemischs eines ersten Kraftstoffs und eines zweiten Kraftstoffs. Der Motor umfasst ein erstes Kraftstoffsystem, das dazu ausgestaltet ist, den ersten Kraftstoff in den Motorzylinder zu liefern, eine Kraftstoffeinspritzdüse, die dazu ausgestaltet ist, den zweiten Kraftstoff in den Motorzylinder zu einem Einspritzzeitpunkt (SOI) einzuspritzen, einen ersten Sensor, der betrieben wird, um einen globalen Motorparameter bereitzustellen und ein erstes Signal zu liefern, das auf den globalen Motorparameter hinweist, und einen zweiten Sensor, der betrieben wird, um einen zylinderspezifischen Parameter des Motorzylinders bereitzustellen und ein zweites Signal zu liefern, das auf einen zylinderspezifischen Motorparameter hinweist. Ein Steuergerät ist angeordnet, um das erste Signal und das zweite Signal zu empfangen und wird betrieben, um den globalen Motorparameter und den zylinderspezifischen Motorparameter zu überwachen. Das Steuergerät ist dazu ausgestaltet, den globalen Motorparameter mit einer entsprechenden Grenze zu vergleichen, um einen globalen Fehler zu bestimmen, und auch den zylinderspezifischen Parameter mit einer entsprechenden Grenze zu vergleichen, um einen lokalen Fehler zu bestimmen. Während der globale Fehler darauf hinweist, dass der Motorparameter unter seiner entsprechenden Grenze liegt, und während auch der lokale Fehler darauf hinweist, dass der zylinderspezifische Parameter unter seiner entsprechenden Grenze liegt, wird der Einspritzzeitpunkt automatisch mit dem Steuergerät für alle Motorzylinder vorgerückt. Während der lokale Fehler darauf hinweist, dass der zylinderspezifische Parameter über seiner entsprechenden Grenze liegt, wird der Einspritzzeitpunkt für den konkreten Motorzylinder automatisch mit dem Steuergerät verzögert.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zur automatischen Kalibrierung eines Motors, der mit einem ersten Kraftstoff und einem zweiten Kraftstoff betrieben wird. Das Verfahren umfasst: Vergleichen eines jeden einer Vielzahl von globalen und lokalen Motorbetriebsparametern mit entsprechenden Grenzen, und Bestimmen, ob einer der Vielzahl von globalen und lokalen Motorbetriebsparametern seine entsprechende Grenze überschritten hat. Während des Betriebs wird, während keiner der Vielzahl von globalen und lokalen Motorbetriebsparametern seine entsprechende Grenze überschritten hat, der Einspritzzeitpunkt (SOI) für alle Motorzylinder automatisch und inkrementell vorgerückt. Falls zumindest einer der lokalen Motorbetriebsparameter seine entsprechende Grenze überschreitet, wird der Einspritzzeitpunkt für einen der Motorzylinder, der dem lokalen Motorbetriebsparameter entspricht, verzögert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors, der dazu ausgestaltet ist, unter Verwendung zweier Kraftstoffversorgungen betrieben zu werden, in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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2 bis 4 sind jeweils ein Blockdiagramm eines Kraftstoffsubstitutions-Steuergeräts in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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5 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Dualkraftstoff-Fähigkeit in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors 100 gemäß der Offenbarung. Wie gezeigt ist der Motor 100 ein Motor, der dazu ausgestaltet ist, eine hybridelektrische Maschine anzutreiben, und ist Teil eines Generatoraggregats, das elektrische Leistung erzeugt, um Elektromotoren anzutreiben, die eine Maschine, Lokomotive und dergleichen vortreiben. Alternativ kann der Motor 100 Teil einer Maschine oder eines geländegängigen Lastwagens sein und direkt mit einer Fluidpumpe verbunden sein, die Teil eines hydrostatischen Antriebssystems, einer mechanischen Antriebsanordnung und dergleichen ist, oder eine andere motorbetriebene Anwendung, wie etwa eine motorbetriebene Pumpe, ein motorbetriebener Generator, ein motorbetriebenes Getriebe und dergleichen. Der Motor 100 hat eine Ausgangswelle 102, die mit einem System verbunden ist, das durch den Motor angetrieben wird, etwa einem Generator 104 oder einem beliebigen anderen System. Während des Betriebs kann der Motor 100 mit einer nahezu konstanten Motordrehzahl aber einer variablen Last in Abhängigkeit von einer elektrischen Leistung oder einem Strom, der von dem Generator 104 ausgegeben wird, betrieben werden. Es sollte klar sein, dass der Motor im Allgemeinen oft mit unterschiedlichen Motordrehzahlen und Lasten arbeiten kann, je nach der Geschwindigkeit und dem Ladegewicht der Maschine. Ein Steuergerät 105 kann operativ den verschiedenen Motor- und/oder Generatorsystemen zugeordnet sein. Das Steuergerät 105 umfasst in der illustrierten Ausführungsform operative Verbindungen mit verschiedenen Sensoren und Systemen des Motors 100 und Generators 104, und ist dazu ausgestaltet, Informationen über die Betriebsparameter derselben zu empfangen sowie über diese Verbindungen Befehle an verschiedene Stellglieder und Systeme zu senden.
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Das Steuergerät 105 kann ein einzelnes Steuergerät sein oder kann mehr als ein Steuergerät umfassen, das angeordnet ist, um verschiedene Funktionen und/oder Merkmale des Systems zu steuern. Zum Beispiel kann ein übergeordnetes Steuergerät, das zur Steuerung des allgemeinen Betriebs und der Funktion des Generatoraggregats verwendet wird, kooperativ mit einem Motorsteuergerät implementiert sein, das zur Steuerung des Motors 100 verwendet wird. In dieser Ausführungsform soll die Bedeutung des Begriffs ”Steuergerät” ein, zwei oder mehr Steuergeräte umfassen, die dem Motor 100 zugeordnet sein und bei der Steuerung verschiedener Funktionen und Betriebsvorgänge des Motors 100 und des Generators 104 zusammenwirken können. Während die Funktionalität des Steuergeräts 105 in 2 nur zur Veranschaulichung konzeptuell so dargestellt wird, dass sie verschiedene diskrete Funktionen umfasst, kann sie unabhängig von der gezeigten diskreten Funktionalität in Hardware und/oder Software implementiert werden. Dementsprechend werden verschiedene Schnittstellen des Steuergeräts in Verbindung mit Komponenten des in dem Blockdiagramm von 2 dargestellten Generatoraggregats beschrieben. Solche Schnittstellen sollen nicht die Art und die Anzahl der Komponenten einschränken, die angeschlossen sind, noch soll die Anzahl der Steuergeräte eingeschränkt sein, die beschrieben wird.
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Dementsprechend ist das Steuergerät 105 in der illustrierten Ausführungsform dazu ausgestaltet, Informationen zu empfangen, die auf verschiedene Betriebsparameter des Motors 100 hinweisen, und verschiedene Betriebsparameter des Motors 100, wie etwa die Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung, zulässige oder gewünschte Kraftstoffsubstitutionsraten in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Motors 100 und dergleichen, zu steuern. Der Motor 100 kann verschiedene Komponenten und Systeme umfassen, etwa Schmier- und elektrische Systeme, die zur Vereinfachung in 1 weggelassen wurden. Relevant für die vorliegende Offenbarung ist, dass der Motor 100 ein Kurbelgehäuse 106 mit einem oder mehreren darin ausgebildeten Verbrennungszylindern 108 aufweist. Obwohl sechs Zylinder 108 in einer Reihenkonfiguration dargestellt sind, kann eine beliebige andere Anzahl von Zylindern, die in unterschiedlichen Konfigurationen, etwa einer ”V”-Konfiguration angeordnet sein können, verwendet werden.
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Jeder Zylinder 108 umfasst einen oszillierenden Kolben, der eine Verbrennungskammer definiert, die mit einer Einlasssammelleitung 110 und einer Abgassammelleitung 112 verbindbar ist. Ein Turbolader 124 ist zwischen den Auslass- und Einlasssammlern 112 und 110 auf bekannte Weise angeschlossen. Während in der illustrierten Ausführungsform ein Turbolader dargestellt ist, können die Systeme und Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung auf einem beliebigen Maschinentyp verwendet werden. Jeder Zylinder 108 umfasst eine Einspritzdüse 126 zur Diesel-Direkteinspritzung. Diese Diesel-Einspritzdüsen 126 sind mit einer Quelle von unter Druck stehendem Dieselkraftstoff verbunden, die Kraftstoff an jede Einspritzdüse 126 über eine Dieselkraftstoffleitung 128 liefert. Jede Einspritzdüse 126 ist dazu ausgestaltet, während des Motorbetriebs in Ansprechen auf einen geeigneten Befehl von dem Steuergerät 105 eine vorbestimmte Menge an Dieselkraftstoff 130 in jeden Zylinder 108 einzuspritzen. Zum Beispiel kann das Steuergerät 105 dazu ausgestaltet sein, Zeitsteuerungsinformationen von dem Motor 100 zu erhalten, die dazu verwendet werden, den geeigneten Einspritzzeitpunkt für jeden Verbrennungszylinder 108 zu bestimmen.
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In der vorliegenden Offenbarung kann die konkrete Menge an Dieselkraftstoff 130, die während des Betriebs an jeden Zylinder geliefert wird, kontinuierlich und dynamisch während des Motorbetriebs auf der Grundlage verschiedener Motorbetriebsparameter eingestellt werden. In einem selbstkalibrierenden oder automatischen Kalibrierungsverfahren lässt man das Steuergerät 105 eine Selbstkalibrierung vornehmen, so dass es verschiedene Motorventile und -systeme betreibt, um eine maximal mögliche betriebliche Effizienz für den Motor zu erreichen, zum Beispiel durch Zugabe einer maximal möglichen Menge an Gas, oder durch Verändern anderer Parameter, während gleichzeitig die Vorgaben der Hardwarekomponenten eingehalten werden. Nähert es sich einem Hardware-Grenzwert, stellt das System automatisch die Kalibrierung ein, um die Hardwaregrenzen innerhalb der akzeptablen Bereiche zu halten. Das System, das im Folgenden noch in größerem Detail beschrieben wird, kann eine oder mehrere der folgenden Eingänge verwenden: Turbineneinlasstemperatur, Turboladerdrehzahl, Zylinderspitzendruck (je Zylinder), indizierter effektiver Mitteldruck (je Zylinder), Kurbelwinkelstellung bei 50 % Verbrennung (je Zylinder), Zylinderdetonation (je Zylinder), Auslasstemperatur (je Zylinder oder global für den gesamten Motor), und andere Parameter. Das innerhalb des Steuergeräts 105 arbeitende Steuersystem ist in dieser Hinsicht dazu programmiert, auf die angeführten Parameter zu reagieren und verschiedene Kalibrierungseinstellungen an dem Motorbetrieb automatisch vorzunehmen. Die verschiedenen Kalibrierungsparameter, die auf diese Weise eingestellt werden können, umfassen den Diesel-Einspritzzeitpunkt (je Zylindersteuerung), die Diesel-Einspritzmenge (je Zylindersteuerung), die Gasmengeneinstellung auf der Grundlage der Anzahl der aktiven Zylinder und weitere Einstellungen. Durch Einstellen dieser Parameter kann der Motor so betrieben werden, dass alle Motorzylinder nahe ihrer jeweiligen Hardwaregrenzen arbeiten, ohne durch einen relativ höheren Zylinderspitzendruck in einem der Zylinder eingeschränkt zu werden. Das Einstellen dieser Parameter erlaubt es auch, den Motor näher an seinen mechanischen Grenzen zu betreiben, als dies in der Vergangenheit möglich war. Zum Beispiel wurde in der Vergangenheit unter bestimmten Betriebsbedingungen der Motor an seiner Zylinderspitzendruckgrenze betrieben, was die Gassubstitution verringert. Bei einem selbstkalibrierenden oder dynamisch kalibrierten System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann, wenn eine Zylinderspitzendruckgrenze erreicht wird, während die Grenzen der Turbodrehzahl und Turbineneinlasstemperatur noch nicht erreicht wurden, die Zeitsteuerung im globalen Maßstab (d. h., für alle Motorzylinder) verzögert werden, um den Zylinderspitzendruck zu senken, während die Grenzen der Turbodrehzahl und Turbineneinlasstemperatur eingehalten werden.
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Dementsprechend ist der Motor 100 dazu ausgestaltet, mit einem ein zweiten Kraftstoff, in diesem Fall Erdgas, betrieben zu werden, und umfasst somit des Weiteren eine sekundäre Kraftstoff-Einspritzdüse 114 an jedem Zylinder 108, die dazu angeordnet ist, Kraftstoff direkt in jeden Zylinder einzuspritzen. In einer alternativen Ausführungsform kann eine einzelne sekundäre Kraftstoff-Einspritzdüse 114 den gasförmigen Kraftstoff in die Einlasssammelleitung 110 liefern, die den Kraftstoff dann an alle aktiven Zylinder in dem Motor verteilt. Die sekundären Kraftstoff-Einspritzdüsen 114 sind Gaskraftstoffeinspritzdüsen 114, die mit einer Zufuhr oder einem Reservoir 115 für gasförmigen Kraftstoff wirkverbunden sind, das ein Tankreservoir oder alternativ eine druckgeregelte Zufuhr von einer Quelle vor Ort sein kann, etwa Biogas von einer Deponie, Erdgas von einem Bohrloch und dergleichen. Die Gas-Kraftstoffeinspritzdüsen 114 werden betrieben, um eine vorbestimmte Menge an gasförmigem oder anderem sekundären Kraftstoff in die Motorzylinder 108 zu liefern. Der zugeführte Kraftstoff mischt sich mit eingehender Luft 125, um ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch zu bilden, das in den Zylindern 108 eingeschlossen wird. Luft wird über die Einlassventile 122 zugeführt.
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Während des Betriebs wird das Luft-/Kraftstoff-Gemisch in jedem Zylinder 108 komprimiert. Dieselkraftstoff wird zu einem geeigneten Zeitpunkt und mit geeigneter Dauer während des Motorbetriebs in jeden Zylinder 108 eingespritzt, um ein fetteres Luft-/Kraftstoff-Gemisch bereitzustellen, als es bereits in dem Zylinder 108 vorliegt. Die Kompression dieses Gemischs innerhalb des Zylinders 108 verursacht eine Selbstentzündung des darin enthaltenen Dieselkraftstoffs, was dann die Verbrennung aller in dem Zylinder vorhandenen brennbaren Kraftstoffe auslöst. Dies umfasst den Dieselkraftstoff sowie den sekundären Kraftstoff, der zuvor durch die sekundäre Kraftstoff-Einspritzdüse 114 zugeführt wurde.
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Die Selbstzündung des durch jede Einspritzdüse 126 gelieferten Dieselkraftstoffes verursacht die Verbrennung eines Luft-/Kraftstoff-Gemischs, das in einem komprimierten Zustand in jedem Zylinder 108 vorliegt. Jeder Zylinder 108 ist dazu ausgestaltet, selektiv Luft von der Einlasssammelleitung 110 zu erhalten, die für einen Saugmotor etwa bei oder unter Atmosphärendruck liegen kann, oder alternativ bei einem turbogeladenen oder aufgeladenen Motor unter positivem Überdruck stehen kann.
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Während des Betriebs wird Luft von der Einlasssammelleitung 110 an jeden Zylinder 108 jeweils über erste und zweite Einlassanschlüsse 116 und 118 geliefert. Die ersten und zweiten Einlassanschlüsse 116 und 118 jedes Zylinders 108 können direkt mit einem Einlasskammervolumen 120 der Einlasssammelleitung 110 verbunden sein, oder können alternativ Zweigleitungen eines kombinierten Einlassanschlusses (nicht dargestellt) sein, der sich fluidmäßig zu dem Einlasskammervolumen 120 öffnet. Ein erstes Einlassventil 122 ist so angeordnet, dass es den Zylinder 108 fluidmäßig von dem ersten Einlassanschluss 116 isoliert, und ein zweites Einlassventil 122 ist in ähnlicher Weise so angeordnet, dass des den Zylinder 108 fluidmäßig von dem zweiten Einlassanschluss 118 isoliert. Wenn das erste und zweite Einlassventil 122 geschlossen sind, etwa während der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemischs in dem Zylinder 108, wird die Fluidkommunikation zwischen dem jeweiligen Zylinder 108 und der Einlasssammelleitung 110 blockiert. In ähnlicher Weise erlaubt die zumindest teilweise Öffnung jedes der ersten und/oder zweiten Einlassventil(e) 122 die Fluidkommunikation des Zylinders 108 mit dem Einlasskammervolumen 120, so dass Luft 125 in den Zylinder 108 eintreten kann. Die Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemischs in dem Zylinder 108 erzeugt Leistung, die als ein Drehmoment an eine Ausgangswelle 102 übertragen werden kann, um den Generator 104 anzutreiben. Der Generator 104 ist dazu ausgestaltet, elektrische Leistung an einem Ausgangsknoten bereitzustellen. Abgas, das nach der Verbrennung von Kraftstoff aus jeder Einspritzdüse 126 mit Luft von den ersten und zweiten Einlassanschlüssen 122 innerhalb jedes Zylinders 108 verbleibt, wird abgezogen und in der Abgassammelleitung 112 gesammelt. In der illustrierten Ausführungsform ist jeder Zylinder 108 fluidmäßig mit einem Abgaskammervolumen 132 über zwei Abgasanschlüsse 134 verbindbar. Jeder Auslassanschluss 134 ist fluidmäßig von dem Zylinder 108 durch ein entsprechendes Auslassventil 136 isolierbar. Das gesammelte Abgas 138 wird aus der Abgassammelleitung 112 entfernt. Obwohl zwei Auslassventile 136 für jeden Zylinder 108 dargestellt sind, können auch ein einzelnes Auslassventil, das in einem einzelnen Auslassanschluss je Zylinder 108 angeordnet ist, oder mehr als zwei Ventile verwendet werden, je nach Motorkonfiguration.
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Das System aus Motor 100 und dem damit verbundenen Generator 104 umfasst verschiedene Sensoren, die für die vorliegende Offenbarung relevant sind. Insbesondere ist ein Turbolader-Drehzahlsensor 140, der in 1 allgemein dargestellt ist, dem Turbolader 124 zugeordnet und dazu ausgestaltet, einen Parameter zu messen, der auf eine Drehzahl einer Turboladerwelle hinweist. Signale, die auf die von dem Sensor 140 gemessene Turboladerdrehzahl hinweisen, werden an das Steuergerät 105 geliefert. Ein Zylinderdrucksensor 142 kann jedem Zylinder 108 (nur einer dargestellt) zugeordnet sein und kann an das Steuergerät Signale liefern, die während des Betriebs auf den Zylinderdruck innerhalb jedes Zylinders 108 hinweisen, so dass das Steuergerät 105 die Zeitsteuerung und die Eigenschaften der Verbrennung von Kraftstoff/Luft innerhalb jedes Zylinders ableiten, abschätzen oder berechnen kann. Ein Abgastemperatursensor 150 kann jedem Zylinder 108 (nur einer dargestellt) zugeordnet sein und an das Steuergerät ein Temperatursignal liefern, das auf die Temperatur des Abgases hinweist, das von jedem Zylinder 108 geliefert wird. Zusätzliche Sensoren können verwendet werden, etwa Luftströmungs-, Luftdruck- und/oder Sauerstoffkonzentrations-Sensoren (nicht dargestellt), die dazu ausgestaltet sind, Parameter der eingehenden Luftströmung 125 zu messen. In der illustrierten Ausführungsform ist ein Motordrehzahlsensor 145 mit dem Steuergerät 105 verbunden und dazu ausgestaltet, ein Signal zu liefern, das während des Betriebs auf den momentanen Kurbelwellenwinkel (oder Nockenwellenwinkel) des Motors hinweist, wie er zum Beispiel durch eine Zeitscheibe gemessen wird, die mit der Welle 102 oder einer anderen geeigneten Position verbunden ist.
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Ein sekundärer Kraftstoffsensor 144, zum Beispiel ein Drucksensor, ist einer sekundären Kraftstoffversorgungsleitung 146 an einer Position stromabwärts eines sekundären Kraftstoffströmungs-Steuerventils 148 zugeordnet. In einer Ausführungsform, in der der sekundäre Kraftstoff ein Gas ist, wie zum Beispiel in 1 dargestellt, kann das Steuerventil 148 operativ dem Steuergerät 105 zugeordnet und dazu ausgestaltet sein, die Strömung von Kraftstoff von dem Reservoir 115 zu der Einspritzdüse 114 in Ansprechen auf geeignete Signale von dem elektronischen Steuergerät 105 zu dosieren. Der sekundäre Kraftstoffströmungssensor 144 kann sich an beliebiger Position entlang der Kraftstoffleitung 146 befinden. In der illustrierten Ausführungsform befindet sich der Kraftstoffströmungssensor 144 stromabwärts des Steuerventils 148. Der sekundäre Kraftstoffströmungssensor 144 kann ein beliebiger geeigneter Typ von digitalem oder analogem Ausgabesensor sein, der dazu ausgestaltet ist, ein Signal an das elektronische Steuergerät 105 zu liefern, das auf den Massendurchsatz oder die Volumenströmungsrate von gasförmigem Fluid hinweist, das die Einspritzdüse 114 während des Motorbetriebs passiert.
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Ein Blockdiagramm für ein Steuergerät 200 ist in 2 dargestellt. Das Steuergerät 200 kann Teil eines größeren Steuerschemas zur Steuerung und Überwachung des Betriebs des Motors 100 (1) sein. Das Steuergerät 200 kann ferner in das elektronische Steuergerät 105 (1) integriert sein und darin betrieben werden, so dass Eingänge und Ausgänge des Steuergeräts 200 Signale sind, die innerhalb des elektronischen Steuergeräts 105 vorliegen.
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Das Steuergerät 200 arbeitet, um einen Befehl oder ein Signal für den Einspritzzeitpunkt (SOI) an jede der Dieselkraftstoff-Einspritzdüsen 126 (1) zu liefern, das/der eine gewünschte Motorzeitsteuerung liefert. Wie oben erläutert wird der SOI-Befehl nicht nur durch eine Basiskalibrierung vorbestimmt, sondern auch dynamisch während des Motorbetriebs eingestellt, um sicherzustellen, dass der Motor mit einer gewünschten Effizienz arbeitet, während dennoch gewünschte mechanische und andere betriebliche Grenzen der verschiedenen Motorkomponenten und -systeme eingehalten werden. In der gezeigten Ausführungsform ist das Steuergerät 200 ein übergeordnetes Steuergerät, das einen Haupt- oder Basiswert für den Einspritzzeitpunkt auf der Grundlage von Bedingungen innerhalb jedes Motorzylinders sowie von Bedingungen des allgemeinen Motorbetriebs einstellt.
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In einer in Betracht gezogenen Ausführungsform arbeitet das Steuergerät 200, um globale Einstellungen (d. h., für alle Motorzylinder oder für den gesamten Motor) in verschiedenen Motorbetriebsparametern bereitzustellen, etwa Einspritzzeitpunkt (SOI), sowie in anderen Motorparametern, zum Beispiel, der Rate der Abgasrückführung (AGR), Kraftstoffgaleriedruck, Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, und dergleichen. Die globalen Einstellungen erfolgen auf der Grundlage globaler Motorbetriebsparameter wie etwa Turboladerdrehzahl, Abgastemperatur und dergleichen. Gleichzeitig arbeitet das Steuergerät 200 auch, um lokale Einstellungen (d. h., für jeden Zylinder separat) zu bewirken, die mit einer höheren Rate als die globalen Einstellungen ausgeführt werden. Die lokalen Einstellungen werden auf der Grundlage lokaler Parameter durchgeführt, etwa von Parametern, die direkt oder indirekt mit dem Zylinderdruck in Beziehung stehen, und werden für jeden Zylinder separat vorgenommen, um einen Motorbetriebsparameter wie etwa SOI für jeden konkreten Zylinder nach Bedarf zu verändern.
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Insbesondere empfängt das Steuergerät 200 als Eingabe einen Zylinderspitzendruckwert (PCP) 202 für jeden der Zylinder des Motors. Zum Beispiel würde das Steuergerät für den Motor 100 in 6, der 8 Zylinder aufweist, auf der Grundlage von 8 unterschiedlichen Zylinderspitzendrücken arbeiten und diese überwachen, auf der Grundlage von Informationen, die von acht unterschiedlichen Zylinderdrucksensoren geliefert werden, die jeweils einem jeweiligen der Motorzylinder zugeordnet sind. Jeder PCP 202 wird an einem Komparator 206, der einen PCP-Fehler 208 liefert, mit einem PCP-Grenzwert 204 verglichen, der die Zylinderspitzendruckgrenze für den Motorzylinder darstellt. Diese Berechnung wird für jeden Motorzylinder separat durchgeführt, so dass eine Anzahl von PCP-Fehlern 208 berechnet wird, die der Anzahl der Motorzylinder entspricht, wobei jeder Fehler auf der Grundlage der Zylinderdruckablesungen berechnet wird, die von jedem konkreten Zylinder erhalten werden. In der illustrierten Ausführungsform ist zur Vereinfachung nur eine PCP-Fehlerberechnung 208 dargestellt, doch sollte klar sein, dass die gezeigten Berechnungen für jeden zusätzlichen Zylinder des Motors eigens ausgeführt werden. Der PCP-Fehler 208 ist erwartungsgemäß ein positiver Wert, der auf den Puffer oder die Spanne im Hinblick auf den Zylinderdruck hinweist, bei dem jeder Motorzylinder arbeitet. Auf ähnliche Weise wird ein Explosionsdruckwert 210 in einem Komparator 214 mit einem Explosionsdruckgrenze 212 verglichen, um einen Explosionsdruckfehler 216 zu liefern, der auf den relativen Puffer des Explosionsdrucks innerhalb jedes Motorzylinders zum Zeitpunkt der Auslösung der Verbrennung in Bezug auf die mechanischen Grenzen der verschiedenen Motorkomponenten hinweist, die dem Motorzylinder zugeordnet sind. In alternativen Ausführungsformen können zusätzliche oder unterschiedliche zylinderspezifische oder lokale Motorparameter verwendet werden, etwa IMEWP, MBF50, und dergleichen.
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Der PCP-Fehler 208 und Explosionsfehler 216 für jeden Motorzylinder werden an eine erste Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 218 geliefert, die arbeitet, um die Motorzeitsteuerung inkrementell einzustellen, d. h., den SOI vorzurücken oder zu verzögern, in Abhängigkeit von dem Zustand der PCP- und Explosionsfehler 208 und 216 für jeden Zylinder separat und für jeden konkreten Zylinder des Motors. Insbesondere wenn sowohl der PCP- als auch der Explosionsfehler 208 und 216 für einen konkreten Motorzylinder beide positiv sind, was darauf hinweist, dass der konkrete Zylinder innerhalb seines jeweiligen Puffers arbeitet und die jeweiligen PCP- und Explosionsgrenzen nicht überschritten wurden, wird die Zeitsteuerung für diesen Zylinder inkrementell vorgerückt. Dasselbe Verfahren wird gleichzeitig für die verbleibenden Motorzylinder ausgeführt. Wenn entweder der PCP-Fehler 208 oder der Explosionsfehler 216 negativ wird, was darauf hinweist, dass eine jeweilige Grenze für einen konkreten Zylinder überschritten wurde, und während die globalen Motorparameter, die überwacht werden, etwa Motorabgastemperatur und Turboladerdrehzahl, unter ihren entsprechenden Grenzen liegen, wird die Zeitsteuerung für diesen Zylinder inkrementell verzögert, bis beide Fehler wieder positiv sind. Diese Einstellung wird kontinuierlich während des Motorbetriebs vorgenommen. Eine Sättigungsfunktion 220 mit einer oberen Grenze 222 und einer unteren Grenze 224 wird auf den Ausgang der ersten Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 218 angewendet, um ein erstes gepuffertes Einstellsignal 226 zu liefern, dass eine inkrementelle Änderung der Zeitsteuerung darstellt, die von der ersten Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 218 geliefert wird. Es wird angemerkt, dass eine Zeitkonstante oder eine Größenordnung der Zeitsteuerungseinstellung in diesem Teil des Steuergeräts 200 dazu ausgestaltet ist, relativ rasche Einstellungen an dem SOI vorzunehmen.
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Auf ähnliche Weise führt das Steuergerät 200 eine globale Einstellung durch. Zu diesem Zweck erhält das Steuergerät 200 ein Turboladerdrehzahl-Signal 228, das in einem Komparator 232 mit einer Turboladerdrehzahl-Grenze 230 verglichen wird, um einen Drehzahlfehler 233 zu liefern. Zur selben Zeit wird eine allgemeine Abgastemperatur 234 des Motors in einem Komparator 240 mit einer Abgastemperaturgrenze 236 verglichen, um einen Temperaturfehler 241 zu liefern. Der Drehzahl- und Temperaturfehler 233 und 241 werden an eine zweite Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 242 geliefert, die dazu ausgestaltet ist und arbeitet, um die Zeitsteuerung vorzurücken, wenn beide Fehler positiv sind und die Fehler 208 und 216 positiv sind, was darauf hinweist, dass die Turboladerdrehzahl und die Abgastemperaturen des Motors unter ihren jeweiligen Grenzen liegen. Wenn der Drehzahlfehler 233 oder der Temperaturfehler 241 negativ wird, was darauf hinweist, dass eine jeweilige Grenze überschritten wurde, arbeitet die zweite Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 242, um die Zeitsteuerung vorzurücken, während die Fehler 208 und 216 positiv bleiben, was darauf hinweist, dass eine ausreichende Spanne in Bezug auf den Zylinderspitzendruck und den Explosionsdruck vorliegt. Wenn der Drehzahlfehler 233 bei null liegt, was darauf hinweist, dass der Turbolader an seiner Drehzahlgrenze arbeitet, wird die Zeitsteuerung nicht eingestellt.
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Der Ausgang der zweiten Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 242 wird an eine Sättigungsfunktion 244 geliefert, die eine obere Grenze 246 und eine untere Grenze 248 aufweist. Der gepufferte Ausgang der Sättigungsfunktion 244, der eine Veränderung der Zeitsteuerung darstellt, wird zu einem Basis-Zeitsteuerungswert 250 in einem Addierer 252 hinzugefügt, um eine gewünschte Zeitsteuerungseinstellung 254 zu erzeugen, die global auf alle Motorzylinder angewendet wird, und zu welcher das erste gepufferte Einstellsignal 226 in einem Addierer 256 hinzugefügt wird, um einen kompensierten Zeitsteuerungsbefehl 258 für jeden konkreten Zylinder bereitzustellen. Der kompensierte Zeitsteuerungsbefehl 258 wird an weitere Steuergeräte des Motors geliefert, um eine Veränderung des SOI zu bewirken, die auf alle Motorzylinder des Motors angewendet wird.
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Das Steuergerät 200 kann mit verschiedenen Verbesserungen und/oder alternativen Implementierungen implementiert werden. Eine alternative Ausführungsform ist in 3 dargestellt. In dieser Ausführungsform vergleicht ein Steuergerät 300 die Abgastemperatur 302 mit einer gewünschten Abgastemperatur 304, um einen Temperaturfehler 306 zu erzeugen, was wie zuvor auf den Puffer im Hinblick auf die Temperatur hinweist und eine globale Einstellung des SOI für alle Motorzylinder treibt. Der Temperaturfehler wird an eine erste Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 308 geliefert, die arbeitet, um die Zeitsteuerung vorzurücken, während der Temperaturfehler negativ ist. Das Steuergerät vergleicht ein Verhältnis 310 des PCP mit Welligkeit, Klopfen oder Explosionsdruck für jeden individuellen Motorzylinder, was auf die Verbrennung in dem Zylinder hinweist, mit einem gewünschten Verhältnis 312, um einen Verhältnisfehler 314 für jeden Motorzylinder zu erzeugen. Die Verhältnisfehler 314 werden an jeweilige integrale Steuergeräte 316 geliefert, die jeweils einen Verhältnis-Einstellungsterm 318 liefern, der auf den jeweiligen Motorzylinder angewendet wird. Wenn der Temperaturfehler 306 und alle Verhältnisfehler 314 positiv werden, rückt die erste Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 308 die Zeitsteuerung dennoch vor, verzögert aber die Zeitsteuerung, wenn das Temperaturverhältnis positiv ist, aber einer der Verhältnisfehler 314 negativ wird, und friert die Zeitsteuerung ein, wenn der Temperaturfehler 306 null wird, d. h., der Motor an der Abgastemperaturgrenze arbeitet. Der Ausgang der ersten Zeitsteuerungs-Einstellfunktion 308 wird in einem Addierer 322 zu der Basiszeitsteuerung 320 addiert, und dazu wird auch der Verhältnis-Einstellungsterm 318 addiert, um einen SOI-Befehl 324 zu liefern. Wenn man den Betrieb des Steuergeräts 300 mit dem Steuergerät 200 vergleicht, kann man erkennen, dass das Steuergerät 300 die Zeitsteuerung sogar dann vorrücken kann, wenn die Abgastemperaturgrenze überschritten wird, während das Verhältnis des PCP zur Welligkeit innerhalb des Zylinders, das auf eine konsistente Verbrennung hinweist, noch innerhalb der Grenzen liegt.
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Während des Betriebs kann auch die Gassubstitution maximiert werden, indem sie erhöht wird, solange keine Grenze der Gassubstitution oder eines Gasfaktors erreicht wird. Ein Steuergerät 400 zum Bestimmen eines Gasgrenzwertfaktors 402 ist in 6 dargestellt. Das Steuergerät 400 überwacht eine Gaskraftstoff-Ventilstellung 404 und vergleicht sie mit einer maximalen Stellung 406, um eine Ventilstellungsdifferenz 408 zu liefern. Zur selben Zeit vergleicht das Steuergerät einen PCP 410 mit einer PCP-Grenze 412, die auf der Grundlage einer Karte 414 festgelegt wird, in der die vorliegende Gassubstitutionsrate 416 und Leistungsanteil 418 oder Motorleistung eingetragen sind, um einen PCP-Fehler 420 zu liefern. Das Steuergerät vergleicht auch eine Welligkeit 422 mit einer Welligkeitsgrenze 424, die auf der Grundlage einer Karte 426 festgelegt wird, in der die vorliegende Gassubstitutionsrate 416 und Leistungsanteil 418 oder Motorleistung eingetragen sind, um einen Welligkeits-Fehler 428 zu liefern. Ein Temperaturfehler 430 wird geliefert, wenn die Abgastemperatur 432 mit einer Temperaturgrenze 434 verglichen wird.
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Eine Funktion wählt den jeweils geringeren aus PCP-Fehler 420, Welligkeitsfehler 428 und Temperaturfehler 430 aus, was darauf hinweist, welcher der Betriebsparameter am nächsten zu seiner jeweiligen Grenze arbeitet, und aktiviert einen Schalter 431, um durch den niedrigsten von 420, 428 und 430 zu dem Gasgrenzwert 433 zu laufen, wenn die Einspritzzeitpunkt-Einstellung gestoppt wird. Während der SOI eingestellt wird, wird der Schalter 431 aktiviert, um einen nicht negativen Wert als die Gasgrenze 433 zu liefern, der an ein Steuergerät geliefert wird, das arbeitet, um eine Gasgrenze des Motors zu erhöhen, so dass eine maximale Menge der Gassubstitution für den Motor erhöht wird, bis ein Grenzwert erreicht wird, wie dies oben beschrieben wurde. Es ist anzumerken, dass, während verschiedene Parameter hierin in Bezug auf die Überwachung individueller Zylinder erläutert werden, diese Parameter auch insgesamt für alle Zylinder zusammen in Betracht gezogen werden können, zum Beispiel, indem ein einzelner Sensor einbezogen wird, oder im Fall von zylinderspezifischen Parametern wie etwa PCP oder Welligkeit, ein gewichteter, gleitender Durchschnitt für alle Motorzylinder berechnet wird.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Dualkraftstoff-Verbrennungsmotoren. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Besonderen auf Motoren, die mit Erdgas, Flüssiggas (LPG), Biogas, oder einem beliebigen anderen brennbaren Kraftstoff arbeiten, und mit elektrischen Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Leistung verbunden sind; es können jedoch beliebige andere Typen von Motoren verwendet werden. Zusätzliche Anwendungsbeispiele, die in Betracht gezogen werden, sind Motoren, die verwendet werden, um Maschinen und/oder andere geländegängige Lastwagen anzutreiben, die mit Generatoren verbunden sind, die Teil von hybridelektrischen Antriebssystemen sind, Fluidpumpen, die Teil von hydrostatischen Antriebssystemen sind, und dergleichen. Dementsprechend sind die hierin offenbarten Systeme und Verfahren auf Motoren anwendbar, die in großen Anlagen installiert sind, etwa Lokomotiv- oder Schiffsanwendungen, sowie Motoren, die in Fahrzeugen installiert sind, etwa in der LKW- oder Automobilindustrie.
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Ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Dualkraftstoff-Motors und insbesondere eines Gaskraftstoffmotors unter Verwendung einer Einspritzung von Diesel zum Auslösen der Verbrennung innerhalb jedes Motorzylinders ist in 5 dargestellt. In Übereinstimmung mit dem Verfahren wird zumindest ein Motorparameter mit einem Motorsteuergerät bei 502 überwacht. Unter Verwendung des Steuergeräts wird ein globaler Motorparameter wie etwa Turboladerdrehzahl, Abgastemperatur und dergleichen mit entsprechenden Grenzwert(en) verglichen. Zur selben Zeit wird ein Parameter, der für einen konkreten Motorzylinder spezifisch ist, oder ein lokaler Motorparameter, wie etwa Zylinderspitzendruck, Verbrennungsdruck und dergleichen, mit einer entsprechenden Grenze verglichen. Dies erfolgt unabhängig für jeden einer Vielzahl von Motorzylindern. Das Steuergerät vergleicht dann bei 504 den globalen Motorparameter und den lokalen Motorparameter oder Zylinderparameter mit ihren jeweiligen Grenzen. Während der globale Motorparameter und alle lokalen Motorparameter unter ihren entsprechenden Grenzen liegen, wird bei 506 der SOI für alle Motorzylinder auf inkrementelle Weise und je nach Anforderung vorgerückt. Wenn ein konkreter lokaler Motorparameter seine Grenze übersteigt, und während die globale Motorparameter noch unter ihren Grenzen liegen, wird der SOI für den konkreten Zylinder entsprechend dem lokalen Motorparameter, der seinen Grenzwert überschreitet, bei 508 verzögert. Dieses Verfahren setzt sich fort, während der Motor in Betrieb ist, so dass die Motorzeitsteuerung kontinuierlich bezüglich der Einstellung überwacht wird, während der Motor in Betrieb ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und stellen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen dar. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung dieser Merkmale angeben, diese jedoch nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts Anderes angegeben ist.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts Anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
