DE102020122973A1

DE102020122973A1 - Motorsteuersystem und -verfahren

Info

Publication number: DE102020122973A1
Application number: DE102020122973.9A
Authority: DE
Inventors: Nathan Atterberry; Matthew Parker; Matthew Engfehr
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-03-11
Also published as: US20210071596A1

Abstract

Ein Kraftstoffsteuersystem kann einen Verbrennungsmotor (100) zur selektiven Verbrennung eines ersten Kraftstoffs, wie Diesel, während eines Einzelkraftstoffmodus und zur Verbrennung des ersten Kraftstoffs und eines zweiten Kraftstoffs, wie Erdgas, während eines Kraftstoffsubstitutionsmodus betreiben. Ein zylinderinterner Parametersensor (174) steht mit der Brennkammer des Verbrennungsmotors (100) in Verbindung, um einen zylinderinternen Parameter (214) zu messen, wie beispielsweise den angegebenen mittleren effektiven Druck während der Verbrennung des erster Kraftstoff im Einzelkraftstoffmodus. Das Kraftstoffsteuersystem verwendet den zylinderinternen Parameter (214) zur Bestimmung eines ersten Kraftstoffmengenfehlers (226) und kann die Zuführung des ersten Kraftstoffs anpassen, um den ersten Kraftstoffmengenfehler (226) während der Einzelkraftstoff- und Kraftstoffsubstitutionsmodi zu korrigieren. Das Kraftstoffsteuersystem kann den ersten Kraftstoffmengenfehler (226) auch zur Bestimmung und Einstellung eines zweiten Kraftstoffmengenfehlers (286) verwenden.

Description

Gebiet der Technik
Diese Patentoffenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf einen für die Verbrennung verschiedener Kraftstoffe konfigurierten Verbrennungsmotor und im Besonderen auf ein System und Verfahren zur Steuerung des Betriebs des dualen Kraftstoffsystems für einen Verbrennungsmotor.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren erhalten und verbrennen eine Mischung aus einem Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft zur Umwandlung der mit dem Kraftstoff assoziierten chemischen Energie in eine mechanische Kraft, die für nützliche Arbeit eingesetzt werden kann. Die Verbrennung von Kraftstoff erfolgt typischerweise in einer Brennkammer, die einen Zylinder mit einem darin beweglich angeordneten, hin- und herbeweglichen Kolben beinhalten kann. Um Kraftstoff für die Verbrennung bereitzustellen, kann der Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffversorgungssystem wirkverbunden sein, das den Kraftstoff unter Druck setzen und der Brennkammer zuführen kann, wo der Kraftstoff gezündet wird und sich ausdehnt, um den Kolben im Zylinder zwangsweise linear anzutreiben. Der Kolben wiederum kann mit einer Kurbelwelle verbunden sein und diese drehen, was zu einem Drehmoment oder einer mechanischen Kraft führt. Die durch den Verbrennungsmotor erzeugte Antriebskraft kann für jeden nützlichen Zweck genutzt werden, beispielsweise zum Antrieb einer mobilen Maschine wie einer Planierraupe oder eines Radladers, zum Drehen eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie oder für andere industrielle Zwecke wie den Antrieb von Pumpen oder Lüftern.
In einigen Ausführungsformen kann der Verbrennungsmotor für die Verbrennung verschiedener Kraftstoffarten in einem so genannten dualen Kraftstoffsystem ausgelegt sein. Aus Gründen der Energieeffizienz oder aus wirtschaftlichen Gründen oder weil bestimmte Kraftstoffe zur Verringerung der Emissionen sauberer verbrannt werden können, kann es wünschenswert sein, verschiedene Kraftstoffe oder verschiedene Kraftstoffmischungen zu verschiedenen Zeiten zu verbrennen. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor so ausgelegt sein, dass er zu bestimmten Zeiten einen Flüssigkraftstoff wie Diesel verbrennt und dann ein Gemisch aus dem Flüssigkraftstoff und einem Erdgas wie Methan oder Propan verbrennt. Erdgas ist möglicherweise kostengünstiger als Diesel und verbrennt möglicherweise sauberer. Erdgas kann jedoch mit Problemen der Verbrennungsstabilität assoziiert sein, unbestimmte oder schwankende Wärmewerte aufweisen, die mit einer Energiefreisetzung assoziiert sind, und eine externe Zündquelle erfordern. Dementsprechend kann in einigen Ausführungsformen eines dualen Kraftstoffsystems eine kleine Menge Dieselkraftstoff selektiv als Pilotkraftstoff in die Brennkammer eingebracht werden, in die zuvor Erdgas und Luft eingebracht wurden. Die zeitgesteuerte Einbringung des Dieselkraftstoffs kann sich unter Kompression durch die Bewegung des Kolbens spontan selbst entzünden, wodurch wiederum das Erdgas entzündet wird. Die U.S. Patentveröffentlichung Nr. 2019/0186391 („die '391-Veröffentlichung“) beschreibt einen Verbrennungsmotor, der für das selektive Umschalten zwischen der ausschließlichen Verbrennung von Dieselkraftstoff und einem Gemisch aus Erdgas und Diesel ausgebildet ist. Die '391-Veröffentlichung beschreibt auch ein Steuersystem zum Umschalten zwischen den verschiedenen Kraftstoffen durch Überwachung der Zylinderdruckdaten. Die vorliegende Anmeldung richtet sich auf die in der '391-Veröffentlichung beschriebene verwandte, jedoch unterschiedliche Technologie.
Kurzdarstellung
Die Offenbarung beschreibt in einem Aspekt den Verbrennungsmotor, einschließlich einer Brennkammer, mit einem Zylinder und einem darin hin- und herbeweglich angeordneten Kolben. Der Verbrennungsmotor kann ein erstes Kraftstoffversorgungssystem beinhalten, um dem Zylinder einen ersten Kraftstoff zuzuführen, und ein zweites Kraftstoffversorgungssystem, um dem Zylinder einen zweiten Kraftstoff zuzuführen. Ein zylinderinterner Parametersensor kann mit der Brennkammer in Verbindung stehen, um einen zylinderinternen Parameter zu messen. Der Verbrennungsmotor ist außerdem mit einer elektronischen Steuerung assoziiert, die in elektronischer Verbindung mit dem ersten Kraftstoffversorgungssystem, dem zweiten Kraftstoffversorgungssystem und dem zylinderinternen Drucksensor steht. Die elektronische Steuerung ist zum Abrufen und Anwenden eines ersten Betankungsbefehls ausgebildet, der das erste Kraftstoffsystem zur Zuführung einer Anfangsmenge des ersten Kraftstoffs an die Brennkammer anweist. Die elektronische Steuerung kann elektronische Signale vom zylinderinternen Parametersensor empfangen, die auf den zylinderinternen Parameter hinweisen, der während der Verbrennung nur des ersten Kraftstoffs in der Brennkammer gemessen wird. Die elektronische Steuerung wandelt den zylinderinternen Parameter in eine erste Kraftstoffleistungsausgabe um, die die Leistungsausgabe aus der Verbrennung der Anfangsmenge des ersten Kraftstoffs anzeigt, und bestimmt einen ersten Kraftstoffmengenfehler basierend auf der ersten Kraftstoffleistungsausgabe. Die elektronische Steuerung kann den ersten Kraftstoffmengenfehler zur Korrektur der Abgabe des ersten Kraftstoffs während des Kraftstoffsubstitutionsmodus verwenden, wenn der erste und der zweite Kraftstoff der Brennkammer zugeführt und in ihr verbrannt werden.
In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors. Gemäß dem Verfahren weist ein erster Betankungsbefehl an, dass eine Anfangsmenge eines ersten Kraftstoffs einer Brennkammer eines internen Verbrennungsmotors während eines Einzelkraftstoffmodus zugeführt wird. Der erste Kraftstoff wird in der Brennkammer verbrannt, und es wird ein zylinderinterner Parameter gemessen, der den zylinderinternen Zustand während der Verbrennung nur des ersten Kraftstoffs anzeigt. Der zylinderinterne Parameter wird in eine erste Kraftstoffleistungsausgabe umgewandelt, die die Leistungsausgabe aus der Verbrennung des ersten Kraftstoffs angibt. Die erste Kraftstoffleistungsausgabe wird zur Bestimmung eines ersten Kraftstoffmengenfehlers verwendet. Das Verfahren verwendet danach den ersten Kraftstoffmengenfehler, um eine Substitutionsbetankung zu korrigieren, die eine Substitutionsmenge des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs, die der Brennkammer während eines Kraftstoffsubstitutionsmodus zugeführt wird, steuert.
In noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Kraftstoffsteuersystem zur Steuerung des Betriebs eines Verbrennungsmotors. Das Kraftstoffsteuersystem verwendet einen zylinderinternen Parametersensor, der mit einer Brennkammer des Verbrennungsmotors in Verbindung steht, um einen zylinderinternen Parameter zu messen. Eine elektronische Steuerung des Kraftstoffsteuersystems steht in Verbindung mit dem zylinderinternen Parametersensor und mit einem ersten Kraftstoffversorgungssystem und einem zweiten Kraftstoffversorgungssystem, um der Brennkammer einen ersten Kraftstoff bzw. einen zweiten Kraftstoff zuzuführen. Die elektronische Steuerung kann einen ersten Betankungsbefehl abrufen und anwenden, der das erste Kraftstoffsystem zur Zuführung einer Anfangsmenge des ersten Kraftstoffs an die Brennkammer anweist, und es kann elektronische Signale vom zylinderinternen Parametersensor empfangen, die den während der Verbrennung des ersten Kraftstoffs gemessenen zylinderinternen Parameter anzeigen. Die elektronische Steuerung kann den zylinderinternen Parameter in eine erste Kraftstoffleistungsausgabe umwandeln und einen ersten Kraftstoffmengenfehler basierend auf der Kraftstoffleistungsausgabe ermitteln. Die elektronische Steuerung stellt danach den ersten Betankungsbefehl basierend auf des ersten Kraftstoffmengenfehlers ein.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Brennkammern zur Verbrennung und Umwandlung eines Kraftstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis und eines Oxidationsmittels zur Erzeugung einer mechanischen Kraft.
2 ist eine Teilschnittansicht einer Brennkammer des Verbrennungsmotors von 1 und der zugehörigen Vorrichtungen und Systeme, die für die selektive Verbrennung verschiedener Kraftstoffe ausgebildet sind.
3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftstoffsteuersystems, einschließlich einer elektronischen Steuerung, und zugehöriger Vorrichtungen und Systeme zum Betrieb des Verbrennungsmotors mit verschiedenen Kraftstoffen.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das einen computerausführbaren Prozess, eine Routine oder einen Algorithmus darstellt, den das Kraftstoffsteuersystem zur Regelung des Betriebs des Verbrennungsmotors mit verschiedenen Kraftstoffen ausführen kann.
5 ist eine schematische Darstellung eines Diagramms, das Anpassungen der Kraftstoffmenge veranschaulicht, die gemäß der Offenbarung vorgenommen werden können.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das einen computerausführbaren Prozess, eine Routine oder einen Algorithmus darstellt, den das Kraftstoffsteuersystem ausführen kann, um Fehler in Bezug auf einen zweiten Kraftstoff wie z. B. Erdgas auszugleichen.

Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Elemente beziehen, wird nun eine repräsentative Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 100 zur Verbrennung von Kraftstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis zur Umwandlung der darin enthaltenen latenten chemischen Energie in eine treibende mechanische Kraft dargestellt. Der Verbrennungsmotor 100 kann für jede geeignete Anwendung vorgesehen werden, beispielsweise für den Antrieb einer mobilen Maschine, für den Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung oder für eine andere industrielle Anwendung. Der Verbrennungsmotor 100 kann einen Motorblock 102 beinhalten, der aus gegossenem und/oder bearbeitetem Metall, wie Eisen, Stahl, Aluminium oder deren Legierungen, gebildet sein kann. Im Motorblock 102 kann eine Vielzahl von Brennkammern 104 angeordnet sein, in denen die Verbrennung von Kraftstoff und einem Oxidationsmittel wie Luft erfolgt. Durch die Verbrennung von Kraftstoff und Luft in den Brennkammern 104 kann eine andere Komponente wie eine Kurbelwelle 106, die vom Motorblock 102 drehbar gelagert ist, zwangsweise angetrieben werden. Durch das Drehen der Kurbelwelle 106 wird eine mechanische Kraft erzeugt, die für andere Arbeiten genutzt werden kann. Der Motor 100 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Brennkammern 104 aufnehmen, und die Brennkammern können in einer V-Konfiguration, einer Reihenkonfiguration, einer radialen Konfiguration oder jeder anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein. Um Luft oder ein anderes Oxidationsmittel zu den Brennkammern 104 zu leiten, kann der Motor 100 mit einem Luftansaugkrümmer 108 wirkverbunden sein, der mit jeder der Brennkammern 104 verbunden ist, und zur Entfernung der durch den Verbrennungsprozess entstehenden Abgase kann der Motor 100 mit einem Abgaskrümmer 109 wirkverbunden sein, der ebenfalls mit jeder der Brennkammern verbunden ist. Zusätzlich zu dem in 1 dargestellten Verbrennungsmotor 100 können Aspekte der Offenbarung auch auf andere Arten von Motoren und Verbrennungsmaschinen wie Gasturbinen, Dampfkessel o. ä. anwendbar sein.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Ausführungsform der Brennkammer 104 dargestellt, die in den Verbrennungsmotor 100 integriert sein kann. Die in 2 dargestellte Brennkammer 104 kann repräsentativ für andere zum Verbrennungsmotor 100 gehörende Brennkammern sein, und die folgende Beschreibung ihrer Komponenten und Funktionsprinzipien kann allen zum Motor gehörenden Kammern gemeinsam sein. Die Brennkammer 104 beinhaltet eine Bohrung oder einen Zylinder 110, der im Motorblock 102 angeordnet sein und einen beweglichen Kolben 112 aufnehmen kann. Der Zylinder 110 und der Kolben 112 können jeweils im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und so dimensioniert sein, dass sie einen Gleitsitz miteinander bilden. Das obere Ende des Zylinders 110 wird von einem Zylinderkopf 114 umschlossen, der an den Motorblock 102 geschraubt oder montiert werden kann. Der Kolben 112 ist im Zylinder 110 zwischen einer oberen Totpunktposition (TDC), in der der Kolben dem Zylinderkopf 114 am nächsten ist, und einer unteren Totpunktposition (BDC), in der der Kolben am weitesten vom Zylinderkopf entfernt ist, hin- und herbewegbar. Diese Bewegungen bewirken einen Ansaug-Verdichtungs-Hub und einen Arbeits-Auslass-Hub, wie sie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Die Brennkammer 104 definiert dabei ein variables Volumen 116, das sich beim Hin- und Herbewegen des Kolbens 112 im Zylinder 110 zwischen der TDC, bei dem das variable Volumen am kleinsten ist, und der BDC, bei dem das variable Volumen am größten ist, ausdehnt und zusammenzieht. Das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 100 wird basierend auf der relativen Volumina des variablen Volumens 116 zwischen dem BDC und TDC berechnet und kann bei typischen Dieselmotoren mit Selbstzündung in der Größenordnung von 15:1 liegen. Der Kolben 112 kann auf herkömmliche Weise über eine Pleuelstange 119 mit der drehbaren Kurbelwelle 106 in Wirkverbindung stehen. Die lineare Bewegung des Kolbens 112 im Zylinder 110 führt daher zu einer Drehbewegung der Kurbelwelle 106.
Um ein Oxidationsmittel für die Verbrennung von Kraftstoff bereitzustellen, kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Luftansaugsystem 120 wirkverbunden sein, das atmosphärische Luft zu den mehreren Brennkammern 104 leitet. Das Luftansaugsystem 120 kann einen Lufteinlass 122 beinhalten, der ein einstellbarer Regler oder eine Ansaugdrossel sein kann, um die in den Verbrennungsmotor 100 eingesaugte Luftmenge zu steuern und zu regeln. Zur Entfernung von Partikeln, Schmutz und Feuchtigkeit aus der Ansaugluft kann der Lufteinlass 122 mit einem vorgeschalteten Luftfilter 124 in Wirkverbindung stehen. Der Lufteinlass 122 kann mit dem Luftansaugkrümmer 108, der sich quer über jede der Vielzahl von Brennkammern 104 des Verbrennungsmotors 100 erstreckt und diesen gemeinsam sein kann, in Verbindung stehen und die Ansaugluft dorthin leiten. Um eine Fluidverbindung zwischen dem Ansaugkrümmer 108 und den einzelnen Zylindern 110 herzustellen, kann eine Vielzahl von Ansaugkanälen 126 vom Ansaugkrümmer ausgehen und durch den Zylinderkopf 114 verlaufen, sodass jeder der Vielzahl von Brennkammern 104 mindestens ein Ansaugkanal zugeordnet ist. Zum selektiven Einleiten von Ansaugluft vom Ansaugkrümmer 108 zu den Zylindern 110 steht jede Brennkammer 104 mit einem Ansaugventil 128 in Wirkverbindung, das im Zylinderkopf 114 angeordnet ist und zum Öffnen und Schließen des Ansaugkanals 126 dient. Das Ansaugventil 128 kann eine mechanische oder elektromechanische Vorrichtung wie ein Sitzventil sein, das an einem im Zylinderkopf 114 angeordneten Sitz oder einer Öffnung anliegen oder sich von diesen abheben kann, um selektiv den Zugang in den Zylinder 110 zu ermöglichen.
Zur Entfernung der Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses, einschließlich Abgasen und Partikeln, aus den Brennkammern 104 kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Abgassystem 130 in Wirkverbindung stehen. Insbesondere können ein oder mehrere Auslassventile 132, die in Konstruktion und Betrieb den Ansaugventilen 128 ähnlich sein können, im Zylinderkopf 114 angeordnet sein, um eine selektive Verbindung zwischen dem Zylinder 110 und dem Abgaskrümmer 109 herzustellen. Dementsprechend leitet die Aufwärtsbewegung des Kolbens 112 die Abgase in den Abgaskrümmer 109 ab, wenn die Auslassventile 132 geöffnet werden. Der Abgaskrümmer 109 kann auch den mehreren Brennkammern 104 gemeinsam sein, die zum Verbrennungsmotor 100 gehören. In einer Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Turbolader 140 in Wirkverbindung stehen, um die Führung der Ansaugluft zu den Brennkammern 104 und der Abgase aus den Brennkammern zu unterstützen. Der Turbolader 140 verfügt über einen Verdichter 142 in Fluidverbindung mit und stromabwärts des Lufteinlasses 122, der die Ansaugluft verdichtet und die Ansaugluft zum Ansaugkrümmer 108 leitet. Zum Antrieb des Verdichters 142 kann der Turbolader 140 eine Turbine 144 in Fluidverbindung mit dem Abgaskrümmer 109 enthalten, der unter Druck stehende Abgase aufnimmt, die von der Brennkammer 104 abgegeben werden. Die durch die Turbine 144 geleiteten druckbeaufschlagten Abgase können darin eine Reihe von Schaufeln drehen, die drehbar mit einer Reihe von Schaufeln im Verdichter 142 gekoppelt sind. Durch die erzwungene Drehung des Verdichters 142 wird die den Brennkammern 104 zugeführte Ansaugluft unter Druck gesetzt, wodurch der Wirkungsgrad und die Leistungsausgabe des Verbrennungsmotors 100 erhöht werden. Zur Senkung der Temperatur der verdichteten Ansaugluft kann dem Verdichter 142 in einer Ausführungsform ein Nachkühler 146 nachgeschaltet sein. Zur Verringerung der mit den Abgasen assoziierten Emissionen und/oder Geräuschen kann der Turbine 144 ein Nachbehandlungssystem 148 wie beispielsweise ein Katalysator oder Schalldämpfer nachgeschaltet sein. Der Verbrennungsmotor 100 kann mit anderen Merkmalen und Systemen zur Leistungsverbesserung, wie beispielsweise einem Abgasrückführungssystem (AGR), in Wirkverbindung stehen.
Um verschiedene Kraftstoffe für die Verbrennung gemäß der Offenbarung bereitzustellen, ist der Verbrennungsmotor 100 mit einem dualen Kraftstoffsystem 150 wirkverbunden. Zum Beispiel kann der erste Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff wie Diesel sein, der sich spontan selbst entzünden kann, und der zweite Kraftstoff kann ein gasförmiger Kraftstoff wie Erdgas sein, der möglicherweise kostengünstiger ist und sauberer verbrennt als flüssige Kraftstoffe. Um den Brennkammern 104 den ersten Brennstoff in flüssigem Zustand zuzuführen, weist das duale Kraftstoffsystems 150 ein erstes Kraftstoffversorgungssystem 152 auf. Der erste Kraftstoff kann in einem ersten Kraftstofftank 154 enthalten sein, der zur Aufnahme von Flüssigkeiten ausgebildet ist. Der erste Kraftstofftank 154 kann in Fluidverbindung mit einer ersten Kraftstoffpumpe 156 stehen, die den ersten Kraftstoff unter Druck setzt und ihn durch die ersten Kraftstoffleitungen 158, die Schläuche oder Kanäle sein können, zu der Vielzahl von Brennkammern 104 leitet. Um den ersten Kraftstoff selektiv in die Brennkammern 104 einzuleiten, enthält das erste Kraftstoffversorgungssystem 152 ein erstes Kraftstoffeinlassventil 159, das durch den Zylinderkopf 114 angeordnet ist und mit dem Zylinder 110 in Verbindung steht. Das erste Kraftstoffeinlassventil 159 kann ein Flüssigkraftstoff-Einspritzventil sein, das teilweise im Zylinder 110 durch den Zylinderkopf 114 angeordnet ist. Bei dem Flüssigkraftstoff-Einspritzventil kann es sich um eine elektromechanische Vorrichtung handeln, wie beispielsweise ein magnetbetätigtes Ventil, das selektiv Kraftstoff in den Zylinder 110 einspritzt und das den Zeitpunkt, die Dauer und die Menge des ersten in den Zylinder 110 eingeführten Kraftstoffs genau steuern kann. Das Flüssigkraftstoff-Einspritzventil kann zur Verdampfung und Verteilung des zuerst in den Zylinder 110 eintretenden flüssigen Kraftstoffs zur Verbesserung der Verbrennung ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann der erste Kraftstoff stromaufwärts des Zylinders 110 oder durch Port-Einspritzverfahren eingeleitet werden. In einer Ausführungsform kann das erste Kraftstoffversorgungssystem 152 mit einer Kraftstoffschiene assoziiert sein, die zur Rückführung von unter Druck stehendem Flüssigkraftstoff, der nicht in die Brennkammern 104 eingespritzt wurde, in den ersten Kraftstofftank 154 ausgebildet ist. Um den Brennkammern 104 den zweiten Kraftstoff in gasförmigem Zustand zuzuführen, weist das duale Kraftstoffsystem 150 ein zweites Kraftstoffversorgungssystem 160 auf. Zur Bevorratung des zweiten Kraftstoffs kann das zweite Kraftstoffversorgungssystem 160 einen zweiten Kraftstofftank 162 oder ein Reservoir beinhalten, das für die Aufnahme gasförmiger Kraftstoffe geeignet ist. In einer Ausführungsform kann der zweite Kraftstofftank 162 so ausgebildet sein, dass er den zweiten Kraftstoff in einem stark unter Druck stehenden oder kryogenen Zustand hält. Dementsprechend kann in einer möglichen Ausführungsform zunächst der zweite Kraftstoff in einem teilweise oder vollständig flüssigen Zustand im zweiten Kraftstofftank 162 gelagert werden. Um den zweiten Kraftstoff zu den Brennkammern 104 zu leiten, kann der zweite Kraftstofftank 162 über eine zweite Kraftstoffleitung 166, die ein Schlauch oder ein Kanal sein kann, in Fluidverbindung mit einer zweiten Kraftstoffpumpe 164 stehen. In den Ausführungsformen, in denen sich der zweite Kraftstoff anfänglich in einer teilweisen oder vollständigen Flüssigphase befindet, können Verdampfungs- und Druckausgleichsvorrichtungen 168 in der zweiten Kraftstoffleitung 166 angeordnet sein, um den zweiten Kraftstoff in einen gasförmigen Zustand umzuwandeln. In einer Ausführungsform kann die zweite Kraftstoffpumpe 164 den zweiten Kraftstoff über die zweite Kraftstoffleitung 166, die ein Schlauch oder Kanal sein kann, zum Ansaugkrümmer 108 leiten. Zur selektiven Einleitung des zweiten Kraftstoffs in den Ansaugkrümmer 108 kann ein zweites Kraftstoffeinlassventil 169 am Ansaugkrümmer montiert und mit der zweiten Kraftstoffleitung 166 fluidisch verbunden sein. Der zweite Kraftstoff vermischt sich daher mit der Ansaugluft stromaufwärts des Zylinders 110. Das zweite Kraftstoffeinlassventil 169 kann ein Gaseinlassventil sein und in einer Ausführungsform als Schieberventil, Drosselklappe, Kugelventil oder dergleichen mit einer Scheibe oder Kugel, die sich in Bezug auf eine Düse oder einen rohrförmigen Ventilkörper bewegt oder dreht, ausgeführt sein. Das Gaseinlassventil kann den Zeitpunkt, die Dauer und die Menge des in den Zylinder 110 eingeleiteten zweiten Kraftstoffs steuern. In anderen Ausführungsformen kann das zweite Kraftstoffversorgungssystem 160 den zweiten Kraftstoff direkt in die Ansaugkanäle 126 stromabwärts des Ansaugkrümmers 108, direkt in den Zylinder 110 oder an einer anderen geeigneten Stelle einleiten.
Zur Regelung und Steuerung des Betriebs des Dualkraftstoffsystems 150 kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem elektronischen Kraftstoffsteuersystem 170 wirkverbunden sein, das Teil eines Motorsteuersystems, einer Motorsteuereinheit oder eines Motorsteuermoduls sein kann. Das elektronische Kraftstoffsteuersystem 170 kann eine elektronische Steuerung 172 beinhalten, die mit dem ersten Kraftstoffeinlassventil 159 und mit dem zweiten Kraftstoffeinlassventil 169 in elektronischer Verbindung stehen kann, um die Aktivierung dieser Vorrichtungen und die selektive Einführung von Kraftstoff in die Brennkammer 104 operativ zu steuern. Die elektronische Steuerung 172 kann jede geeignete Computerarchitektur aufweisen und elektronische Signale in digitaler oder analoger Form empfangen, verarbeiten und senden, um das erste und zweite Kraftstoffeinlassventil 159, 169 operativ zu steuern. Darüber hinaus kann die elektronische Steuerung 172 Funktionen, Schritte, Routinen, Algorithmen, Anwendungen, Steuerkarten, Datentabellen und dergleichen ausführen und verarbeiten, indem sie computerausführbare Softwarebefehle und Code verwendet, die in einem computerlesbaren und -beschreibbaren Speicher oder einem anderen elektronisch zugänglichen Datenspeicher gespeichert und aus diesem abgerufen werden können. Die elektronische Steuerung kann als Mikroprozessor, als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), als feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder mit einer anderen geeigneten Schaltungsstruktur zur Ausführung von Computerprogrammen und Anwendungen zur Durchführung von Operationen oder Aufgaben ausgebildet sein. Die elektronische Steuerung 172 kann mit einem Speicher oder anderen Datenspeicherungsfunktionen assoziiert sein. Der Speicher kann jede geeignete Art von elektronischen Speichervorrichtungen wie Direktzugriffsspeicher („RAM“), Nur-Lese-Speicher („ROM“), dynamischen Direktzugriffsspeicher („DRAM“), Flash-Speicher, Magnetspeicher wie Festplatten, laserlesbare optische Speicher und dergleichen beinhalten. Obwohl die elektronische Steuerung 172 in der schematischen Darstellung von 1 als eine einzelne, diskrete Einheit dargestellt wird, können die elektronische Steuerung 172 und ihre Funktionen in anderen Ausführungsformen auf eine Vielzahl von unterschiedlichen und separaten Komponenten verteilt sein.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein schematisches Blockschaltbild des Kraftstoffsteuersystems 170, einschließlich der elektronischen Steuerung 172, zur Regelung und Steuerung des dualen Kraftstoffsystems 150 dargestellt. Das Kraftstoffsteuersystem 170 empfängt Daten und Informationen über die Betriebseigenschaften des Verbrennungsmotors und nutzt diese Informationen zur Regelung und Einstellung verschiedener Betriebsarten in Bezug auf den ersten Kraftstoff und den zweiten Kraftstoff. Zum Beispiel kann der Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff, wie beispielsweise Erdgas, aus wirtschaftlichen Gründen oder aus Emissionsgründen wünschenswert sein; der zweite Kraftstoff kann jedoch mit Problemen der Verbrennungsstabilität assoziiert sein, die damit zusammenhängen, wann sich der zweite Kraftstoff entzünden und verbrennen kann. Als besonderes Beispiel kann die Selbstentzündungstemperatur des zweiten Kraftstoffs, wie zum Beispiel Erdgas, nicht genau definiert sein und kann zwischen verschiedenen Quellen oder Formulierungen des zweiten Kraftstoffs variieren. In diesem Zusammenhang kann es vorkommen, dass sich beim Kaltstart, wenn der Motor vorher nicht gelaufen ist, der zweite Kraftstoff nicht rechtzeitig entzündet. Darüber hinaus ist der Heizwert des zweiten Kraftstoffs, der sich auf die bei der Verbrennung freigesetzte Energie bezieht, möglicherweise weniger gut definiert. Dementsprechend kann der erste Kraftstoff ersetzt oder mit dem zweiten Kraftstoff kombiniert werden, um einen konsistenteren und vorhersehbareren Betrieb des Verbrennungsmotors zu erzielen. Insbesondere kann das duale Kraftstoffsystem 150 sowohl in einem Einzelkraftstoffmodus arbeiten, in dem der flüssige erste Brennstoff, beispielsweise Diesel, verbrannt wird, als auch in einem Kraftstoffsubstitutionsmodus, in dem der gasförmige zweite Brennstoff, beispielsweise Erdgas, mit dem flüssigen ersten Brennstoff zur Verbrennung kombiniert wird. Der Wechsel zwischen verschiedenen Kraftstoffarten und die Kombination verschiedener Kraftstoffe kann als Kraftstoffsubstitution bezeichnet werden.
Um Daten und Informationen über den Betrieb des Verbrennungsmotors zu erhalten, kann das Kraftstoffsteuersystem 170 mit einer Vielzahl von Sensoren wirkverbunden sein, einschließlich zum Beispiel einem zylinderinternen Parametersensor 174. Der zylinderinterne Parametersensor 174 kann zur Erfassung oder Messung von Eingaben oder eines zylinderinternen Parameters, der direkt oder indirekt die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors anzeigt, ausgelegt sein. In einer Ausführungsform kann der zylinderinterne Parametersensor 174 ein zylinderinterner Drucksensor sein, der mit dem Zylinder 110 verbunden oder diesem ausgesetzt ist, wie in 2 dargestellt, und der den Flüssigkeitsdruck im Zylinder misst. Bei der Bewegung des Kolbens 112 zwischen der BDC-Position und TDC-Position und bei der Zuführung von Flüssigkeiten, einschließlich Luft und Kraftstoff, variiert der Zylinderdruck in Abhängigkeit vom Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auslasshub des Motorzyklus. Der Zylinderdruck kann ein Indikator für das an der Kurbelwelle 106 anliegende Drehmoment sein, das ein Indikator für die vom Verbrennungsmotor 100 erzeugte Leistung sein und in diese umgewandelt werden kann. Dementsprechend kann die Überwachung des Zylinderdrucks über mindestens einen Teil eines Motorzyklus, wie zum Beispiel 180 Grad Kurbelwinkel, 360 Grad Kurbelwinkel oder 720 Grad Kurbelwinkel für einen vollen Viertakt-Motorzyklus, einen Hinweis auf die Motorleistungsausgabe geben. Der zylinderinterne Drucksensor kann jede geeignete Druckmesstechnik und Konstruktion nutzen, wie etwa piezoelektrische Effekte, kapazitive Änderungen, elektromagnetische Effekte, Dehnungsmessstreifen und dergleichen. Der zylinderinterne Drucksensor kann ein dynamischer Sensor sein, der sowohl zur Messung des momentanen Zylinderdrucks als auch der Änderung des Zylinderdrucks während des Motorzyklus ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform können das Kraftstoffsteuersystem 170 und der zylinderinterne Parametersensor 174 in Form eines dynamischen Drucksensors zur Bestimmung eines zylinderinternen Parameters ausgebildet sein, der als der angezeigte mittlere effektive Druck (Indicated Mean Effective Pressure, IMEP) bezeichnet wird. IMEP stellt die während des Motorzyklus in der Brennkammer erzeugte Drehmomentmenge dar und ist nützlich zur Messung der Motorleistungsausgabe. Der IMEP kann als der im Verlauf des Motorzyklus auf den Kolben wirkende mittlere Druck betrachtet werden, der in der Kurbelwelle in Drehmoment umgewandelt werden kann, und damit die in Zeiteinheiten ausgedrückte Brennkammerleistung. IMEP kann in jeder geeigneten Form ausgedrückt werden, wie beispielsweise in Kilopascal (kPa) oder Megapascal (mPa). IMEP kann nach der folgenden beispielhaften Gleichung berechnet werden: $IMEP = \int P_{cyl} * {dV}_{cyl}$
die über den Motorzyklus von 0° Kurbelwinkel bis 720° Kurbelwinkel integriert ist, und wobei Pcyl der Zylinderdruck und dVcyl die Ableitung des Volumens über die Zeit ist: $V_{cyl} = V_{cyl@TDC} (1 + 0,5 (r_{c} - 1) {(R + 1 - cos θ - (R^{2} - {sin}^{2} θ)}^{0,5})$
Zur Unterstützung des Betriebs des dualen Kraftstoffsystems 150 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 mit anderen Sensoren und Steuerungen assoziiert sein. Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf 3 zur Bestimmung der Temperatur der Ansaugluft, die die Leistungsabgabe des Motors beeinflussen kann, ein Ansaugkrümmertemperatursensor 176, wie zum Beispiel ein Wandler oder eine andere elektronische Vorrichtung, im oder in Verbindung mit dem Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors angeordnet sein. In ähnlicher Weise kann ein Ansaugkrümmerdrucksensor 178, der den Druck im Ansaugkrümmer anzeigt, der sich auf die in den Zylinder eingebrachte Ansaugluftmenge beziehen kann, auch in dem Ansaugkrümmer des Motors angeordnet oder diesem zugeordnet sein. Zur Messung der Abgastemperatur kann ein Abgaskrümmertemperatursensor 180 im oder in Verbindung mit dem Abgaskrümmer angeordnet sein, der die durch den Verbrennungsprozess freigesetzte Wärme anzeigt und mit der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors in Beziehung gesetzt werden kann. Ein Motordrehzahlsensor 182 kann zur Messung der Motordrehzahl aus der Perspektive der Kurbelwelle in Umdrehungen pro Minute (U/min) eingeschlossen sein. Die Motordrehzahl und der Zylinderinnnendruck aus dem zylinderinterner Parametersensor 174 lassen sich nach bekannten Gleichungen in die Leistungsausgabe des Verbrennungsmotors umrechnen und können in Form von Pferdestärke oder Watt ausgedrückt werden.
Zum Senden und Empfangen von Signalen mit der Vielzahl von Sensoren kann die elektronische Steuerung 172 eine Ein-/Ausgabe- oder E/A-Schnittstelle 184 beinhalten oder mit ihr assoziiert sein. Die E/A-Schnittstelle 184 kann digitale oder analoge elektronische Signale für die Kommunikation nutzen und kann die Signale über alle geeigneten Kommunikationskanäle leiten, einschließlich leitender Drähte, Busse, optischer Fasern oder drahtlos, wie beispielsweise durch ein Radiofrequenzsignal (RF-Signal). In einer Ausführungsform können die E/A-Schnittstelle 184 und die Kommunikationskanäle als Controller Area Network (CAN) konfiguriert sein. Wie oben beschrieben, kann die elektronische Steuerung 172 auch einen oder mehrere Prozessoren 186 beinhalten, die die integrierte Schaltung zur Ausführung von in Software codierten Befehlen, zur Durchführung von Operationen und Verarbeitung der von der Vielzahl von Sensoren empfangenen Daten und zur Ausgabe von Richtungen zur Steuerung und Regelung des Betriebs des Verbrennungsmotors beinhalten. Der Prozessor 186 kann mit dem maschinenlesbaren Speicher 188, wie z. B. RAM, ROM oder Magnetspeicher, in dem die Software-Befehle gespeichert sind und aus dem Daten geschrieben und gelesen werden können, in Wirkverbindung stehen. Insbesondere kann der Speicher 188 Software speichern, die sich auf eine oder mehrere Motorbetankungsdiagramme, -tabellen oder -karten 190 und eine Betankungskarten-Aktualisierungsroutine, ein -modul oder einen -algorithmus 192 bezieht. Betankungskarten sind in der Regel maschinenlesbare Datenbeziehungen, die Korrelationen und Beziehungen zwischen Kraftstoffmengen und Motorleistung darstellen, können eine Vielzahl von Variablen beinhalten, die den Motorbetrieb beeinflussen, und können als Diagramm, Grafik, Tabelle oder Karte dargestellt werden. Ein Beispiel für eine Betankungskarte 190 ist in 3 dargestellt, die Betriebsparameter wie die in eine Brennkammer eingebrachte Kraftstoffmenge oder -dauer, die Motordrehzahl und den IMEP in Beziehung setzt oder korreliert. Im dargestellten Beispiel können Kraftstoffmenge und Motordrehzahl auf den Achsen dargestellt werden, und der IMEP kann als Datenpunkte dargestellt werden. Die Betankungskarten können jedoch andere als die in 3 angegebenen Anordnungen oder Konfigurationen haben, können zusätzliche oder andere Daten enthalten und können andere Beziehungen zwischen Informationen und Daten darstellen. Die Daten für die Erstellung der Betankungskarten können in einer Datenbank oder einem anderen Datenarray gespeichert und von dort abgerufen werden. In einem Aspekt der Offenbarung kann das Kraftstoffsteuersystem 170 Signale empfangen, die für die durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugte Motorleistungsausgabe kennzeichnend sind, und kann diese Informationen zur Regelung und Steuerung des dualen Kraftstoffsystems 150 verwenden. Das Kraftstoffsteuersystem 170 und der zylinderinterne Parametersensor 174 können beispielsweise zur Bestimmung der Motorleistungsausgabe in Bezug auf eine einzelne Brennkammer arbeiten, wenn das duale Kraftstoffsystem 150 in einem Einzelkraftstoffmodus nur den flüssigen ersten Kraftstoff wie Diesel zuführt und verbrennt. Die Motorleistungsausgabe bei der Verbrennung nur des ersten Kraftstoffs kann basierend auf des IMEP bestimmt werden, obwohl in anderen Ausführungsformen das Kraftstoffsteuersystem 170 andere zylinderinterne Parameter wie Spitzendruck, Wärmeabgabe, Brenndauer oder andere Parameter nutzen kann.
Die anderen zylinderinternen Parameter können mithilfe der in 3 dargestellten Sensoren oder Sensorkombinationen gemessen werden. Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann die zylinderinternen Parameter zur Identifizierung und Behebung von Betankungsfehlern, die beim ersten Kraftstoffversorgungssystem 152 auftreten, verarbeiten und analysieren. Darüber hinaus kann das Kraftstoffsteuersystem 170 den zylinderinternen Parameter zur Identifizierung und Behebung von Betankungsfehlern nutzen, die beim zweiten Kraftstoffversorgungssystem 160 während des Kraftstoffsubstitutionsmodus auftreten können. Die Verwendung von zylinderinternen Parametern, die in Bezug auf die Verbrennung des ersten Kraftstoffs gemessen wurden, zur Bestimmung von Betankungsfehlern im Zusammenhang mit dem zweiten Kraftstoff kann vorteilhaft sein, da die Verbrennungsstabilität und/oder der Heizwert des zweiten Kraftstoffs, z. B. Erdgas, weniger genau oder konsistent als der erste Kraftstoff, z. B. Diesel, sein kann. Die Strömungsregelung im zweiten Kraftstoffeinlassventil 169, zum Beispiel einem Schieberventil oder einer Drosselklappe, kann auch weniger genau sein als beim ersten Kraftstoffeinlassventil 159, bei dem es sich um eine Einspritzdüse handeln kann, insbesondere wenn der zweite Kraftstoff ein komprimierbares Gas wie Erdgas und der erste Kraftstoff eine nicht komprimierbare Flüssigkeit wie Diesel ist, die zuverlässiger dosiert werden kann. Randbedingungen wie die Lufttemperatur im Ansaugkrümmer, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die Motorlast und andere können ebenfalls die Verbrennung des gasförmigen zweiten Kraftstoffs beeinflussen. Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann die zylinderinternen Parameter und Informationen nutzen, sodass der Betrieb während und zwischen dem Einzelkraftstoffmodus und/oder dem Kraftstoffsubstitutionsmodus nicht unterscheidbar und der Übergang zwischen den Modi transparent ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das eine Ausführungsform eines möglichen Programms, einer Funktion, einer Anwendung, eines Prozesses, einer Routine oder eines Algorithmus zur Durchführung eines Kraftstoffsteuersystems 170 für ein duales Kraftstoffsystem 150 darstellt und das von der elektronischen Steuerung 172 von 2 ausgeführt werden kann. In einem Befehlsabrufschritt 200 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 einen ersten Betankungsbefehl 202 aus einer ersten Betankungskarte 204 empfangen, der eine Anfangsmenge des ersten Kraftstoffs, wie etwa Diesel, während eines Einzelkraftstoffmodus, wie etwa beim Kaltstart des Verbrennungsmotors, zu einer Brennkammer 104 leitet. In einem Beispiel kann der erste Betankungsbefehl 202 quantitativ in einer volumetrischen Menge des ersten an den Zylinder 110 abzugebenden Kraftstoffs ausgedrückt werden, z. B. in Kubikmillimeter (mm³). In einem anderen Beispiel kann der erste Betankungsbefehl 202 als zeitliche Dauer ausgedrückt werden, z. B. in Mikrosekunden (µs), während der das erste Kraftstoffeinlassventil 159 dem Zylinder 110 aktiv Kraftstoff zuführt, was einer bestimmten Menge des ersten Kraftstoffs entspricht. Es ist ersichtlich, dass, wenn der erste Kraftstoff eine nicht komprimierbare Flüssigkeit wie Diesel ist, der Zeitpunkt, die Durchflussmenge und die Menge des vom ersten Kraftstoffeinlassventil 159 zugeführten Kraftstoffs präzise gesteuert werden können. Die erste Betankungskarte 204 und der daraus abgerufene erste Betankungsbefehl 202 können auf vorgegebenen Parametern und Variablen basieren, beispielsweise auf einem Werkszustand des Verbrennungsmotors 100. In einer Ausführungsform kann der erste Betankungsbefehl 202 den ersten Kraftstoff durch eine Vielzahl von ersten Kraftstoffschüssen einleiten, um den Kraftstoff im Zylinder 110 besser zu verteilen. Die Daten in der ersten Betankungskarte 204 können theoretisch, empirisch im Voraus oder anderweitig ermittelt werden.
In einem Verbrennungsschritt 210 wird der erste Kraftstoff in der durch den ersten Betankungsbefehl 202 vorgegebenen Menge zugeführt und in der Brennkammer 104 verbrannt. Die Verbrennung des ersten Kraftstoffs und die daraus resultierende volumetrische Expansion der Gase im Zylinder 110 zwingt den Kolben 112 in die BDC-Position, wodurch ein Drehmoment auf die Kurbelwelle 106 ausgeübt wird. In einem Messschritt 212 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 einen zylinderinternen Parameter 214 hinsichtlich der thermodynamischen Bedingungen im Zylinder 110 während des Motorzyklus im Einzelkraftstoffmodus messen. In einer Ausführungsform kann der zylinderinterne Parameter 214 der IMEP während des Motorzyklus sein, der mit einem zylinderinternen Parametersensor 174 gemessen werden kann. In anderen Ausführungsformen können andere Parameter gemessen werden, die für die Bedingungen im Zylinder kennzeichnend sind, wie beispielsweise Spitzenzylinderdruck, Wärmeabgabe, Brenndauer oder dergleichen. In Ausführungsformen können die Parameter mit anderen Informationen über den Motor, wie Hubraum oder Volumen, bewertet werden, um die vom Verbrennungszyklus abgegebene Leistung abzuschätzen. In einem Umwandlungsschritt 216 wandelt das Kraftstoffsteuersystem 170 den zylinderinternen Parameter 214 in eine erste Kraftstoffleistungsausgabe 218 um, die der Leistungsausgabe der einzelnen Brennkammer 104 aufgrund der Verbrennung des ersten Kraftstoffs im Einzelkraftstoffmodus entspricht.
Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann die erste Kraftstoffleistungsausgabe 218 mit einem bekannten oder vorgegebenen Wert vergleichen, um etwaige Fehler oder Diskrepanzen mit dem dualen Kraftstoffsystem 150 zu bewerten. In einem Leistungsvergleichsschritt 220 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 beispielsweise die erste Kraftstoffleistungsausgabe 218 mit Datenpunkten 222 aus der ersten Betankungskarte 204 vergleichen, die eine gewünschte oder erwartete Leistungsausgabe im Zusammenhang mit dem ersten Betankungsbefehl 202 darstellen können. Das gemessene Ventil der ersten Kraftstoffleistungsausgabe 218 und die erwarteten Datenpunkte 222 aus der ersten Betankungskarte 204 können aufgrund von Verschlechterung, Verschleiß oder Beschädigung mit dem ersten Kraftstoffeinlassventil 159 oder anderen Komponenten des ersten Kraftstoffversorgungssystems 152 unterschiedlich sein. Beispielsweise können Kraftstofffilter verstopfen, Dichtungen können undicht werden und Federn können versagen. Als Ergebnis des Leistungsvergleichsschrittes 220 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 in einem nachfolgenden Fehlerbestimmungsschritt 224 einen ersten Kraftstoffmengenfehler 226 ermitteln. Der erste Kraftstoffmengenfehler 226 stellt die Differenz zwischen einer Soll- oder erwarteten Menge des ersten gemäß dem ersten Betankungsbefehl 202 zuzuführenden Kraftstoffs und der Ist-Menge des ersten zugeführten Kraftstoffs dar.
Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann die Regelung oder den Betrieb des ersten Kraftstoffversorgungssystems 152 basierend auf des ersten Kraftstoffmengenfehlers 226 anpassen. Unter Bezugnahme auf 5 ist zum Beispiel ein Diagramm dargestellt, das verschiedene Korrelationen der Kraftstoffmengen 230 auf der y-Achse mit der Dauer 232 zeigt, dass das erste Kraftstoffeinlassventil 159 auf der x-Achse aktiv ist. Beispielsweise kann die Kraftstoffmenge in Kubikmillimeter (mm³) und die Dauer in Mikrosekunden (µs) gemessen werden. Eine Vielzahl von Kraftstoffabgabeplots, einschließlich eines ersten Plots 234, eines zweiten Plots 235 und eines dritten Plots 236, sind für verschiedene Betriebsbedingungen des ersten Kraftstoffeinlassventils 159 dargestellt. Wie durch die senkrechte Linie 238 angezeigt, kann das erste Kraftstoffeinlassventil 159 für die gleiche befohlene Dauer unterschiedliche Kraftstoffmengen abgeben. Insbesondere gibt die Klammer 239 an, dass bei gleicher Dauer der Kraftstoffeinspritzung weniger Kraftstoff in den Zylinder gelangt. Dies kann auf eine Verschlechterung des Ventils im Laufe der Zeit, zum Beispiel von einem Werkszustand zu einem Ausfallzeitpunkt, zurückzuführen sein. Dementsprechend kann das Kraftstoffsteuersystem 170 in einem Einstellschritt 240 den ersten Betankungsbefehl 202 einstellen, zum Beispiel durch Verlängerung der Dauer, die das erste Kraftstoffeinlassventil 159 aktiv bleibt, um die gewünschte Menge des ersten Kraftstoffs zuzuführen. Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann in einem Aktualisierungsschritt 242 auch die erste Betankungskarte 204 aktualisieren, um den ersten Kraftstoffmengenfehler 226 auszugleichen. Die Aktualisierung kann durch Überschreiben früherer Werte des ersten Betankungsbefehls in einer elektronischen Datenbank oder einem ähnlichen elektronisch zugänglichen Datenarray erfolgen.
In einem anderen Aspekt kann das Kraftstoffsteuersystem 170 den ersten Kraftstoffmengenfehler 226 nutzen, um das duale Kraftstoffsystem 150 für einen verbesserten Betrieb während des Kraftstoffsubstitutionsmodus einzustellen. Während des Kraftstoffsubstitutionsmodus kann das Kraftstoffsteuersystem 170 einen Substitutionsbetankungsbefehl 252 aus einer Kraftstoffsubstitutionskarte 254 abrufen, der die relativen Mengen des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs darstellen kann, die zur Verbrennung in die Brennkammer 104 einzubringen sind. Beispielsweise kann im Kraftstoffsubstitutionsmodus das Kraftstoffsteuersystem 170 anordnen, dass das duale Kraftstoffsystem 150 mit 20 Prozent des ersten Kraftstoffs, z. B. Diesel, und 80 Prozent des zweiten Kraftstoffs, z. B. Erdgas, betrieben wird. In einem anderen Beispiel kann das duale Kraftstoffsystem 150 bestimmen, dass das duale Kraftstoffsystem mit 50 Prozent des ersten Kraftstoffs und 50 Prozent des zweiten Kraftstoffs betrieben wird. Im Kraftstoffsubstitutionsmodus kann der erste Kraftstoff, sei es Diesel oder ein anderer Flüssigkraftstoff, zur spontanen Selbstentzündung in der Brennkammer durch Verdichtung und damit zur Entzündung des zweiten Kraftstoffs in der Brennkammer dienen. Der Zeitpunkt der Einführung des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer dient zur Steuerung des Zeitpunkts der Zündung des zweiten Brennstoffs. Die Kraftstoffsubstitutionskarte 254 kann die Verhältnisse der während des Kraftstoffsubstitutionsmodus zuzuführenden ersten und zweiten Kraftstoffe widerspiegeln, oder sie kann bestimmte Mengen der zuzuführenden ersten und zweiten Kraftstoffe widerspiegeln, oder sie kann bestimmte Zeitspannen widerspiegeln, in denen das erste Kraftstoffeinlassventil 159 und das zweite Kraftstoffeinlassventil 169 aktiv sind. In anderen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Kraftstoffsubstitutionskarten 254 für verschiedene Verhältnisse des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs einbezogen werden.
In einem weiteren Anpassungsschritt 250 kann der Substitutionsbetankungsbefehl 252 angepasst werden, um eine Verschlechterung oder Abnutzung des ersten Kraftstoffversorgungssystems 152 zu berücksichtigen, die durch den ersten Kraftstoffmengenfehler 226 angezeigt wird. Der Substitutionsbetankungsbefehl 252 kann einen ersten Betankungsunterbefehl 256 und einen zweiten Betankungsunterbefehl 258 beinhalten, die die relativen Mengen des ersten und des zweiten Kraftstoffs widerspiegeln, die der Brennkammer 104 zur Verbrennung während des Kraftstoffsubstitutionsmodus zuzuführen sind. Der erste Betankungsunterbefehl 256 und ein zweiter Betankungsunterbefehl 258 können quantitativ, zum Beispiel in Kubikmillimeter (mm³) oder zeitlich, zum Beispiel in Mikrosekunden (µs) ausgedrückt und als elektronische Befehlssignale verkörpert werden, die an das erste Kraftstoffeinlassventil 159 bzw. das zweite Kraftstoffeinlassventil 169 übermittelt werden. Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann einen weiteren Aktualisierungsschritt 259 durchführen, in dem die Kraftstoffsubstitutionskarte 254 aktualisiert wird, um den ersten Kraftstoffmengenfehler 226 widerzuspiegeln. Insbesondere kann der Aktualisierungsschritt 259 die Komponente des ersten Betankungsunterbefehls 256 des Substitutionsbetankungsbefehls 252 aktualisieren, um den Betrieb des ersten Kraftstoffeinlassventils 159 so anzupassen, dass während des Kraftstoffsubstitutionsmodus gewünschte Mengen des ersten Kraftstoffs zugeführt werden und die Gesamtmotorleistungsausgabe konstant bleibt.
In einer Ausführungsform kann das Kraftstoffsteuersystem 170 auch den ersten Kraftstoffmengenfehler 226 nutzen, um die Fitness oder den physischen Zustand verschiedener Komponenten des ersten Kraftstoffversorgungssystems 152 zu beurteilen. So kann beispielsweise in einem Fehlervergleichsschritt 260 der erste Kraftstoffmengenfehler 226 mit einem Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwert 262 verglichen werden, der die geringste tolerante Abweichung von den Konstruktionsspezifikationen für eine bestimmte Komponente des ersten Kraftstoffversorgungssystems 152 darstellen kann, z. B. das erste Kraftstoffeinlassventil 159, bei dem es sich um ein Einspritzventil handeln kann. Die Abweichung kann auf eine Verschlechterung der Komponente während ihrer Betriebslebensdauer zurückzuführen sein, und der Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwert 262 kann dem Ende der Auslegungslebensdauer der Komponente entsprechen. Überschreitet der erste Kraftstoffmengenfehler 226 den Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwert 262, kann eine Bedienperson oder ein Mechaniker einen Reparaturschritt 264 durchführen, um die betreffende Kraftstoffkomponente zu reparieren oder zu ersetzen. Die Notwendigkeit des Austauschs oder der Reparatur einer Einspritzdüse oder einer anderen Betankungskomponente kann einer Bedienperson über eine Alarm- oder Warnleuchte mitgeteilt oder an ein Managementsystem außerhalb der Maschine übermittelt werden. Wenn jedoch der erste Kraftstoffmengenfehler 226 innerhalb des Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwertes 262 liegt, kann das Kraftstoffsteuersystem 170 weiterhin eine Anpassung an den ersten Betankungsbefehl oder den Substitutionsbetankungsbefehl vornehmen, wenn dies zur Aufrechterhaltung eines konsistenten Betriebs des Verbrennungsmotors im Einzel- und Dualkraftstoffbetrieb erforderlich ist.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das eine Ausführungsform eines anderen Algorithmus darstellt, mit dem das Kraftstoffsteuersystem 170 den ersten Kraftstoffmengenfehler 226 nutzen kann, um den Betrieb des zweiten Kraftstoffversorgungssystems 160 zu analysieren und zu korrigieren, wenn das duale Kraftstoffsystem 150 in einem Kraftstoffsubstitutionsmodus arbeitet, bei dem der erste Kraftstoff, z. B. Diesel, und der zweite Kraftstoff, z. B. Erdgas, verbrannt wird. In einem zweiten Befehlsabrufschritt 300 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 einen Substitutionsbetankungsbefehl 252 von einer Kraftstoffsubstitutionskarte 254 empfangen, der bestimmte Mengen des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs der Brennkammer 104 zuführt. In der vorliegenden Ausführungsform können der Substitutionsbetankungsbefehl 252 und die Kraftstoffsubstitutionskarte 254 die gleichen sein, wie sie in Bezug auf 4 beschrieben sind. Der Substitutionsbetankungsbefehl 252 kann wiederum quantitativ in Kubikmillimetern (mm³) oder als die Zeitdauer ausgedrückt werden, in der das erste Kraftstoffeinlassventil 159 und das zweite Kraftstoffeinlassventil 169 aktiv den ersten und zweiten Kraftstoff dem Zylinder 110 zuführen, und kann zeitlich in Mikrosekunden (µs) bemessen werden. In einem anschließenden zweiten Verbrennungsschritt 310 werden der erste und der zweite Kraftstoff gleichzeitig in der Brennkammer 104 verbrannt, und in einem zweiten Messschritt 312 kann der zylinderinterne Parametersensor 174 einen zweiten zylinderinternen Parameter 314 messen, der gleich dem ersten zylinderinternen Parameter 214 sein oder sich von diesem unterscheiden kann, z. B. IMEP. In einem zweiten Umwandlungsschritt 316 wandelt das Kraftstoffsteuersystem 170 den zweiten zylinderinternen Parameter 314 in eine Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe 318 um, die die Motorleistungsausgabe für die entsprechende Brennkammer 104 während des Motorzyklus angibt. Die Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe 318 ist also die kombinierte Leistung, die durch die Verbrennung des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs erzeugt wird.
Das Kraftstoffsteuersystem 170 kann die erste Kraftstoffleistungsausgabe 218 und die Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe 318 nutzen, um den relativen Beitrag der Verbrennung des zweiten Kraftstoffs zur Gesamtmotorleistungsausgabe zu bestimmen, der ansonsten aufgrund von Schwankungen der Zündstabilität oder des Heizwertes des zweiten Kraftstoffs im Voraus schwer zu bestimmen sein könnte. In einem Berechnungsschritt 320 wird die erste Kraftstoffleistungsausgabe 218 von der Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe 318 subtrahiert, um die zweite Kraftstoffleistungsausgabe 322 zu bestimmen, die die tatsächliche, dem zweiten Kraftstoff zurechenbare Leistungsausgabe darstellt. In einem anschließenden zweiten Leistungsvergleichsschritt 324 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 die zweite Kraftstoffleistungsausgabe 322 mit Datenpunkten 326 aus einer zweiten Betankungskarte 328 vergleichen, die einen Hinweis auf den erwarteten Leistungsbeitrag der zweiten Kraftstoffausgabe geben können, der theoretisch oder empirisch im Voraus bestimmt worden sein kann. In einem anschließenden zweiten Bestimmungsschritt 330 können die Ergebnisse des zweiten Leistungsvergleichsschritts 324 zur Bestimmung eines zweiten Kraftstoffmengenfehlers 332 verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann der zweite Kraftstoffmengenfehler 332 als dimensionsloser Skalar dargestellt und zur Anpassung des Substitutionsbetankungsbefehls oder zur Beurteilung der Betriebsfähigkeit der Komponenten des zweiten Kraftstoffversorgungssystems 160 verwendet werden. Zum Beispiel kann der zweite Kraftstoffmengenfehler 332 einen Nennwert von Null (0,0) haben, wenn ein zweites, im Herstellungszustand befindliches Kraftstoffeinlassventil 169 nach Spezifikation arbeitet. Wenn das zweite Kraftstoffeinlassventil 169 mit der Drosselung des Durchflusses beginnt, d. h. der Brennkammer 104 weniger vom zweiten Kraftstoff als befohlen zuführt, kann sich der zweite Kraftstoffmengenfehler 332 auf eins (1,0) verschieben, was anzeigt, dass die befohlene Menge des zweiten Kraftstoffs erhöht werden sollte. Umgekehrt, wenn das zweite Kraftstoffeinlassventil 169 undicht ist und mehr vom zweiten Kraftstoff als gewünscht einlässt, kann sich der zweite Kraftstoffmengenfehler 332 auf minus eins (-1,0) verschieben, was anzeigt, dass eine geringere Menge des zweiten Kraftstoffs vom Kraftstoffsteuersystem 170 befohlen werden sollte. Der dimensionslose Skalar kann leicht umgewandelt werden, um den Betrieb des zweiten Kraftstoffeinlassventils 169 quantitativ (mm³) oder zeitlich (µs) einzustellen.
Wie oben beschrieben, kann das Kraftstoffsteuersystem 170 den zweiten Kraftstoffmengenfehler 332 in einem zweiten Anpassungsschritt 350 verwenden, um die Menge des zweiten zugeführten Kraftstoffs gemäß dem Substitutionsbetankungsbefehl 252 während der Kraftstoffsubstitution anzupassen, um Ineffizienzen oder eine Verschlechterung des zweiten Kraftstoffeinlassventils 169 auszugleichen. In einem zweiten Aktualisierungsschritt 359 kann das Kraftstoffsteuersystem 170 auch die zweite Betankungskarte 328 aktualisieren, um den zweiten Kraftstoffmengenfehler 332 auszugleichen. Ebenso kann das Kraftstoffsteuersystem 170 in einem weiteren Vergleichsschritt 360 den zweiten Kraftstoffmengenfehler 332 mit einem vorbestimmten Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwert 362 vergleichen, der mit einer Komponente des zweiten Kraftstoffversorgungssystems 160, wie beispielsweise dem zweiten Kraftstoffeinlassventil 169, assoziiert ist, und gegebenenfalls kann in einem nachfolgenden Reparaturschritt 364 die Kraftstoffkomponente repariert oder ersetzt werden. Die Notwendigkeit des Austauschs oder der Reparatur eines Kraftstoffeinlassventils oder einer anderen Betankungskomponente kann einer Bedienperson über eine Alarm- oder Warnleuchte mitgeteilt oder an ein Managementsystem außerhalb der Maschine übermittelt werden. Wenn jedoch der zweite Kraftstoffmengenfehler 332 innerhalb des Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwerts 362 liegt, kann das Kraftstoffsteuersystem 170 weiterhin eine Anpassung an den ersten Betankungsbefehl oder den Substitutionsbetankungsbefehl vornehmen, wenn dies zur Aufrechterhaltung eines konsistenten Betriebs des Verbrennungsmotors im Einzel- und Dualkraftstoffbetrieb erforderlich ist.
Obwohl das Kraftstoffsteuersystem 170 in Bezug auf eine einzelne Brennkammer 104 erklärt wurde, versteht es sich, dass in Ausführungsformen, bei denen der Verbrennungsmotor 100 mehrere Zylinder beinhaltet, das Kraftstoffsteuersystem mit allen Brennkammern verwendet werden kann. Die Messungen der zylinderinternen Parameter und die anschließende Verarbeitung und Analyse dieser Daten können dynamisch erfolgen, sodass Anpassungen des ersten Betankungsbefehls und/oder Substitutionsbetankungsbefehle in Echtzeit erfolgen.
Dementsprechend sind die Leistungsausgabe und der Gesamtbetrieb des Verbrennungsmotors trotz einer Verschlechterung der Kraftstoffversorgungskomponenten oder Änderungen der Kraftstoffqualität oder -eigenschaften konstant.
Es ist offensichtlich, dass die vorstehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch denkbar, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen auf das jeweils an dieser Stelle beschriebene Beispiel Bezug nehmen und sollen keine Begrenzung des allgemeinen Umfangs der Offenbarung implizieren. Jeglicher Ausdruck von Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf keine Bevorzugung dieser Merkmale hinweisen, diese jedoch nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, soweit dies nicht anderweitig angegeben ist.
Die Angabe von Wertebereichen soll lediglich als eine Kurzschreibweise für die Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, dienen, sofern es hierin nicht anderweitig angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als ob er einzeln aufgeführt wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.
Demzufolge beinhaltet diese Offenbarung im Rahmen des gesetzlich Erlaubten alle Modifikationen und Äquivalente des in den hieran angefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands. Des Weiteren ist jegliche Kombination der zuvor beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen derselben in der Offenbarung umfasst, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.

Claims

Verbrennungsmotor (100), umfassend: eine Brennkammer mit einem Zylinder (110), in dem ein sich hin- und herbewegender Kolben angeordnet ist; ein erstes Kraftstoffversorgungssystem(152), das zur Zuführung eines ersten Kraftstoffs zur Brennkammer mit der Brennkammer in Verbindung steht; ein zweites Kraftstoffversorgungssystem(160), das zur Zuführung eines zweiten Kraftstoffs zur Brennkammer mit der Brennkammer in Verbindung steht; einen zylinderinternen Parametersensor (174), der zur Messung eines zylinderinternen Parameters (214) mit der Brennkammer in Verbindung steht; und eine elektronische Steuerung (172) in elektronischer Verbindung mit dem ersten Kraftstoffversorgungssystem (152), dem zweiten Kraftstoffversorgungssystem (160) und dem zylinderinternen Parametersensor (174); wobei die elektronische Steuerung (172) ausgebildet ist zum: (i) Abrufen und Anwenden eines ersten Betankungsbefehls (202), der das erste Kraftstoffsystem anweist, der Brennkammer eine Anfangsmenge des ersten Brennstoffs zuzuführen; (ii) Empfangen elektronischer Signale vom zylinderinternen Parametersensor (174), die den während der Verbrennung nur des ersten Kraftstoffs in der Brennkammer gemessenen zylinderinternen Parameter (214) anzeigen; (iii) Umwandeln des zylinderinternen Parameters (214) in eine erste Kraftstoffleistungsausgabe (218), die die Leistungsausgabe aus der Verbrennung der Anfangsmenge des ersten Kraftstoffs angibt; und (iv) Bestimmen eines ersten Kraftstoffmengenfehlers (226) basierend auf der ersten Kraftstoffleistungsausgabe (218); und (v) Einstellen eines Substitutionsbetankungsbefehls (252), der das erste Kraftstoffversorgungssystem (152) und das zweite Kraftstoffversorgungssystem (160) anweist, der Brennkammer eine Substitutionsmenge des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs zuzuführen.
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei der zylinderinterne Parametersensor (174) ein zylinderinterner Drucksensor ist und der zylinderinterne Parameter (214) der angezeigte mittlere effektive Druck ist.
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 2, wobei der erste Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff und der zweite Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist.
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei der Substitutionsbetankungsbefehl (252) einen ersten Betankungsunterbefehl (256) und einen zweiten Betankungsunterbefehl (258) beinhaltet.
Der Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 4, ferner umfassend das Aktualisieren des ersten Betankungsunterbefehls (256) in einer Substitutionsbetankungskarte (254).
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuerung (172) den ersten Kraftstoffmengenfehler (226) bestimmt, indem sie die erste Kraftstoffleistungsausgabe (218) mit einer erwarteten ersten Kraftstoffleistungsausgabe (218) vergleicht.
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuerung (172) zum Vergleichen des ersten Kraftstoffmengenfehlers (226) mit einem Kraftstoffkomponenten-Fehlerschwellenwert (262) ausgebildet ist, um den physikalischen Zustand einer Kraftstoffkomponente des ersten Kraftstoffversorgungssystems (152) zu bewerten.
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuerung (172) ferner ausgebildet ist zum: Abrufen und Anwenden des Substitutionsbetankungsbefehls (252), um der Brennkammer die Substitutionsmenge des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs zuzuführen; Empfangen elektronischer Signale vom zylinderinternen Parametersensor (174), die den zylinderinternen Parameter (214) während der Verbrennung des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs anzeigen; Umwandeln des zylinderinternen Parameters (214) in eine Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe (318); Bestimmen eines zweiten Kraftstoffmengenfehlers (286) basierend auf der Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe (318); und Einstellen des Substitutionsbetankungsbefehls (252) basierend auf dem zweiten Kraftstoffmengenfehler (286).
Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 8, wobei die Steuerung eine zweite Kraftstoffleistungsausgabe (322) durch Subtraktion der ersten Kraftstoffleistungsausgabe (218) von der Kraftstoffsubstitutionsleistungsausgabe (318) bestimmt und den zweiten Kraftstoffmengenfehler (286) durch Vergleichen der zweiten Kraftstoffleistungsausgabe (322) mit einer erwarteten zweiten Kraftstoffleistungsausgabe (322) bestimmt.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (100), umfassend: Anweisen eines ersten Betankungsbefehls (202), der eine Anfangsmenge eines ersten der Brennkammer des Verbrennungsmotors (100) zuzuführenden Kraftstoffs während eines Einzelkraftstoffmodus anzeigt; Zuführen und Verbrennen des ersten Kraftstoffs in der Brennkammer; Messen eines zylinderinternen Parameters (214) während der Verbrennung nur des ersten Kraftstoffs in der Brennkammer; Umwandeln des zylinderinternen Parameters (214) in eine erste Kraftstoffleistungsausgabe (218), die die Leistungsausgabe aus der Verbrennung des ersten Kraftstoffs angibt; Bestimmen eines ersten Kraftstoffmengenfehlers (226) basierend auf der ersten Kraftstoffleistungsausgabe (218); Einstellen eines Substitutionsbetankungsbefehls (252) basierend auf dem ersten Kraftstoffmengenfehler (226), wobei der Substitutionsbetankungsbefehl (252) eine Substitutionsmenge des ersten Kraftstoffs und eines zweiten Kraftstoffs steuert, die der Brennkammer während eines Kraftstoffsubstitutionsmodus zugeführt werden sollen.