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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere Kraftmaschinen, die dafür ausgelegt sind, mit mehr als einer Art von Kraftstoff, wie etwa mit Diesel und Erdgas, betrieben zu werden.
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Hintergrund
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Für diverse Anwendungen sind Zweistoff-Kraftmaschinen bekannt, wie etwa Stromaggregate, motorgetriebene Verdichter, motorgetriebene Pumpen, Maschinen, nicht für den Straßenverkehr bestimmte Lastkraftwagen u. a. Üblicherweise sind solche Kraftmaschinen ortsfest und arbeiten draußen. Der Betrieb solcher Kraftmaschinen bei Austausch einer bestimmten Menge Schweröl, wie etwa Diesel, gegen einen leichteren Kraftstoff, wie etwa Erdgas, Biogas, Flüssiggas (LPG) oder andere Arten von Kraftstoff, die ohne weiteres verfügbar und kostengünstig sind, senkt ihre Betriebskosten.
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Dennoch, um gewünschte Emissionsniveaus zu erreichen, benötigen Zweistoff-Kraftmaschinen Abgasreinigungsanlagen, wie etwa eine Abgasrückführung (AGR), zur Verringerung der Stickoxid- (NOx-) Emissionen. AGR-Systeme wie auch andere Abgasreinigungsanlagen sind im Allgemeinen kompliziert und teuer, jedoch erforderlich, um bestimmte Emissionsniveaus zu erzielen.
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Kurzdarstellung
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In der Offenbarung ist, unter einem Aspekt, eine Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst mindestens ein Zylindergehäuse mit mehreren Zylindern, wobei die mehreren Zylinder eine erste Gruppierung von Zylindern und eine zweite Gruppierung von Zylindern umfassen, wobei jeder der mehreren Zylinder einen Primärkraftstoff-Injektor, einen Sekundärkraftstoff-Injektor und eine Zündvorrichtung aufweist. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Primärkraftstoff-Zuführung, die an jeden der Primärkraftstoff-Injektoren angeschlossen ist und einen Primärkraftstoff-Zufuhrsensor aufweist, wobei der Primärkraftstoff-Zufuhrsensor dafür ausgelegt ist, ein Primärkraftstoff-Zufuhrsignal bereitzustellen, das auf die Menge eines der Kraftmaschine durch die Primärkraftstoff-Zuführung zugeführten Primärkraftstoffs schließen lässt, eine Sekundärkraftstoff-Zuführung, die an jeden der Sekundärkraftstoff-Injektoren angeschlossen ist und einen Sekundärkraftstoff-Zufuhrsensor aufweist, wobei der Sekundärkraftstoff-Zufuhrsensor dafür ausgelegt ist, ein Sekundärkraftstoff-Zufuhrsignal bereitzustellen, das auf die Menge eines der Kraftmaschine durch die Sekundärkraftstoff-Zuführung zugeführten Sekundärkraftstoffs schließen lässt, eine Abtriebswelle mit einem Drehzahlsensor, wobei der Drehzahlsensor dafür ausgelegt ist, die Kraftmaschinendrehzahl zu messen und ein Drehzahlsignal bereitzustellen, und eine elektronische Steuerung, die mit jedem der Primärkraftstoff-Injektoren, jedem der Sekundärkraftstoff-Injektoren und jeder der Zündvorrichtungen wirkverbunden ist, wobei die elektronische Steuerung bereit ist, das Primärkraftstoff- und das Sekundärkraftstoff-Zufuhrsignal sowie das Drehzahlsignal zu empfangen. Die elektronische Steuerung ist programmiert und wird wirksam, um für jede der ersten und zweiten Gruppierung von Zylindern unabhängig voneinander auf der Grundlage des Primärkraftstoff- und des Sekundärkraftstoff-Zufuhrsignals einen Kraftstoffzuführungsmodus zu bestimmen.
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Unter einem weiteren Aspekt wird in der Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Das Verfahren umfasst: Überwachen der Kraftmaschinenbetriebsparameter mit einer elektronischen Steuerung, Bestimmen eines Kraftmaschinenbetriebspunkts auf der Grundlage der Kraftmaschinenbetriebsparameter, Berechnen eines ersten Betriebsmodus einer ersten Zylindergruppierung auf der Grundlage des Kraftmaschinenbetriebspunkts, Berechnen eines zweiten Betriebsmodus einer zweiten Zylindergruppierung auf der Grundlage des Kraftmaschinenbetriebspunkts, und wahlweises Aktivieren mindestens einer Vorrichtung von einem Dieseleinspritzventil, einem Injektor für gasförmigen Kraftstoff und einer Zündvorrichtung bei jedem Zylinder der Kraftmaschine und zwar separat und selektiv für jeden Zylinder der ersten und der zweiten Zylindergruppierung auf der Grundlage des Kraftmaschinenbetriebspunkts.
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Unter noch einem weiteren Aspekt wird in der Offenbarung eine Verbrennungskraftmaschine beschrieben, die Folgendes umfasst: mindestens ein Zylindergehäuse mit mehreren Zylindern, wobei die mehreren Zylinder eine erste Gruppierung von Zylindern und eine zweite Gruppierung von Zylindern umfassen, wobei jeder der mehreren Zylinder einen Primärkraftstoff-Injektor, einen Sekundärkraftstoff-Injektor und eine Zündvorrichtung aufweist, eine Abtriebswelle mit einem Drehzahlsensor, wobei der Drehzahlsensor dafür ausgelegt ist, die Kraftmaschinendrehzahl zu messen und ein Drehzahlsignal bereitzustellen, und eine elektronische Steuerung, die programmiert ist und wirksam wird, um für jede der ersten und zweiten Gruppierung von Zylindern unabhängig voneinander einen Kraftstoffzuführungsmodus derart zu bestimmen, dass die erste Gruppierung von Zylindern in einem ersten Kraftstoffzuführungsmodus arbeitet und die zweite Gruppierung von Zylindern in einem zweiten Kraftstoffzuführungsmodus arbeitet, wobei der erste und der zweite Kraftstoffzuführungsmodus voneinander verschieden sind.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Blockschema einer Verbrennungskraftmaschine gemäß der Offenbarung.
- 2 ist ein Blockschema einer Kraftmaschinensteuerung gemäß der Offenbarung.
- 3 ist ein qualitativer Satz von Kraftmaschinen-Kennfelddarstellungen gemäß der Offenbarung.
- 4 ist ein Ablaufplan für ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß der Offenbarung.
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Ausführliche Beschreibung
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1 ist eine Blockschema-Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 100 gemäß der Offenbarung. Wie gezeigt, kann die Kraftmaschine 100 bei ortsfesten Anwendungen eingesetzt werden, wie etwa als Stromerzeugungs- oder Verdichteraggregat, und sie kann auch bei mobilen Anwendungen eingesetzt werden, wie etwa bei nicht für den Straßenverkehr bestimmten Lastkraftwagen, Lokomotiven usw. Die Kraftmaschine 100 weist eine Abtriebswelle 102 auf, die zwischen einer ersten Kraftmaschinenbank 103 und einer zweiten Kraftmaschinenbank 104 angeschlossen ist. Wie zu erkennen ist, weist die Kraftmaschine 100 in der gezeigten Ausgestaltung eine V-Konfiguration auf, jedoch können die Systeme und Verfahren gemäß der Offenbarung auch bei Kraftmaschinen mit anderen Konfigurationen, wie etwa bei einem Reihenmotor, verwendet werden. Im Allgemeinen können die zwei Gruppierungen von Kraftmaschinenzylindern in jeder Bank 103 und 104 als verschiedene Gruppierungen von Kraftmaschinenzylindern in einer beliebigen Kraftmaschinenkonfiguration angesehen werden. Bei einem Reihenmotor mit sechs Zylindern, beispielsweise, kann eine erste Zylindergruppierung drei Zylinder umfassen und die zweite Zylindergruppierung kann die übrigen drei Zylinder umfassen. Die Zylinder, die zu verschiedenen Zylindergruppierungen gehören, können an der Kraftmaschine räumlich nebeneinander oder separat positioniert sein, wobei zum Beispiel mehrere Zylinder jeder Gruppierung abwechselnd entlang des Zylinderblocks angeordnet sind.
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Die Kraftmaschine 100 kann ferner eine Steuerung 105 umfassen, die mit diversen Systemen der Kraftmaschine- und/oder des Generators wirkverbunden ist. In der veranschaulichten Ausführungsform weist die Steuerung 105 betreibbare Verbindungen mit diversen Sensoren und Systemen der Kraftmaschine 100 auf und ist dafür konfiguriert, Informationen über die Betriebsparameter davon zu empfangen wie auch über die Verbindungen Befehle an diverse Aktoren und Systeme zu senden. Die Steuerung 105 kann eine einzige Steuerung sein oder kann mehr als eine Steuerung umfassen, die bereit ist, diverse Funktionen und/oder Merkmale des Systems zu steuern. Beispielsweise kann eine Master-Steuerung, die zum Steuern des Gesamtbetriebs und der Gesamtfunktion des Stromaggregats verwendet wird, gemeinsam mit einer Kraftmaschinensteuerung, die zum Steuern der Kraftmaschine 100 verwendet wird, implementiert sein. Bei dieser Ausführungsform ist der Ausdruck „Steuerung“ als eine, zwei oder mehrere Steuerungen umfassend, die der Kraftmaschine 100 zugeordnet sein können und die bei der Steuerung diverser Funktionen und Operationen der Kraftmaschine 100 zusammenwirken können, aufzufassen. Ein Aspekt der Funktionalität der Steuerung 105, der in einer Ausführungsform die Kraftstoffversorgung der Kraftmaschine betrifft, ist in 2 konzeptionell und lediglich zur Veranschaulichung als diverse diskrete Funktionen umfassend dargestellt. Eine solche Funktionalität kann ungeachtet der dargestellten diskreten Funktionalität als Hardware und/oder Software implementiert sein. Dementsprechend sind diverse Schnittstellen der Steuerung mit Bezug auf Bauteile der Kraftmaschine 100 beschrieben, es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass derartige Schnittstellen den Typ und die Anzahl der Bauteile, die angeschlossen sind, noch die Anzahl der Steuerungen, die beschrieben sind, einschränken.
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Dementsprechend ist die Steuerung 105 in der veranschaulichten Ausführungsform dafür konfiguriert, Informationen zu empfangen, die auf diverse Betriebsparameter der Kraftmaschine 100 schließen lassen, und diverse Betriebsparameter der Kraftmaschine 100, wie etwa Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, zulässige oder gewünschte Kraftstoffsubstitutionsraten in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Kraftmaschine 100 auf einer Einzelzylinderbasis u. a. zu steuern. Die Kraftmaschine 100 kann diverse Komponenten und Systeme umfassen, wie etwa ein Schmiersystem und eine Elektrik, die in 1 zur Vereinfachung weggelassen sind. Als für die vorliegende Offenbarung relevante Komponenten und Systeme umfasst die Kraftmaschine 100 u. a. ein Zylindergehäuse 106, in dem ein oder mehrere Verbrennungszylinder 108 ausgebildet sind. Wie gezeigt, umfasst jede Gruppierung von Zylindern der jeweiligen ersten und zweiten Bank 103 und 104 sechs Zylinder 108; es kann jedoch jede andere Anzahl von Zylindern, die in anderen Konfigurationen, wie etwa in einer Reihenanordnung, angeordnet sind, verwendet werden.
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Jeder Zylinder 108 enthält einen hin- und herbeweglichen Kolben, der eine Brennkammer abgrenzt, die mit jeweiligen Ansaugkrümmern 110 und Auspuffkrümmern 112, die bei jeder Zylinderbank oder -Gruppierung 103 und 104 angeordnet sind, verbindbar ist. Jeder Zylinder 108 weist ein direkt einspritzendes Dieseleinspritzventil 126 auf. Die Dieseleinspritzventile 126 sind an eine Quelle für druckbeaufschlagten Dieselkraftstoff angeschlossen, die via eine Dieselkraftstoffleitung 128 Kraftstoff zu jedem Einspritzventil 126 liefert. Jedes Einspritzventil 126 ist dafür ausgelegt, während des Kraftmaschinenbetriebs in Reaktion auf einen entsprechenden Befehl von der Steuerung 105 eine vorherbestimmte Menge Dieselkraftstoff 130 in jeden Zylinder 108 einzuspritzen. Beispielsweise kann die Steuerung 105 dafür konfiguriert sein, Zeitsteuerungsinformationen von der Kraftmaschine 100 zu empfangen, die verwendet werden, um für jeden Verbrennungszylinder 108 den geeigneten Einspritzzeitpunkt zu bestimmen.
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Die Kraftmaschine 100 umfasst ferner einen Sekundärkraftstoff-Injektor 114, der bereit ist, eine vorherbestimmte Menge Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 110 einzuspritzen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Sekundärkraftstoff-Injektor 114 beispielsweise eine Gaskraftstoff-Einblasdüse 114, die mit einer Gaskraftstoffzuführung oder einem Vorratsbehälter 115 wirkverbunden ist, wobei es sich um einen Tank oder alternativ um eine druckgeregelte Zuführung von einer Feldquelle, wie etwa Biogas von einer Mülldeponie, Erdgas aus einer Erdölförderbohrung und dergleichen, handeln kann. Die Gaskraftstoff-Einblasdüse 114 arbeitet derart, dass sie eine vorherbestimmte Menge des Gas- oder anderen Sekundärkraftstoffs in den Ansaugkrümmer 110 abgibt. Der abgegebene Kraftstoff mischt sich mit einströmender Luft 125 und bildet ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, das via Ansaugventile 122 in die Zylinder 108 eingelassen wird.
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Während des Betriebs wird ein Luft/Kraftstoff-Gemisch vom Ansaugkrümmer 110 in jeden Zylinder 108 eingelassen. Zu einem geeigneten Zeitpunkt und über eine geeignete Dauer während des Kraftmaschinenbetriebs wird Dieselkraftstoff in jeden Zylinder 108 eingespritzt, um ein fetteres Luft/Kraftstoff als das, was sich schon im Zylinder 108 befindet, bereitzustellen. Eine Kompression dieses Gemisches im Zylinder 108 hat eine Selbstzündung des darin enthaltenen Dieselkraftstoffs zur Folge, wodurch die Verbrennung aller entzündbaren Kraftstoffe, die im Zylinder enthalten sind, eingeleitet wird. Dies schließt sowohl den Dieselkraftstoff als auch den Sekundärkraftstoff, der zuvor vom Sekundärkraftstoff-Injektor 114 an den Ansaugkrümmer abgegeben wurde, ein.
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In jedem Zylinder 108 bewirkt die Selbstzündung des von jedem Einspritzventil 126 bereitgestellten Dieselkraftstoffs die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches, das in einem verdichteten Zustand vorliegt. Jeder Zylinder 108 ist dafür ausgelegt, wahlweise Luft vom Ansaugkrümmer 110 zu empfangen, die bei einer selbstansaugenden Kraftmaschine auf oder unter atmosphärischen Druck sein kann oder alternativ bei einer Kraftmaschine mit Turbolader oder mechanischem Lader unter Überdruck sein kann. In der veranschaulichten Ausführungsform kann die Kraftmaschine 100 des Weiteren einen Turbolader (nicht gezeigt) aufweisen, der in der bekannten Konfiguration zwischen dem Ansaugkrümmer 110 und dem Auspuffkrümmer 112 fluidtechnisch angeschlossen ist. Nach der vorliegenden Offenbarung wird jeder Zylinder 108 in unabhängiger Weise von der Steuerung 150 gesteuert, sodass selektiv für einige Zylinder ein anderes Verhältnis und eine andere Art von Fluid und folglich ein anderes Verbrennungssystem verwendet werden kann, für andere jedoch nicht. Bei der veranschaulichten Ausführungsform können beispielsweise die Zylinder in der ersten Gruppierung von Zylindern 103 ausschließlich mit Dieselkraftstoff arbeiten, während die Zylinder der zweiten Gruppierung von Zylindern, die entlang der zweiten Zylinderbank 104 angeordnet sind, in einem gemischten Diesel/Gas-Modus oder in einem Modus, mit ausschließlich gasförmigem Kraftstoff arbeiten. Dafür kann in jedem Zylinder 108 eine Funkenquelle 117, wie etwa eine Zündkerze, verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann ferner jeder Zylinder einen Zylinderdrucksensor und/oder einen Klopfsensor 119 aufweisen; jeder davon kann ein eigenständiger Sensor sein, der jedem entsprechenden Zylinder zugeordnet ist, und/oder ein Sensor, der mit anderen Bauteilen wie etwa der Zündvorrichtung 117 integriert ist.
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Während des Betriebs wird Luft aus dem Ansaugkrümmer 110 via erste und zweite Einlasskanäle, 116, 118, an jeden Zylinder 108 geliefert. Der erste und der zweite Einlasskanal, 116 und 118, jedes Zylinders 108 können direkt mit einem Ansaugluftsammelvolumen 120 des Ansaugkrümmers 110 verbunden sein oder können alternativ Verzweigungen eines kombinierten Einlasskanals (nicht gezeigt) sein, der zum Ansaugluftsammelvolumen 120 hin fluidtechnisch offen ist. Ein erstes Ansaugventil 122 ist bereit, den Zylinder 108 fluidtechnisch vom ersten Einlasskanal 116 zu trennen, und ebenso ist ein zweites Ansaugventil 122 bereit, den Zylinder 108 fluidtechnisch vom zweiten Einlasskanal 118 zu trennen. Wenn das erste und das zweite Ansaugventil 122 geschlossen sind, wie etwa während der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Zylinder 108, ist die Fluidverbindung zwischen jedem entsprechenden Zylinder 108 und dem Ansaugkrümmer 110 blockiert. Entsprechend ermöglicht ein zumindest teilweises Öffnen entweder des ersten Ansaugventils und/oder des zweiten Ansaugventils 122 die Fluidverbindung des Zylinders 108 mit dem Ansaugluftsammelvolumen 120, sodass Luft 125 in den Zylinder 108 einströmen kann. Bei der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Zylinder 108 wird Energie freigesetzt, die als Drehmoment auf die Abtriebswelle 102 übertragen wird. Mittels geeigneter Sensoren können Meldungen und/oder Signale, die das Vorhandensein, die Qualität und die Intensität einer Verbrennung in jedem Zylinder betreffen, für eine elektronische Steuerung der Kraftmaschine bereitgestellt werden.
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Abgas, das nach der Verbrennung des Kraftstoffs von jedem Einspritzventil 126 mit Luft vom ersten und zweiten Einlasskanal 122 in jedem Zylinder 108 übrig bleibt, wird abtransportiert und im Auspuffkrümmer 112 gesammelt. In der veranschaulichen Ausführungsform ist jeder Zylinder 108 via zwei Auslasskanäle 134 fluidtechnisch an ein Abgassammelvolumen 132 anschließbar. Jeder Auslasskanal 134 ist mittels eines entsprechenden Auslassventils 136 fluidtechnisch vom Zylinder 108 trennbar. Das Abgas 138, das sich angesammelt hat, wird aus dem Auspuffkrümmer 112 gelassen. Zwar sind für jeden Zylinder 108 zwei Auslassventile 136 gezeigt, doch es kann pro Zylinder 108 ein einziges Auslassventil verwendet werden, das in einem einzigen Auslasskanal angeordnet ist.
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Die Kraftmaschine 100 weist diverse Sensoren auf, die für die vorliegende Offenbarung relevant sind. Insbesondere ist ein Kraftmaschinendrehzahlsensor 140, der in 1 in allgemeingültiger Art dargestellt ist, der Abtriebswelle 102 zugeordnet und dafür ausgelegt, einen Parameter zu messen, der auf eine Drehgeschwindigkeit, beispielsweise in Umdrehungen pro Minute (rpm) der Kraftmaschine 100 schließen lässt, und ein Signal, das auf die Drehzahl (rpm) schließen lässt, für die Steuerung 150 bereitzustellen. Ein Diesel-Strömungswächter 142 ist der Dieselkraftstoffleitung 128 zugeordnet und dafür ausgelegt, während des Betriebs der Kraftmaschine 100 einen oder mehrere Parameter zu messen, die auf eine Durchflussmenge, den Druck und/oder andere Parameter des Dieselkraftstoffs, der zu den Einspritzventilen 126 zu liefern ist, schließen lassen. Außerdem kann in der elektronischen Steuerung 105 auf der Grundlage einer Gesamtheit von bekannten Dieseleinspritzmengen, die bei jedem Einspritzereignis geliefert werden, eine Bestimmung der Gesamt-Kraftstoffdurchflussmenge des Dieselkraftstoffs erfolgen. Alternativ kann eine Bestimmung der Kraftmaschinenlast anhand eines oder mehrerer Signale erfolgen, die von einem Zylinderdruck- und/oder Klopfsensor, wie etwa dem Sensor 119 (1) bereitgestellt werden, der den Druck im Innern des Zylinders und/oder die Geschwindigkeit und den Zeitpunkt der Verbrennung signalisieren kann. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Bestimmung der Kraftstoffabgabe auf der Grundlage jedes Arbeitstaktes oder jedes Kraftstoff-Einspritzereignisses für jeden Zylinder und eben nicht in der Gesamtheit erfolgen. Wenn der Diesel-Strömungswächter 142 verwendet wird, können die Informationen oder Signale, die auf die Durchflussmenge des an die Kraftmaschine 100 gelieferten Dieselkraftstoffs schließen lassen, entweder direkt oder indirekt an die Steuerung 105 übermittelt werden. Es können weitere Sensoren verwendet werden, wie etwa Luftmengen-, Luftdruck- und/oder Sauerstoffkonzentrationssensoren (nicht gezeigt), die dafür ausgelegt sind, Parameter des ankommenden Luftstroms 125 zu messen.
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Ein Strömungswächter 144 für den Sekundärkraftstoff, in diesem Fall gasförmiger Kraftstoff, ist einer Sekundärkraftstoff-Zuleitung 146 zugeordnet, an einem Ort, der sich stromabwärts von einem Sekundärkraftstoff-Durchflussregelventil 148 befindet. Bei einer Ausführungsform, in der der Sekundärkraftstoff ein Gas ist, wie beispielsweise in 1 gezeigt, kann das Regelventil 148 mit der Steuerung 105 wirkverbunden sein und dafür ausgelegt sein, in Reaktion auf entsprechende Signale von der elektronischen Steuerung 105 den Kraftstoffstrom vom Vorratsbehälter 115 zum Injektor 114 zu messen. Der Sekundärkraftstoff-Strömungswächter 144 kann sich irgendwo entlang der Kraftstoffleitung 146 befinden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform befindet sich der Kraftstoff-Strömungswächter 144 stromabwärts vom Regelventil 148. Der Sekundärkraftstoff-Strömungswächter 144 kann irgendein geeigneter Typ eines Sensors mit digitaler oder analoger Ausgabe sein, der dafür ausgelegt ist, für die elektronische Steuerung 105 ein Signal bereitzustellen, das auf den Massenstrom oder den Volumenstrom des gasförmigen Kraftstoffs schließen lässt, der während des Betriebs der Kraftmaschine durch die jeweiligen Injektoren 114 an zumindest einige der Kraftmaschinenzylinder 108 geliefert wird.
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Ein Blockschema für eine Steuerung 200 ist in 2 gezeigt. Die Steuerung 200 kann Teil eines umfassenderen Steuerungsschemas zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Kraftmaschine 100 (1) sein. Ferner kann die Steuerung 200 mit der elektronischen Steuerung 105 (1) integriert sein oder innerhalb dieser betrieben werden, sodass die Eingaben und Ausgaben der Steuerung 200 Signale sind, die in der elektronischen Steuerung 105 vorliegen.
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Die Steuerung 200 arbeitet derart, dass sie Anweisungen für ein Betreiben jedes Zylinders der Kraftmaschine separat und unabhängig von den anderen, in Abhängigkeit von der Art der Verbrennung, die in jedem Zylinder stattfinden soll, bereitstellt. Insbesondere bestimmt die Steuerung 200 einen Sollbetriebszustand jedes Zylinders bezüglich des Kraftstoffs, der an jeden Zylinder geliefert werden soll, und befehligt die verschiedenen Kraftstoff-Injektoren und, falls anwendbar, Zündvorrichtungen jedes Zylinders in geeigneter Weise, sodass jeder Zylinder ausschließlich mit Dieselkraftstoff, in einem Mischkraftstoff-Zustand, in dem ein Gemisch aus Diesel und gasförmigem Kraftstoff verwendet wird, oder allein mit gasförmigem Kraftstoff arbeiten kann. Bei Betrieb des Zylinders ausschließlich mit Dieselkraftstoff oder bei Mischung mit dem gasförmigen Kraftstoff kann die Zündung durch Kompressionszündung des im Zylinder vorhandenen Diesels erfolgen. In dem Fall, in dem ausschließlich gasförmiger Kraftstoff verwendet wird, kann die Zündung von der Zündvorrichtung bereitgestellt werden.
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In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst die Steuerung 200 mindestens eine Drehzahleingabe 202, die auf eine Drehzahl der Kraftmaschine schließen lässt, beispielsweise ein Signal, wie etwa jenes, das vom Sensor 140 (1) bereitgestellt wird. Außerdem umfasst die Steuerung 200 Eingaben, die auf eine erste Kraftstoffmenge 204 schließen lassen, beispielsweise eine Menge Dieselkraftstoff, die an die Kraftmaschine geliefert wird, und eine zweite Kraftstoffmenge 206, beispielsweise eine Menge gasförmigen Kraftstoffs, die an die Kraftmaschine geliefert wird. Zusammen repräsentieren die erste und die zweite Kraftstoffmenge, 204 und 206, den Kraftstoffgesamtverbrauch der Kraftmaschine, der auf die Kraftmaschinenlast schließen lässt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann eine Bestimmung der Kraftmaschinenlast auf dem Zylinderdruck und/oder -klopfen beruhen. Zusammen mit der Drehzahleingabe 202 werden die erste und die zweite Kraftstoffmenge, 204 und 206, für einen Modusbestimmer 208 bereitgestellt, der in Echtzeit einen Betriebszustand der Kraftmaschine im Sinne von Kraftmaschinendrehzahl und - last bestimmt.
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Die Drehzahleingabe 202 wird für eine Bestimmungsfunktion 210 bereitgestellt. Die erste und die zweite Kraftstoffmenge, 204 und 206, werden für eine Normalisierungsfunktion 212 bereitgestellt, die die relativen Kraftstoffmengen jedes verwendeten Typs gewichtet und den Energiegesamteinsatz 214 für die Kraftmaschine bestimmt. Der Energiegesamteinsatz 214 wird zusammen mit der Drehzahl 202 und optional weiteren Parametern, die zur Vereinfachung weggelassen sind, für die Bestimmungsfunktion 210 bereitgestellt. Die Bestimmungsfunktion 210 bestimmt einen gewünschten Kraftmaschinenzylinder-Betriebsmodus durch Berechnen, Schätzen, Nachschlagen, Interpolieren oder auf anderem Wege auf der Grundlage des dann aktuellen Betriebspunkts im Sinne von Kraftmaschinendrehzahl und -last.
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In der veranschaulichten Ausführungsform bestimmt die Bestimmungsfunktion in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Kraftmaschine, wie viele Kraftmaschinenzylinder in der Kraftmaschine mit Diesel, mit einem Gemisch von Diesel und gasförmigem Kraftstoff oder nur mit gasförmigem Kraftstoff arbeiten können. Beispielsweise kann die Bestimmungsfunktion bei bestimmten Betriebsbedingungen der Kraftmaschine von einer Gruppe von Kraftmaschinenzylindern fordern, in einem Zweistoffmodus, d. h. unter Verwendung von gasförmigem Kraftstoff mit Diesel als Vorkraftstoff für die Zündung, zu arbeiten, und von einer zweiten Gruppe von Zylindern fordern, ausschließlich mit gasförmigem Kraftstoff zu arbeiten, wobei ein Funke für die Zündung bereitgestellt wird.
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In 3 ist ein qualitatives Kennfeld der Kraftmaschinenbetriebsmodi für zwei Gruppen von Zylindern gezeigt, wobei der Kraftstoff, der über einem Kraftmaschinenkennfeld für eine erste Gruppierung von Zylindern verwendet wird, links dargestellt ist und jener, der für eine zweite Gruppierung von Zylindern verwendet wird, rechts dargestellt ist. Zur Veranschaulichung sind zwar Kennfelder gezeigt, doch es sollte einsichtig sein, dass diese im Rahmen der Bestimmungsfunktion 210 in Tabellenform vorliegen können. Alternativ kann die Bestimmungsfunktion 210 als ein modellbasierter Algorithmus oder irgendeine andere analytische Methodik verwirklicht sein. Wie in den grafischen Darstellungen gezeigt, kann ein erstes Kraftmaschinenkennfeld 302, links gezeigt, verwendet werden, um den Betriebsmodus einer ersten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern, beispielsweise der Zylinder 108 der ersten Bank 103, wie in 1 gezeigt, zu bestimmen. Ein zweites Kraftmaschinenkennfeld 304, rechts gezeigt, kann verwendet werden, um den Betriebsmodus einer zweiten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern, beispielsweise der Zylinder 108 der zweiten Bank 104, wie in 1 gezeigt, zu bestimmen. Alternativ können dieselben Kraftmaschinenzylinder dynamisch zwischen der ersten und der zweiten Zylindergruppierung hin- und herwechseln, d. h. jeder Kraftmaschinenzylinder kann wiederholt in einem Verbrennungszyklus in dem Modus einer ersten Gruppierung arbeiten und dann im nächsten Verbrennungszyklus zu einem Betrieb in einem Modus einer zweiten Gruppierung wechseln.
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Beide, das erste und das zweite Kraftmaschinenkennfeld, 302 und 304, sind gegen eine horizontale Achse 306, welche die Kraftmaschinendrehzahl repräsentiert, und eine jeweilige vertikale Achse 308 und 310, welche die Kraftmaschinenlast repräsentiert, aufgetragen. Dementsprechend wird, wenn Informationen über einen bestimmten Satz Kraftmaschinenbetriebsparameter im Sinne von Kraftmaschinendrehzahl und Kraftmaschinenlast an die Bestimmungsfunktion geliefert werden, dieser Satz Kraftmaschinenbetriebsparameter als ein Kraftmaschinenbetriebspunkt verstanden, der sich in jedem von dem ersten und dem zweiten Kraftmaschinenkennfeld, 302 und 304, auffinden lässt. Somit können in jedem von dem ersten und dem zweiten Kraftmaschinenkennfeld, 302 und 304, verschiedene Regionen oder Ansammlungen von Kraftmaschinenbetriebspunkten definiert sein, wobei die Kraftmaschinenbetriebspunkte, die zu irgendeiner Region gehören, ähnlichen Betriebsverhältnissen entsprechen, zumindest was die Kraftstoffversorgungsstrategie anbelangt, die für die verschiedenen Zylindergruppierungen der Kraftmaschine, in diesem Fall die erste und die zweite Zylindergruppierung, angewandt wird.
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Mit Bezug auf die in 3 gezeigten Kraftmaschinenkennfelder: Ein erstes Kraftmaschinenkennfeld umfasst eine Region niedriger Kraftmaschinendrehzahl und niedriger Kraftmaschinenlast oder eine erste Region 312. Die erste Region 312 kann sich zwischen einer Leerlaufdrehzahl der Kraftmaschine und einer Kraftmaschinendrehzahl, die etwa 10 % der höchstzulässigen Kraftmaschinendrehzahl beträgt, und Kraftmaschinenlasten zwischen 0 und 10 % erstrecken. Die erste Region 312 umfasst eine Ansammlung von Kraftmaschinenbetriebspunkten, in denen jeder Zylinder der ersten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern ausschließlich mit Dieselkraftstoff arbeitet oder zumindest der überwiegende Teil des Kraftstoffs, der an diese Zylinder geliefert wird, Dieselkraftstoff und eben nicht gasförmiger Kraftstoff ist, obwohl auch etwas gasförmiger Kraftstoff geliefert werden kann. Wie aus den nebeneinander dargestellten Kraftmaschinenkennfeldern 302 und 304 ersichtlich ist, kann auch die zweite Gruppierung von Zylindern in gleicher Weise über einer entsprechenden ersten Region 318 arbeiten. Die ersten Regionen 312 und 318 im ersten und im zweiten Kraftmaschinenkennfeld, 302 und 304, lassen erkennen, dass bei niedrigen Kraftmaschinendrehzahlen und -lasten in den verschiedenen Einsatzumgebungen ein Betrieb der Kraftmaschine mit Dieselkraftstoff stabiler ist. Zeitweise kann während des Kraftmaschinenbetriebs eine Gruppe von Kraftmaschinenzylindern im ersten Kraftmaschinenkennfeld arbeiten und eine zweite Gruppe von Kraftmaschinenzylindern kann zeitgleich und unabhängig von der ersten Gruppe von Zylindern im zweiten Kraftmaschinenkennfeld arbeiten. Es versteht sich jedoch, dass auch mehr als zwei Gruppen von Kraftmaschinenzylindern zeitgleich in verschiedenen Verbrennungsmodi arbeiten können.
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Das erste Kraftmaschinenkennfeld weist eine Region hoher Kraftmaschinendrehzahl und hoher Kraftmaschinenlast oder zweite Region 316 auf. Die zweite Region 316 kann sich zwischen relativ hohen Kraftmaschinendrehzahlen, nämlich zwischen 50 und 85 % der höchstzulässigen Kraftmaschinendrehzahl, und Kraftmaschinenlasten von 60 bis 100 % einer Nennlast erstrecken. Die zweite Region 316 umfasst eine Ansammlung von Kraftmaschinenbetriebspunkten, in denen jeder Zylinder der ersten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern ausschließlich mit Dieselkraftstoff arbeitet oder zumindest der überwiegende Teil des Kraftstoffs, der an diese Zylinder geliefert wird, Dieselkraftstoff und eben nicht gasförmiger Kraftstoff ist, obwohl auch etwas gasförmiger Kraftstoff geliefert werden kann. Wie aus den nebeneinander dargestellten Kraftmaschinenkennfeldern 302 und 304 ersichtlich ist, kann auch die zweite Gruppierung von Zylindern in gleicher Weise über einer entsprechenden zweiten Region 326 arbeiten. Die zweiten Regionen 316 und 326 im ersten und im zweiten Kraftmaschinenkennfeld 302 und 304 lassen erkennen, dass bei hohen Kraftmaschinendrehzahlen und hoher Last oder Nennlast in den verschiedenen Einsatzumgebungen ein Betrieb der Kraftmaschine mit Dieselkraftstoff stabiler ist, nämlich wegen des im Verhältnis höheren Energiegehalts pro Volumen, den der Dieselkraftstoff im Vergleich zu dem gasförmigen Kraftstoff aufweist.
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Der Hauptunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftmaschinenkennfeld 302 und 304 besteht in den jeweiligen Regionen zwischen der ersten und der zweiten Region, 312 und 316, im ersten Kraftmaschinenkennfeld 302 bzw. 318 und 326 im zweiten Kraftmaschinenkennfeld 304. Im ersten Kraftmaschinenkennfeld 302 nimmt eine dritte Region 314 den Raum zwischen der ersten und der zweiten Region, 312 und 316, ein. Die dritte Region 314 umfasst eine Ansammlung von Kraftmaschinenbetriebspunkten, in denen jeder Zylinder der ersten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern in einem Zweistoffmodus arbeitet, wobei gasförmiger Kraftstoff den überwiegenden Teil des zu den Zylindern gelieferten Kraftstoffs ausmacht und eine gewisse Menge Diesel für die Zündung geliefert wird. Das relative Verhältnis von gasförmigem Kraftstoff zu Dieselkraftstoff kann in verschiedenen Bereichen der dritten Region 314 in Abhängigkeit von Betriebsumgebungsbedingungen der Kraftmaschine, wie etwa Höhe über dem Meeresspiegel, Temperatur usw. eingestellt werden.
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Im zweiten Kraftmaschinenkennfeld 304 kann der Bereich zwischen der ersten und der zweiten Region in eine vierte Region 320, eine fünfte Region 322 und eine sechste Region 324 unterteilt sein. Die vierte und die sechste Region, 320 und 324, repräsentieren eine Ansammlung von Kraftmaschinenbetriebspunkten, in denen jeder Zylinder der zweiten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern in einem Zweistoffmodus arbeitet, wobei wie bei der dritten Region 314 gasförmiger Kraftstoff den überwiegenden Teil des zu den Zylindern gelieferten Kraftstoffs ausmacht und eine gewisse Menge Dieselkraftstoff für die Zündung geliefert wird. In der veranschaulichten Ausführungsform erstreckt sich die vierte Region 320 über den Betriebsbereich zwischen 10 und 20 % der Höchstdrehzahl der Kraftmaschine und auch zwischen 10 und 20 % der Höchstlast der Kraftmaschine. Ebenso liegt die sechste Region 324 neben der entsprechenden zweiten Region 326 und überspannt einen Bereich von 10 bis 15 % der Kraftmaschinendrehzahl und -last.
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Die fünfte Region 322 umfasst eine Ansammlung von Kraftmaschinenbetriebspunkten zwischen der vierten und der sechsten Region, 320 und 324, und repräsentiert Kraftmaschinenbetriebspunkte, in denen jeder der Zylinder, der zu der zweiten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern gehört, ausschließlich mit gasförmigem Kraftstoff arbeitet und die Zündung durch Aktivieren einer Zündvorrichtung, wie etwa der in 1 gezeigten Zündvorrichtungen, ermöglicht wird. Wie zu erkennen ist, stellen im zweiten Kraftmaschinenkennfeld 304 die vierte und die sechste Region, 320 und 324, Übergänge zwischen einem Betrieb mit ausschließlich Diesel in der ersten Region 318 oder der zweiten Region 326 und einem Betrieb mit ausschließlich gasförmigem Kraftstoff in der fünften Region 322 bereit. Die Größe und die Gestalt jeder der Regionen, die im ersten und zweiten Kraftmaschinenkennfeld, 302 und 304, gezeigt sind, können in Abhängigkeit von der speziellen Gestalt des Kraftmaschinenkennfeldes für eine gegebene Kraftmaschinenanwendung und auch mit dem Ziel, verbesserte Emissionswerte zu erreichen, angepasst werden.
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Nun wieder zu 2: Die Bestimmungsfunktion 210 stellt einen Befehl 216 bereit, der Informationen für den gewünschten Betriebsmodus jedes Kraftmaschinenzylinders enthält. Die verschiedenen Kraftmaschinenzylinder sind in dem Blockschema gemeinsam unter 218 dargestellt und sind mit 1, 2 usw. durchnummeriert. Bei der veranschaulichten Ausführungsform sind n Kraftmaschinenzylinder dargestellt. Jeder der Zylinder, die in der grafischen Darstellung unter dem Bezugszeichen 218 gezeigt sind, weist ein Steuerungsmodul auf, welches das Befehlssignal 216 entschlüsselt und entsprechende Befehle an mindestens drei Systeme in der Kraftmaschine weiterleitet, darunter einen Diesel-Befehl 220, einen Gas-Befehl 222 und einen Zündfunke-Befehl 224.
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In Abhängigkeit von dem speziellen Befehl für einen Zylinder-Betriebsmodus kann das jeweilige Steuerungsmodul den Diesel-Befehl 220 an das Dieseleinspritzventil ausgeben, um für ein Betreiben des Zylinders bei einer gewünschten Lastleistung ausreichend Diesel in den entsprechenden Zylinder zu liefern, wenn die Kraftmaschine entweder in der ersten Region 312 oder der zweiten Region 316, wie in 3 gezeigt, arbeitet. Ebenso kann das jeweilige Steuerungsmodul in einem Zweistoff-Betriebsmodus, wie etwa in den Betriebsmodi, die durch die dritte, vierte und sechste Region 314, 320 und 324, wie in 3 gezeigt, repräsentiert werden, einen Diesel-Befehl 220 an das Dieseleinspritzventil ausgeben, um Dieselkraftstoff in den entsprechenden Zylinder zu liefern.
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Wenn die Kraftmaschine in einer von der dritten, vierten oder sechsten Region, 314, 320 und 324, bei Vorhandensein von Dieselkraftstoff, wie vorstehend mit Bezug auf 3 beschrieben, arbeitet oder wenn die Kraftmaschine in der fünften Region 322 nur mit gasförmigem Kraftstoff arbeitet, kann das jeweilige Zylinder-Steuerungsmodul einen Gas-Befehl 222 an ein oder mehrere Ventile oder Einblasedüsen für gasförmigen Kraftstoff ausgeben, damit für ein Betreiben des Zylinders bei der gewünschten Lastleistung ausreichend gasförmiger Kraftstoff in den entsprechenden Zylinder geliefert wird. Wie bereits erörtert, wird ein Betrieb des entsprechenden Zylinders mit ausschließlich gasförmigem Kraftstoff außerdem die Ausgabe eines Zündfunke-Befehls 224 an diesen Zylinder zu einer Zeit auslösen, die geeignet ist, den gasförmigen Kraftstoff zu entzünden und den Zylinder zu betätigen. Obwohl jedes der in 2 mit 1 bis n bezeichneten Steuerungsmodule fähig, dafür konfiguriert und ausgelegt ist, seinen entsprechenden Kraftmaschinenzylinder in jedem Betriebsmodus zu betreiben, werden die Befehle, die jedes Steuerungsmodul anweisen, den Zylinder in einer bestimmten Art und Weise zu betreiben, von der Bestimmungsfunktion 210 auf der Grundlage des dann aktuellen Kraftmaschinenbetriebspunkts und auch der Informationen, die innerhalb des ersten und zweiten Kraftmaschinenkennfeldes, 302 und 304, festgelegt oder vordefiniert sind, mittels des Steuersignals 216 bereitgestellt.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Zweistoff-Verbrennungskraftmaschinen. Im Besonderen betreffen die hier beschriebenen Ausführungsformen Kraftmaschinen, die mit Erdgas, Flüssiggas (LPG), Biogas oder anderen brennbaren Kraftstoffen allein oder in Kombination mit Dieselkraftstoff betrieben werden. Ein Ablaufplan für ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine ist in 4 gezeigt. Das Verfahren umfasst, im Schritt 402, ein Überwachen von Kraftmaschinenbetriebsparametern mittels der Steuerung. Wie bereits beschrieben, können die Kraftmaschinenbetriebsparameter die Kraftmaschinendrehzahl und eine Angabe des Kraftstoffverbrauchs einschließen, die verwendet werden kann, um auf die Kraftmaschinenlast zu schließen. Wie zu erkennen ist, können andere Verfahren benutzt werden, um die Kraftmaschinenlast zu bestimmen, wie etwa Parameter, die mit den Vorrichtungen oder Systemen in Zusammenhang stehen, die mit der Kraftmaschine verbunden sind und von ihr angetrieben werden. Beispielsweise, im Fall eines Generators, kann die elektrische Ausgangsleistung des Generators verwendet werden, um die Kraftmaschinenlast zu bestimmen.
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Im Schritt 404 verwendet die elektronische Steuerung Informationen über Kraftmaschinenbetriebsparameter, um einen Kraftmaschinenbetriebspunkt zu bestimmen. Die Bestimmung des Kraftmaschinenbetriebspunkts kann auf jede geeignete Art und Weise erfolgen, darunter Liefern von Kraftmaschinendrehzahl- und Kraftmaschinenlast-Informationen an ein Kraftmaschinenkennfeld, das einer bestimmten Gruppierung von Kraftmaschinenzylindern entspricht, wie etwa die in 3 gezeigten Kraftmaschinenkennfelder. Auf der Grundlage des Kraftmaschinenbetriebspunkts berechnet die Steuerung für zwei oder mehr verschiedene Zylindergruppierungen der Kraftmaschine einen gewünschten Betriebsmodus. Bei dem vorstehend erörterten Ausführungsbeispiel gibt es zwei verschiedene Zylindergruppierungen, und die Steuerung berechnet für jede den Betriebsmodus. Wie ebenfalls vorstehend erörtert wurde, kann der Zylinder-Betriebsmodus für jede Gruppierung den Betrieb jedes Zylinders einschließen, der zu dieser bestimmten Gruppierung gehört, in einem ersten Modus bei ausschließlichem Betrieb mit Dieselkraftstoff, einem zweiten Modus bei Betrieb sowohl mit Dieselkraftstoff als auch mit gasförmigem Kraftstoff und einem dritten Modus bei ausschließlichem Betrieb mit einem gasförmigem Kraftstoff, der unter Verwendung eines Funkens gezündet wird.
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Sobald für jeden Kraftmaschinenzylinder der spezielle Betriebsmodus bestimmt worden ist, aktiviert die Steuerung wahlweise mindestens eine Vorrichtung von einem Dieseleinspritzventil, einem Injektor für gasförmigen Kraftstoff und einer Zündvorrichtung bei jedem Kraftmaschinenzylinder auf der Grundlage des Betriebsmodus, der für jeden einzelnen Zylinder bestimmt oder auf andere Weise ausgewählt wurde. Mit anderen Worten: Ob in Gruppen oder einzeln, die Steuerung ist dafür programmiert und konfiguriert, jeden einzelnen Kraftmaschinenzylinder separat von den anderen während jedes einzelnen Kraftmaschinenzyklus hinsichtlich der Art des Kraftstoffs und der Art der Verbrennung, die in dem bestimmten Zylinder erfolgt, zu betreiben.
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Ein Betrieb einzelner Zylinder oder von Gruppierungen von Zylindern in der beschriebenen Art und Weise bei unterschiedlichen Kraftstoffzuführungsmodi ist insofern vorteilhaft, als er die Möglichkeit eröffnet, verschiedene Zylinder bei verschiedenen Emissionsniveaus zu betreiben. Beispielsweise kann ein Betrieb in einem Modus für gasförmigen Kraftstoff ausschließlich dazu dienen, niedrige Stickoxidemissionen zu erzeugen. Wenn die Emissionen von allen Zylindern in der Kraftmaschine zusammengenommen werden, sind die Gesamtemissionen der Kraftmaschine wegen der Beiträge der verschiedenen Zylindergruppierungen der Kraftmaschine niedriger als die entsprechenden Emissionen, die auftreten würden, wenn alle Kraftmaschinenzylinder im gleichen Verbrennungsmodus arbeiten würden, während ebenfalls eine gewünschte Lastleistung bei einer gegebenen Drehzahl der Kraftmaschine bereitgestellt wird.
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Es versteht sich, dass die vorangehende Beschreibung Beispiele für das offenbarte System und die offenbarte Technik angibt. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorangehenden Beispielen abweichen können. Sämtliche Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele daraus sollen nur als Verweis auf das spezielle Beispiel, das gerade an dieser Stelle erörtert wird, dienen, wobei nicht beabsichtigt ist, dem Schutzbereich der Offenbarung im Allgemeinen Beschränkungen aufzuerlegen. Alle Sprachverwendungen zur Unterscheidung und Abgrenzung mit Bezug auf bestimmte Merkmale sind vorgesehen, um eine fehlende Präferenz für diese Merkmale anzugeben, jedoch nicht, um solche vollständig aus dem Schutzbereich der Offenbarung auszuschließen, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Angaben von Bereichen von Werten sollen hier lediglich als kurzschriftliches Verfahren dienen, um sich jeweils auf jeden einzelnen Wert zu beziehen, der in den Bereich fällt, sofern hier nicht anderes angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist Bestandteil der Beschreibung, wie wenn er hier einzeln aufgeführt worden wäre. Sämtliche hier beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern hier nichts anderes angegeben ist oder klar im Widerspruch zum Kontext steht.
