DE102022128007A1 - Verfahren und systeme für vielstoffmotoren - Google Patents

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Adam Edgar Klingbeil
Thomas Michael Lavertu
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Abstract

Bereitgestellt werden Verfahren und Systeme zur Einstellung eines Substitutionsverhältnisses basierend auf Wasser in einem Verbrennungsgemisch eines Vielstoffmotors. In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Einstellen eines Substitutionsverhältnisses als Reaktion auf eine Wassermenge, die einem Vielstoffmotor zugeführt wird, der konfiguriert ist, einen ersten Kraftstoff und einen zweiten Kraftstoff zu verbrennen, wobei sich der zweite Kraftstoff von dem ersten Kraftstoff unterscheidet.

Description

  • HINTERGRUND TECHNISCHER BEREICH
  • Ausführungsformen des hier offenbarten Gegenstands beziehen sich auf einen Vielstoffmotor und insbesondere auf die Einstellung von Betriebsbedingungen zur Verbesserung der Verbrennung bestimmter Kraftstoffarten durch Anpassung von Kraftstoffverhältnissen und Zeitpunkten.
  • STAND DER TECHNIK
  • Verbrennungsmotoren können Selbstzündungs- und/oder Fremdzündungsmotoren sein. Der Motor kann mehrere Arten von Kraftstoff verbrennen. Der Motor kann mehrere Einspritzdüsen aufweisen, die so positioniert sind, dass sie direkt in einen Brennraum und in eine Einlassöffnung des Motors einspritzen. Ein Substitutionsverhältnis der Kraftstoffe des Motors kann eingestellt werden, um Motorleistung, Emissionen, Motortemperatur usw. anzupassen. Einige Kraftstoffe haben zwar eine hohe Energiedichte, können aber aufgrund einer hohen Verdampfungswärme, einer schlechten Vermischung und/oder einer niedrigen Flammengeschwindigkeit anfällig für schlechte Verbrennungsbedingungen sein. Es kann daher wünschenswert sein, Methoden und Systeme für die Kraftstoffverbrennung zu haben, die sich von den derzeit verfügbaren unterscheiden.
  • KURZBESCHREIBUNG
  • In einer Ausführungsform kann ein Verfahren das Einstellen eines Substitutionsverhältnisses als Reaktion auf eine Wassermenge umfassen, die einem Vielstoffmotor zugeführt wird, der konfiguriert ist, einen ersten Kraftstoff und einen zweiten Kraftstoff zu verbrennen, wobei sich der zweite Kraftstoff von dem ersten Kraftstoff unterscheidet. Das Substitutionsverhältnis kann als ein Prozentsatz der gesamten Kraftstoffenergie definiert werden, die durch den zweiten Kraftstoff bereitgestellt wird. Der erste Kraftstoff kann einen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff und der zweite Kraftstoff einen kohlenstofffreien Kraftstoff enthalten. Der kohlenstofffreie Kraftstoff kann Ammoniak und/oder Wasserstoff enthalten. Der kohlenstoffhaltige Kraftstoff kann Diesel und/oder hydrierten erneuerbaren Diesel (HDRD) und/oder Biodiesel und/oder Synthesegas und/oder Alkohol und/oder Benzin und/oder Kerosin und/oder Ether und/oder Erdgas umfassen. Das Einstellen kann ferner das Einstellen der Einspritzzeitpunkte, der Abgasrückführung und der Mengen an kohlenstofffreiem Kraftstoff relativ zueinander basierend auf Motorbedingungen, zum Beispiel der Last, umfassen. Auf diese Weise kann Verbrauch von kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen über einen größeren Bereich von Motorbetriebsbedingungen hinweg reduziert werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zuges mit einer Lokomotivgruppe.
    • 2. zeigt ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Lokomotive aus 1 mit einem Vielstoffmotor.
    • 3 zeigt ein Beispiel für einen Kraftstofftankwagen, der in dem Zug von 1 enthalten sein kann.
    • 4 zeigt eine Detailansicht eines Motorsystems.
    • 5 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung, ob eine Vielstoffverbrennung in dem Motor erwünscht ist, und zur Einstellung eines entsprechenden Substitutionsverhältnisses.
    • 6 zeigt ein Verfahren zur pH-Balancierung von Abgas
    • 7 zeigt eine Zeitleiste, die das Einstellen der Zündfähigkeit während des Vielstoffbetriebs des Motors veranschaulicht.
    • 8 zeigt eine Tabelle, die Zylinderbedingungen als Reaktion auf eine den Zylindern zugeführte Wassermenge darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung offenbart und können sich auf Verfahren und Systeme zur Leistungssteigerung eines Verbrennungsmotors (ICE) beziehen. Der Verbrennungsmotor kann mit einer Kombination verschiedener Kraftstoffe betrieben werden. Diese Kraftstoffe können relativ unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff aufweisen. In einem Beispiel kann der Verbrennungsmotor ein Vielstoffmotor sein, der konfiguriert ist, eine Vielzahl von Kraftstoffen zu verbrennen. Der Verbrennungsmotor kann Benzin und/oder Diesel und/oder hydrierten erneuerbaren Diesel (HDRD) und/oder Alkohol(e) und/oder Ether und/oder Ammoniak und/oder Biodiesel und/oder Wasserstoff und/oder Erdgas und/oder Kerosin und/oder Synthesegas und dergleichen verbrennen. Die Vielzahl von Kraftstoffen kann gasförmige und flüssige Kraftstoffe, einzeln oder in Kombination, umfassen. Ein Substitutionsverhältnis zwischen einem primären Kraftstoff des Verbrennungsmotors und einem sekundären Kraftstoff kann basierend auf einer aktuellen Motorlast bestimmt werden. Das Substitutionsverhältnis kann als prozentualer Anteil des zweiten Kraftstoffs an der gesamten Kraftstoffenergie definiert werden. In einer Ausführungsform kann das Substitutionsverhältnis einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs mit relativ niedrigem Kohlenstoffgehalt oder ohne Kohlenstoffgehalt (zum Beispiel Wasserstoffgas oder Ammoniak) entsprechen. Mit steigendem Substitutionsverhältnis nimmt der relative Anteil des Kraftstoffs mit geringerem oder keinem Kohlenstoffgehalt zu und der Gesamtkohlenstoffgehalt des kombinierten Kraftstoffs sinkt.
  • In einem Beispiel kann der Verbrennungsmotor Kraftstoffe verbrennen, die sowohl Diesel als auch Wasserstoff umfassen. Während manchen Betriebsarten kann der Verbrennungsmotor nur Diesel, nur Wasserstoff oder eine Kombination davon verbrennen (zum Beispiel während ersten, zweiten bzw. dritten Bedingungen). Wenn Wasserstoff bereitgestellt wird, können Betriebsbedingungen so eingestellt werden, dass eine verbesserte Verbrennung des Wasserstoffs gefördert wird.
  • Das Motorsystem kann ferner so konfiguriert sein, dass es ein Gemisch aus drei oder mehr Kraftstoffen einschließlich Diesel, Wasserstoff und Ammoniak verbrennt. Zusätzlich oder alternativ kann dem Verbrennungsgemisch auch Ethanol beigemischt werden. Eine Motorkonfiguration des Verbrennungsmotors kann so eingestellt werden, dass eine oder mehrere Ammoniakeinspritzdüsen vorteilhaft an verschiedenen Stellen angeordnet sind, an denen sich Ammoniak mit heißen Abgasen vormischen kann. Auf diese Weise kann die Zündfähigkeit des Ammoniaks erhöht werden, ohne dass die Motor- oder Ansaugkrümmertemperaturen zur Verdampfung des Ammoniaks steigen. So kann zum Beispiel eine Einspritzdüse in einer Auslassöffnung positioniert sein und Ammoniak in Richtung eines Auslassventils eines Brennraums einspritzen. In manchen Beispielen kann das Öffnen und Schließen des Auslassventils verzögert werden, um die Wiederaufnahme des Abgases zu erhöhen, wenn das Ammoniak in die Auslassöffnung eingespritzt wird. Abgaswiederaufnahme kann umfassen, dass die aus dem Brennraum ausgestoßenen Abgase in den Brennraum zurückgesaugt werden, indem das Auslassventil während des Ansaugtakts offen gehalten wird. Abgasrückhaltung kann umfassen, dass die Auslassventilzeitsteuerung so eingestellt wird, dass eine aus dem Zylinder ausgestoßene Abgasmenge durch Schließen des Auslassventils vor einem Abschluss des Auslasstakts verringert wird. Sowohl die Abgaswiederaufnahme als auch die Abgasrückhaltung können eine Durchflussrate des Abgases (AGR) beeinflussen. Das bei der Abgaswiederaufnahme und der Abgasrückhaltung verwendete Abgas kann eine höhere Temperatur aufweisen als das AGR aus einem Abgasrückführungskanal, da weniger Wärme an verschiedene Motormaterialien, einen Abgasrückführungskühler und die Umgebungsluft verloren geht. Durch die höheren Abgastemperaturen kann das Ammoniak verdampfen, was seine Zündfähigkeit erhöhen kann. Andere Betriebseinstellungen können die Aktivierung eines Geberzylinders, die Vormischung von Diesel mit Ammoniak über eine erweiterte Dieseleinspritzung und/oder die direkte Einspritzung von Ammoniak in einen AGR-Strom umfassen. Der Geberzylinder kann konfiguriert sein, das gesamte Abgas oder einen Teil davon in einen anderen Zylinder zu leiten. Auf diese Weise kann die Abgasrückführung (AGR) über einen anderen Weg erfolgen als über einen AGR-Kanal, durch den der AGR-Strom strömt. Verschiedene Beispiele und Routinen zur Förderung der Ammoniakverbrennung werden hier beschrieben.
  • In einem Beispiel können Systeme und Verfahren für den Vielstoffmotor die Verbrennung eines primären Kraftstoffs in Kombination mit einem oder mehreren sekundären Kraftstoffen umfassen. Der Vielstoffmotor kann so konfiguriert sein, dass er den primären Kraftstoff allein verbrennt. Unter bestimmten Bedingungen kann der Vielstoffmotor so konfiguriert sein, dass er die Menge des verbrauchten primären Kraftstoffs verringert, indem er einen oder mehrere sekundäre Kraftstoffe in ein Verbrennungsgemisch einbringt. Die sekundären Kraftstoffe können im Vergleich zu dem primärem Kraftstoff einen geringeren Kohlenstoffgehalt aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die sekundären Kraftstoffe billiger, besser verfügbar und/oder effizienter sein. Die sekundären Kraftstoffe können sich in ihrer Zündfähigkeit und ihren Verbrennungseigenschaften unterscheiden. Der Zündzeitpunkt des Vielstoffmotors kann in Abhängigkeit vom Verbrennungsgemisch eingestellt werden, um die Einbeziehung der sekundären Kraftstoffe zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann der Zündzeitpunkt verzögert werden, wenn die Wasserstoffmenge erhöht wird. Als weiteres Beispiel kann der Zündzeitpunkt vorverlegt werden, wenn eine Menge an Ammoniak erhöht wird. Der Zündzeitpunkt kann auf diese Weise weiter eingestellt werden, wenn dem Verbrennungsgemisch der primäre und ein oder mehrere sekundäre Kraftstoffe zugesetzt oder entnommen werden. Auf diese Weise können Klopfen, Fehlzündungen und Vorverbrennung verringert werden. In einem Beispiel wird die Zeitsteuerung verzögert, um Klopfen und Vorverbrennung zu vermindern. In einem anderen Beispiel wird der Zündzeitpunkt vorverlegt, um die Verbrennungseffizienz zu verbessern oder Fehlzündungen zu vermeiden.
  • Ausführungsformen des hier beschriebenen Systems können eine Vielzahl von Motortypen und eine Vielzahl von motorgetriebenen Systemen umfassen. Einige dieser Systeme können stationär sein, während andere auf semi-mobilen oder mobilen Plattformen stehen können. Semimobile Plattformen können zwischen den Betriebszeiten versetzt werden, zum Beispiel auf Pritschenanhängern montiert. Zu den mobilen Plattformen können selbstfahrende Fahrzeuge gehören. Solche Fahrzeuge können Straßenfahrzeuge (zum Beispiel Autos), Bergbauausrüstungen, Wasserfahrzeuge, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge und andere Geländefahrzeuge (OHVs) sein. Zur Veranschaulichung kann ein Schienenfahrzeug, wie zum Beispiel eine Lokomotive, als Beispiel einer mobilen Plattform angeführt werden. In einem Beispiel kann ein Fahrzeugsystem einen Motor, einen Turbolader, ein Nachbehandlungssystem, ein Kraftstoffsystem und ein Steuerungssystem umfassen.
  • Vor der weiteren Erörterung der Verfahren zur Steigerung der Effizienz beim Anlassen von Motoren wird eine Beispielplattform gezeigt, in der die Verfahren implementiert werden können. In 1 ist ein beispielhafter Zug 100 dargestellt, der eine Vielzahl von Schienenfahrzeugen, einen Kraftstofftankwagen 160 und Wagen 108 umfasst, die für den Betrieb auf der Strecke 110 konfiguriert sind. Die mehreren Schienenfahrzeuge, der Kraftstofftankwagen und die Wagen sind über Kupplungen 112 miteinander verbunden. In einem Beispiel kann es sich bei der Vielzahl der Schienenfahrzeuge um Lokomotiven handeln, einschließlich einer führenden Lokomotive 102 und einer oder mehrerer entfernter Lokomotiven 104, 106. Während das dargestellte Beispiel drei Lokomotiven, einen Kraftstofftankwagen und vier Wagen zeigt, kann jede beliebige Anzahl von Lokomotiven, Kraftstofftankwagen und Wagen in dem Zug enthalten sein. Ferner können die Lokomotiven in dem Zug einen Zugverband bilden. In der dargestellten Ausführung können die Lokomotiven zum Beispiel den Zugverband 101 bilden. Wie in der Abbildung dargestellt, umfasst der Zug einen Zugverband. Es kann jedoch jede beliebige Anzahl und Anordnung von Zugverbänden im Rahmen dieser Offenbarung verwendet werden. Außerdem kann der Zugverband, der in 1 mit drei Lokomotiven dargestellt ist, in anderen Beispielen mehr oder weniger als drei Lokomotiven umfassen.
  • In manchen Beispielen kann der Zugverband aufeinanderfolgende Lokomotiven umfassen, zum Beispiel wenn die Lokomotiven hintereinander angeordnet sind, ohne dass Wagen dazwischen positioniert sind. In anderen Beispielen, wie in 1 dargestellt, können die Lokomotiven durch einen oder mehrere Wagen in einer Konfiguration getrennt sein, die einen verteilten Leistungsbetrieb ermöglicht. In dieser Konfiguration können Gas- und Bremsbefehle von der führenden Lokomotive an die entfernten Lokomotiven weitergegeben werden, zum Beispiel über eine Funkverbindung oder ein physisches Kabel.
  • Die Lokomotiven können von dem Motor 10 angetrieben werden, während die Wagen nicht angetrieben sein können. In einem Beispiel kann der Motor ein Vielstoffmotor sein. Zum Beispiel kann der Motor konfiguriert sein, gasförmige und/oder flüssige Kraftstoffe mit unterschiedlichen Mengen an Kohlenstoff in unterschiedlichen Verhältnissen zu verbrennen. Weitere Einzelheiten des Motors werden weiter unten unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
  • Der Zug kann ferner ein Steuerungssystem mit zumindest einem Motorsteuergerät 12 und zumindest einem Zugverband-Steuergerät 22 aufweisen. Wie in 1 dargestellt, verfügt jede Lokomotive über ein Motorsteuergerät, die alle mit dem Zugverband-Steuergerät in Verbindung stehen. Das Zugverband-Steuergerät kann sich auf einem Fahrzeug des Zuges befinden, zum Beispiel auf der führenden Lokomotive, oder er kann sich an einem entfernten Ort befinden, zum Beispiel in einer Versandzentrale. Das Zugverband-Steuergerät ist konfiguriert, Informationen von den einzelnen Lokomotiven des Zugverbands zu empfangen und Signale an diesen sendet. Das Zugverband-Steuergerät kann zum Beispiel Signale von einer Vielzahl von Sensoren im Zug empfangen und den Zugbetrieb entsprechend einstellen. Das Zugverband-Steuergerät ist auch mit den einzelnen Motorsteuergeräten verbunden, um den Betrieb der einzelnen Lokomotiven einzustellen. Wie in den 3 - 7 erläutert, kann jedes Motorsteuergerät einen aktuellen Motorzustand ermitteln und ein entsprechendes Substitutionsverhältnis einstellen. Ein Zündzeitpunkt kann basierend auf dem Substitutionsverhältnis eingestellt werden. Wie oben beschrieben, entspricht das Substitutionsverhältnis einer Substitution eines primären Kraftstoffs durch einen oder mehrere alternative Kraftstoffe. Der Motor kann so konfiguriert sein, dass er nur mit dem primären Kraftstoff verbrennt. Unter bestimmten Bedingungen kann es jedoch wünschenswert sein, eine Vielstoffverbrennung durchzuführen, um eine oder mehrere Emissionsarten zu verringern, Verbrennungskosten zu senken, den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen und einer geringen Verfügbarkeit eines oder mehrerer Kraftstoffe Rechnung zu tragen. Der primäre Kraftstoff und die alternativen Kraftstoffe können einen oder mehrere der folgenden umfassen: Benzin, Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Alkohol(e), Ether, Ammoniak, Biodiesel, Wasserstoff, Erdgas, Kerosin, Synthesegas und dergleichen. Zusätzlich oder alternativ kann auch elektrische Energie zum Antrieb des Zuges verwendet werden.
  • Der Zug kann zumindest einen Kraftstofftankwagen aufweisen, der so konfiguriert sein kann, dass er einen oder mehrere Kraftstoffspeichertanks 162 trägt und ein Steuergerät 164 aufweist. Während der Kraftstofftankwagen vor der entfernten Lokomotive 106 positioniert ist, können andere Beispiele alternative Standorte des Kraftstofftankwagens entlang des Zuges vorsehen. So kann der Kraftstofftankwagen zum Beispiel hinter der entfernten Lokomotive oder zwischen der führenden Lokomotive und der entfernten Lokomotive positioniert werden.
  • In einem Beispiel kann das Kraftstofftankwagen für den Antrieb nicht angetrieben sein, zum Beispiel ohne Motor oder elektrische Fahrmotoren (zum Beispiel die in 2 gezeigten elektrischen Fahrmotoren 124). In anderen Beispielen kann das Kraftstofftankwagen jedoch für den Antrieb angetrieben werden. Wie in 3 dargestellt, kann der Kraftstofftankwagen zum Beispiel einen Motor (zum Beispiel Motor 302) aufweisen, der ähnlich konfiguriert sein kann wie die Motoren der Lokomotiven oder eine andere Konfiguration aufweisen kann. Der Motor des Kraftstofftankwagens kann den in dem Kraftstoffbehälter gelagerten Kraftstoff und/oder den in einem anderen Fahrzeug des Zuges gelagerten Kraftstoff verbrennen.
  • Der eine oder die mehreren Kraftstoffbehälters des Kraftstofftankwagens können eine geeignete Struktur für die Lagerung eines bestimmten Kraftstofftyps aufweisen. In einem Beispiel kann der Kraftstoffspeichertank für die kryogene Speicherung von verflüssigtem Erdgas (LNG) ausgelegt sein. In einem anderen Beispiel kann der Kraftstoffspeichertank einen bei Umgebungstemperatur und -druck flüssigen Kraftstoff wie Diesel oder Ammoniak speichern. In einem weiteren Beispiel kann der Kraftstoffspeicher so konfiguriert sein, dass er einen Kraftstoff in Form eines komprimierten Gases speichert, wie zum Beispiel Wasserstoff. In jedem Fall kann der Kraftstofftankwagen mit verschiedenen Mechanismen und Vorrichtungen für die Lagerung des jeweiligen Kraftstoffs ausgestattet sein. Weitere Einzelheiten des Kraftstofftankwagens werden weiter unten unter Bezugnahme auf 3 dargestellt.
  • In manchen Beispielen kann Kraftstoff nur an dem Kraftstofftankwagen gespeichert werden. In anderen Beispielen kann der Kraftstoff jedoch sowohl im Kraftstofftankwagen als auch in einer oder mehreren Lokomotiven gespeichert werden, zum Beispiel wie in 2 dargestellt. Darüber hinaus kann der Kraftstofftankwagen in manchen Fällen auch so konfiguriert sein, dass er ein Kraftstoffzellensystem mit einer Kraftstoffzelle und einem oder mehreren Tanks mit komprimiertem Wasserstoffgas speichert. Alternativ kann das Kraftstoffzellensystem auch in einer oder mehreren Lokomotiven gespeichert werden.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schienenfahrzeugs des Zuges aus 1, hier als Lokomotive 102 dargestellt, die so konfiguriert ist, dass sie über eine Vielzahl von Rädern 116 auf dem Gleis fährt. Die Antriebsenergie für die Lokomotive kann zumindest teilweise vom Motor geliefert werden. Der Motor nimmt Ansaugluft für die Verbrennung aus einem Ansaugkanal 118 auf. Der Ansaugkanal nimmt gefilterte Umgebungsluft von einem Luftfilter auf (nicht dargestellt). Das bei der Verbrennung im Motor entstehende Abgas wird in einen Abgaskanal 120 geleitet. Abgas strömt durch den Abgaskanal und aus einem Abgaskamin (nicht abgebildet) der Lokomotive.
  • In einer Ausführungsform arbeitet der Motor als Selbstzündungsmotor, der so konfiguriert ist, dass er zumindest eine Art von Kraftstoff verbrennt. In einer anderen Ausführungsform arbeitet der Motor als Fremdzündungsmotor, der ebenfalls so konfiguriert ist, dass er zumindest eine Art von Kraftstoff verbrennt. Der Motor kann zum Beispiel nur eine bestimmte Kraftstoffart verbrennen oder zwei oder mehr Kraftstoffarten, zum Beispiel ein Vielstoffmotor. So können die verschiedenen Kraftstoffarten einzeln oder gemeinsam, zum Beispiel gleichzeitig, in dem Motor verbrannt werden. In einer Ausführungsform kann der Vielstoffmotor ein Zweikraftstoffmotor sein, wie in 2 dargestellt, wobei der Zweikraftstoffmotor so konfiguriert ist, dass er einen ersten Kraftstoff aus einem ersten Kraftstoffbehälter 134 und einen zweiten Kraftstoff aus einem zweiten Kraftstoffbehälter 136 aufnimmt.
  • Obgleich die Lokomotive in 2 mit zwei Kraftstoffbehältern ausgestattet ist, kann die Lokomotive in anderen Beispielen auch nur einen Kraftstoffbehälter oder keinen Kraftstoffbehälter aufweisen. Zum Beispiel kann zumindest einer der Kraftstoffbehälter im Kraftstofftankwagen gelagert werden, zum Beispiel im Kraftstofftankwagen von 1. Alternativ kann ein dritter Kraftstoff zusätzlich zu dem ersten Kraftstoff im ersten Kraftstoffbehälter und dem zweiten Kraftstoff im zweiten Kraftstoffbehälter der Lokomotive im Kraftstofftankwagen gespeichert werden. In einem Beispiel können Kraftstoffe, die bei Umgebungsdruck und - temperatur ohne zusätzliche Ausrüstung oder spezielle Lagertankkonfigurationen gespeichert werden können, wie zum Beispiel Diesel, in der Lokomotive gespeichert werden. Kraftstoffe, die eine spezielle Ausrüstung erfordern, zum Beispiel für die Tieftemperatur- oder Hochdrucklagerung, können an Bord des Kraftstofftankwagens gelagert bzw. gespeichert werden. In anderen Beispielen können jedoch sowohl die Lokomotive als auch der Kraftstofftankwagen Kraftstoffe speichern, die keine spezielle Ausrüstung erfordern.
  • Die ersten, zweiten und dritten Kraftstoffe (zum Beispiel alle an Bord des Zuges gelagerten Kraftstoffe) können jeweils eine Reihe verschiedener Kraftstoffarten sein. Zum Beispiel können die Kraftstoffarten kohlenstoffbasierte Kraftstoffe wie Diesel, Erdgas, Methanol, Ethanol, andere Alkohole, Dimethylether (DME), andere Ether, Biodiesel, HDRD, Synthesegas usw. umfassen. Alternativ können die Kraftstoffe auch nicht auf Kohlenwasserstoffen basierende Kraftstoffe sein, wie Wasserstoff, Ammoniak usw. Die oben aufgeführten Kraftstoffe sind nicht begrenzte Beispiele für Kraftstoffe, die im Motor verbrannt werden können, und verschiedene andere Arten von Kraftstoffen sind möglich.
  • Zudem kann jeder der gespeicherten Kraftstoffe ein gasförmiger oder ein flüssiger Kraftstoff sein. Daher kann der Motor, wenn er als Selbstzündungsmotor konfiguriert ist und einen einzigen Kraftstofftyp verbrennt, einen gasförmigen oder einen flüssigen Kraftstoff verbrauchen. Handelt es sich bei dem Selbstzündungsmotor um einen Vielstoffmotor, kann der Motor nur flüssige Kraftstoffe, nur gasförmige Kraftstoffe oder eine Kombination aus flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen verbrennen. Ebenso kann der Motor, wenn er als Fremdzündungsmotor konfiguriert ist und einen einzigen Kraftstofftyp verbrennt, entweder einen gasförmigen oder einen flüssigen Kraftstoff verbrauchen. Bei der Konfiguration als Vielstoff-Fremdzündungsmotor kann der Motor nur flüssige Kraftstoffe, nur gasförmige Kraftstoffe, oder eine Kombination aus flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen verbrennen.
  • Sowohl bei der Fremdzündungs- als auch bei der Selbstzündungs-Vielstoffmotorenkonfiguration kann der Motor Kraftstoffkombinationen auf unterschiedliche Weise verbrennen. Zum Beispiel kann ein Kraftstofftyp ein primärer Verbrennungskraftstoff sein und ein anderer Kraftstofftyp ein sekundärer, zugesetzter Kraftstoff, der unter bestimmten Bedingungen zur Anpassung der Verbrennungseigenschaften verwendet wird. So kann ein Kraftstoffgemisch beim Anlassen des Motors einen geringeren Anteil an Diesel enthalten, um die Zündung einzuleiten, während ein größerer Anteil des Gemischs aus Wasserstoff gebildet sein kann. In anderen Beispielen kann ein Kraftstoff zur Voreinspritzung vor der Einspritzung des Hauptverbrennungskraftstoffs verwendet werden. In manchen Beispielen kann das Substitutionsverhältnis basierend auf einer oder mehrerer Bedingungen festgelegt werden, um die Menge an kohlenstofffreiem Kraftstoff zu erhöhen und so die Kohlenstoffemissionen zu verringern. Ein Verhältnis der verwendeten kohlenstofffreien Kraftstoffe kann basierend auf der gewünschten Zündfähigkeit eingestellt werden, wobei die gewünschte Zündfähigkeit auf der Motorlast, der Ansaugkrümmertemperatur und -druck sowie der Zündfähigkeit des Kraftstoffgemischs basiert.
  • Der Motor kann als der Vielstoffmotor so konfiguriert sein, dass er verschiedene Kombinationen der Kraftstoffe verbrennt, und die Kraftstoffe können vor der Verbrennung vorgemischt oder nicht vorgemischt werden. In einem Beispiel kann es sich bei dem ersten Kraftstoff um Diesel und bei dem zweiten Kraftstoff um Wasserstoff handeln. In einem anderen Beispiel kann es sich bei dem ersten Kraftstoff um Diesel und bei dem zweiten Kraftstoff um Ammoniak handeln. In einem weiteren Beispiel kann dem ersten und zweiten Kraftstoff Ethanol beigemischt werden. Bei der Lagerung des dritten Kraftstoffs auf dem Kraftstofftankwagen sind weitere Kombinationen möglich. So kann zum Beispiel LNG im Kraftstofftankwagen gelagert werden, und der Motor kann so konfiguriert sein, dass er LNG und Wasserstoff, LNG, Diesel und Wasserstoff oder LNG, Ammoniak und Wasserstoff verbrennt. Es sind also zahlreiche Kombinationen von Kraftstoffarten möglich, wobei die Kombinationen basierend auf der Kompatibilität der Kraftstoffe festgelegt werden können. Ein Verfahren der Zufuhr der Kraftstoffe an den Motor zur Verbrennung kann in ähnlicher Weise von den Eigenschaften der Kraftstoffart abhängen.
  • Wenn Motorbedingungen die Verbrennung nur eines einzigen Kraftstoffs erlauben (entweder mit Fremdzündung oder mit Selbstzündung), kann der Motor einen einzigen Flüssigphasenkraftstoff verbrauchen. So kann der Motor zum Beispiel Diesel, Benzin, Ammoniak, Flüssiggas oder einen anderen Flüssigphasenkraftstoff verbrennen. Ebenso kann der Motor so konfiguriert sein, dass er einen einzigen gasförmigen Kraftstoff, wie Wasserstoff oder einen anderen gasförmigen Kraftstoff, verbrennt.
  • Darüber hinaus kann ein Kraftstoff, der an Bord in einem physikalischen Zustand, zum Beispiel gasförmig oder flüssig, gelagert wird, dem Motor in demselben oder einem anderen Zustand zugeführt werden. LNG kann zum Beispiel kryogen in der Flüssigphase gelagert werden, aber vor der Einspritzung in den Motor in die Gasphase übergehen, zum Beispiel in einer Wiedervergasungseinheit im Kraftstofftankwagen. Andere Kraftstoffe hingegen können als Flüssigkeit gelagert und als Flüssigkeit eingespritzt oder als Gas gelagert und als Gas eingespritzt werden.
  • Kraftstoffe können zum Beispiel mit mehr als einer Einspritztechnik in den Motor eingespritzt werden. In einem Beispiel kann einer oder mehrere der Kraftstoffe den Motorzylindern über ein indirektes Einspritzverfahren zugeführt werden, wie zum Beispiel über die Einlasskanaleinspritzung und/oder die Auslasskanaleinspritzung. In einem anderen Beispiel kann zumindest einer der Kraftstoffe durch Direkteinspritzung in die Motorzylinder eingeführt werden. In einem weiteren Beispiel kann zumindest einer der Kraftstoffe durch Zentralverteilereinspritzung eingespritzt werden. Der Motor kann so konfiguriert sein, dass er die Kraftstoffe ausschließlich durch indirekte Einspritzung, ausschließlich durch direkte Einspritzung oder durch eine Kombination aus indirekter und direkter Einspritzung aufnimmt. Insbesondere, wenn einer der Kraftstoffe ein gasförmiger Kraftstoff ist, kann eine Vormischung des gasförmigen Kraftstoffs mit Luft und/oder AGR über die Port-Einspritzung wünschenswert sein. Die Kraftstoffe können auch vorgemischt werden, wenn sie durch Zentralverteilereinspritzung eingeführt werden. Eine Vormischung durch Direkteinspritzung ist ebenfalls möglich, zum Beispiel durch Einspritzung des gasförmigen Kraftstoffs während eines Ansaugtakts der Motorzylinder. Zusätzlich oder alternativ kann der Ort der Einspritzung eines oder mehrerer Kraftstoffe von der Zündfähigkeit eines Kraftstoffs abhängen. So kann zum Beispiel Ammoniak indirekt eingespritzt und mit Ladeluft und/oder AGR vorgemischt werden, um die Zündfähigkeit und eine Verdampfung des Ammoniaks zu verbessern.
  • Jede Art der Einspritzung kann die Einspritzung von gasförmigen oder flüssigen Kraftstoffen umfassen. Einige Einspritzverfahren können jedoch für bestimmte Kraftstoffe besser geeignet sein, je nach den spezifischen Eigenschaften des Kraftstofftyps. So kann zum Beispiel Wasserstoff über die Port-Einspritzung oder die Direkteinspritzung eingespritzt werden. Flüssigphasenkraftstoffe, wie Diesel, können durch Direkteinspritzung eingespritzt werden. Ammoniak und Erdgas können jeweils über eine Port-Einspritzung oder eine Direkteinspritzung eingespritzt werden. Auch Kraftstoffe wie Methanol und Ethanol können entweder über eine Port-Einspritzung oder eine Direkteinspritzung eingespritzt werden. In manchen Fällen kann der Motor mit Kraftstoffeinspritzdüsen ausgestattet sein, die zwischen der Einspritzung von gasförmigen und flüssigen Kraftstoffen umschalten können.
  • Die von dem Vielstoffmotor verbrannten Kraftstoffe, ob in der Gasphase oder in der Flüssigphase, können je nach Art des Kraftstoffs vor der Verbrennung vorgemischt werden oder nicht. So kann zum Beispiel je nach Betriebsbedingungen eine Vormischung von Wasserstoff, Erdgas, Ammoniak, Methanol, Ethanol und DME wünschenswert sein. Unter anderen Betriebsbedingungen können Kraftstoffe wie Diesel, Wasserstoff, Erdgas, Methanol und Ethanol nicht vorgemischt werden. So kann zum Beispiel bei höheren Lasten ein größerer Anteil an vorgemischtem Wasserstoff und bei niedrigeren Lasten ein geringerer Anteil an vorgemischtem Wasserstoff erwünscht sein. Die Vormischung der Kraftstoffe kann die Einspritzung zumindest eines der Kraftstoffe in einen Einlasskrümmer oder eine Einlassöffnung umfassen, wo sich der Kraftstoff mit Luft vermischen kann, bevor er in einen Zylinder gelangt. Als weiteres Beispiel kann jeder der Kraftstoffe über einen Port eingespritzt werden, so dass sich die Kraftstoffe vor der Verbrennung miteinander und mit der Luft vermischen können. In anderen Beispielen kann der Kraftstoff bzw. können die Kraftstoffe in eine Vorverbrennungskammer eingespritzt werden, die strömungstechnisch mit einem Zylinderkopf verbunden ist, wobei sich der Kraftstoff bzw. die Kraftstoffe in der Vorverbrennungskammer mit Luft vermischen können, bevor sie in den Zylinderkopf strömen. Zur Erhöhung der Vormischung kann zum Beispiel mehr Kraftstoff während des Ansaugtakts oder zu Beginn des Ansaugtakts eingespritzt werden. Eine Verringerung der Vormischung kann darin bestehen, dass mehr Kraftstoff spät im Ansaugtakt eingespritzt wird, oder dass Kraftstoff während des frühen oder mittleren Teils des Verdichtungstakts direkt eingespritzt wird.
  • Alternativ können die Kraftstoffe, wie oben beschrieben, den Motorzylindern durch direkte Einspritzung eines oder mehrerer Kraftstoffe in die Motorzylinder zugeführt werden, wenn die Zylinder zumindest mit der Druckluft und in manchen Fällen mit dem Gasphasenkraftstoff gefüllt sind. Die Direkteinspritzung kann die Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDI) und die Niederdruck-Direkteinspritzung (LPDI) umfassen. Bei der Direkteinspritzung können die Kraftstoffe in einem Beispiel nicht vorgemischt werden. In einem anderen Beispiel kann die Vormischung jedoch durch Direkteinspritzung eines oder mehrerer Kraftstoffe vor einem Verdichtungstakt der Motorzylinder, wie oben beschrieben, ermöglicht werden.
  • Bei Ausführungsformen des Motors, bei denen der erste Kraftstoff Diesel und der zweite Kraftstoff Wasserstoff ist, kann die Vormischung des Wasserstoffs mit Luft durch die Port-Einspritzung bei niedrigen Motordrehzahlen zu stabileren Luft/Kraftstoff-Gemischen und einem sanfteren Anfahren des Motors führen. Bei höheren Motordrehzahlen kann die Port-Einspritzung des Wasserstoffs jedoch die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen erhöhen. Die Direkteinspritzung des Wasserstoffs kann das Klopfen vermindern. Daher kann in manchen Beispielen eine kombinierte Anwendung der Port-Einspritzung von Wasserstoff bei niedrigen Motordrehzahlen und der Direkteinspritzung von Wasserstoff bei hohen Motordrehzahlen zur Klopfreduzierung wünschenswert sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Kraftstoff mit geringerer Zündfähigkeit, wie zum Beispiel Ammoniak, mit Wasserstoff vorgemischt werden, um das Klopfen zu vermindern.
  • Darüber hinaus kann die Art des verwendeten gasförmigen Kraftstoffs bestimmen, ob die Direkteinspritzung des Kraftstoffs HPDI oder LPDI oder sowohl HPDI als auch LPDI umfassen kann. So kann zum Beispiel Wasserstoff, wenn er als komprimiertes Gas gespeichert ist, je nach Motorlast und verfügbarem Förderdruck per HPDI oder LPDI eingespritzt werden. Insbesondere kann HPDI von Wasserstoff das Klopfen aufgrund der kontinuierlichen Verbrennung des Wasserstoffs beim Mischen in den Motorzylindern verringern. Darüber hinaus kann HPDI größere Substitutionsraten von Wasserstoff ermöglichen, zum Beispiel als Ersatz für Diesel, wodurch die Kohlenwasserstoff-, NOx- und Partikelemissionen während des Motorbetriebs verringert werden.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der Motor mit einem Stromerzeugungssystem gekoppelt, das eine Lichtmaschine/Generator 122 und die elektrischen Fahrmotoren aufweist. Zum Beispiel erzeugt der Motor ein Drehmoment, das auf den Generator übertragen wird, der mechanisch mit dem Motor verbunden ist. Die Lichtmaschine/der Generator erzeugt elektrische Energie, die gespeichert und anschließend an eine Vielzahl nachgeschalteter elektrischer Komponenten weitergeleitet werden kann. Zum Beispiel kann die Lichtmaschine/der Generator elektrisch mit den elektrischen Fahrmotoren gekoppelt sein, und die Lichtmaschine/der Generator kann die elektrischen Fahrmotoren mit elektrischer Energie versorgen. Wie dargestellt, sind die elektrischen Fahrmotoren jeweils mit einem von mehreren Rädern verbunden, um die Zugkraft für den Antrieb der Lokomotive bereitzustellen. Eine beispielhafte Lokomotivkonfiguration umfasst einen Fahrmotor pro Rad. Wie hier dargestellt, entsprechen sechs Paare von Fahrmotoren jedem der sechs Radpaare der Lokomotive.
  • Die Lokomotive kann ferner einen Turbolader 126 aufweisen, der zwischen dem Ansaugkanal und dem Auslasskanal angeordnet ist. Der Turbolader erhöht die Ladung der in den Ansaugkanal angesaugten Umgebungsluft, um bei der Verbrennung eine höhere Ladungsdichte zu erreichen und so die Leistung und/oder den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Der Turbolader kann einen Verdichter (nicht dargestellt) umfassen, der zumindest teilweise von einer Turbine (nicht dargestellt) angetrieben wird. Während in diesem Fall ein einzelner Turbolader vorgesehen ist, kann das System auch mehrere Turbinen- und/oder Verdichterstufen aufweisen. Ferner kann in manchen Ausführungsformen ein Wastegate vorgesehen sein, das es den Abgasen ermöglicht, den Turbolader zu umgehen. Das Wastegate kann zum Beispiel geöffnet werden, um den Abgasstrom von der Turbine wegzuleiten. Auf diese Weise kann die Drehzahl des Verdichters und damit der vom Turbolader an den Motor bereitgestellte Ladedruck reguliert werden.
  • Die Lokomotive kann ferner ein Abgasrückführungssystem (AGR) 170 aufweisen, das Abgas aus dem Abgaskanal stromaufwärts des Turboladers zum Ansaugkanal stromabwärts des Turboladers leitet. Das AGR-System umfasst einen AGR-Kanal 172 und ein AGR-Ventil 174 zur Steuerung einer Abgasmenge, die aus dem Abgaskanal des Motors in den Ansaugkanal des Motors zurückgeführt wird. Durch das Einleiten von Abgas in den Motor wird die Menge des für die Verbrennung verfügbaren Sauerstoffs verringert, wodurch die Temperaturen der Verbrennungsflamme verringert und die Bildung von Stickoxiden (zum Beispiel NOx) verringert werden. Das AGR-Ventil kann ein Ein/Aus-Ventil sein, das vom Lokomotiv-Steuergerät gesteuert wird, oder es kann zum Beispiel eine variable Menge an AGR steuern.
  • Das AGR-System kann ferner einen AGR-Kühler 176 aufweisen, um die Temperatur des Abgases zu verringern, bevor es in den Ansaugkanal eintritt. Wie in dem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel von 2 dargestellt, ist das AGR-System ein Hochdruck-AGR-System. In anderen Ausführungsformen kann die Lokomotive zusätzlich oder alternativ ein Niederdruck-AGR-System aufweisen, welches das AGR von einer Stelle stromabwärts des Turboladers zu einer Stelle stromaufwärts des Turboladers in Bezug auf die Richtung des Abgasstroms leitet. Zudem kann das AGR-System ein Geberzylinder-AGR-System sein, bei dem ein oder mehrere Zylinder Abgas nur in den AGR-Kanal und dann in den Ansaugtrakt leiten. Zusätzlich oder alternativ kann das Geberzylinder-AGR-System die Abgase direkt zu einem oder mehreren benachbarten Zylindern leiten.
  • Die Lokomotive umfasst ein Abgasbehandlungssystem, das in den Abgaskanal gekoppelt ist, um regulierte Emissionen zu verringern. In einem Ausführungsbeispiel kann das Abgasbehandlungssystem einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 130 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 132 aufweisen. Der Katalysator kann Abgasbestandteile oxidieren und so die Emissionen von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Partikeln verringern. Der DPF ist so konfiguriert, dass er die während der Verbrennung entstehenden Partikel (zum Beispiel Ruß) abfängt. Der DPF kann aus Keramik, Siliziumkarbid oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann das Abgasbehandlungssystem zusätzlich einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), einen Dreiwegekatalysator, eine NOx-Falle oder verschiedene andere Emissionssteuerungsvorrichtungen oder Kombinationen davon aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann das Abgasbehandlungssystem stromaufwärts des Turboladers angeordnet sein, während in anderen Ausführungsformen das Abgasbehandlungssystem stromabwärts des Turboladers angeordnet sein kann.
  • Die Lokomotive kann ferner eine Drossel 142 aufweisen, die mit dem Motor gekoppelt ist, um die Leistungsstufen anzuzeigen. In dieser Ausführungsform ist die Drossel als Stufendrossel abgebildet. Es kann jedoch jede geeignete Drossel im Rahmen dieser Offenbarung verwendet werden. Jede Stufe der Drossel kann einer bestimmten bzw. diskreten Leistungsstufe entsprechen. Die Leistungsstufe gibt an, mit welcher Last oder Motorleistung die Lokomotive belastet wird, und steuert die Geschwindigkeit, mit der die Lokomotive fährt. Obwohl im Ausführungsbeispiel von 2 acht Stufen dargestellt sind, kann die Drossel in anderen Ausführungsformen mehr als acht Stufen oder weniger als acht Stufen sowie Stufen für den Leerlauf- und den dynamischen Bremsmodus aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann die Einstellung der Stufe von einem menschlichen Bediener der Lokomotive gewählt werden. In einem Beispiel entspricht ein Wert der Stufeneinstellung einer Motorlast, wobei ein höherer Wert einer höheren Motorlast entspricht. In anderen Ausführungsformen kann das Zugverband-Steuergerät einen Fahrplan bestimmen (zum Beispiel kann ein Fahrplan mit Hilfe einer Fahrplanoptimierungssoftware, wie dem von der Wabtec Corporation erhältlichen Trip Optimizer System, erstellt werden und/oder ein Lastverteilungsplan kann mit Hilfe einer Zugverband-Optimierungssoftware, wie dem von der Wabtec Corporation erhältlichen Zugverband Manager, erstellt werden), einschließlich Stufeneinstellungen basierend auf Motor- und/oder Lokomotivbetriebsbedingungen, wie im Folgenden näher erläutert wird.
  • Das Motorsteuergerät kann verschiedene Komponenten im Zusammenhang mit der Lokomotive steuern. Zum Beispiel können verschiedene Komponenten der Lokomotive über einen Kommunikationskanal oder Datenbus mit dem Motorsteuergerät verbunden sein. In einem Beispiel enthalten das Motorsteuergerät und das Zugsteuergerät jeweils ein Computersteuerungssystem. Das Motorsteuergerät und das Wagenkastensteuergerät können zusätzlich oder alternativ einen Speicher mit nicht transitorischen, computerlesbaren Speichermedien (nicht dargestellt) enthalten, die einen Code zur Überwachung und Steuerung des Lokomotivbetriebs an Bord enthalten. Das Motorsteuergerät kann zum Beispiel über einen digitalen Kommunikationskanal oder Datenbus mit dem Fahrzeugsteuergerät verbunden sein.
  • Sowohl das Motorsteuergerät als auch das Fahrzeugsteuergerät können Informationen von einer Vielzahl von Sensoren empfangen und Steuersignale an eine Vielzahl von Aktuatoren senden. Das Motorsteuergerät, das die Steuerung und das Management der Lokomotive überwacht, kann so konfiguriert sein, dass es Signale von einer Vielzahl von Motorsensoren 150 empfängt, wie hierin weiter ausgeführt wird, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu bestimmen und dementsprechend verschiedene Motorstellglieder 152 einzustellen, um den Betrieb der Lokomotive zu steuern. Zum Beispiel kann das Motorsteuergerät Signale von verschiedenen Motorsensoren empfangen, einschließlich, ohne hierauf beschränkt zu sein, Motordrehzahl, Motorlast, Ansaugkrümmerluftdruck, Ladedruck, Abgasdruck, Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur, Abgastemperatur, Motortemperatur, Abgassauerstoffgehalt, usw. Dementsprechend kann das Motorsteuergerät die Lokomotive steuern, indem es Befehle an verschiedene Komponenten sendet, zum Beispiel an die elektrischen Fahrmotoren, die Lichtmaschine/den Generator, die Zylinderventile, die Kraftstoffeinspritzdüsen, die Stufendrossel usw. Andere Aktuatoren können an verschiedenen Stellen in der Lokomotive angebracht sein.
  • Das Zugverband-Steuergerät kann einen Kommunikationsteil aufweisen, der betriebsfähig mit einem Steuersignalteil gekoppelt ist. Der Kommunikationsteil kann so konfiguriert sein, dass er Signale von Lokomotivsensoren empfängt, einschließlich Lokomotivpositionssensoren (zum Beispiel GPS-Gerät), Sensoren für Umgebungsbedingungen (zum Beispiel zum Erfassen von Höhe, Umgebungsfeuchtigkeit, Temperatur und/oder Luftdruck o. Ä.), Lokomotivkupplungskraftsensoren, Gleisneigungssensoren, Lokomotivstufensensoren, Bremspositionssensoren usw. Verschiedene andere Sensoren können an verschiedenen Stellen in der Lokomotive angebracht werden. Der Steuersignalteil kann Steuersignale erzeugen, um verschiedene Aktuatoren der Lokomotive anzusteuern. Zu den Lokomotivaktuatoren können zum Beispiel Druckluftbremsen, Bremsluftkompressoren, Fahrmotoren usw. gehören. Andere Aktuatoren können an verschiedenen Stellen in der Lokomotive angebracht sein. Das Zugverband-Steuergerät kann Eingaben von den verschiedenen Sensoren der Lokomotive empfangen, die Daten verarbeiten und die Stellglieder der Lokomotive als Reaktion auf die verarbeiteten Eingabedaten basierend auf Befehlen oder Codes auslösen, die darin programmiert sind und einer oder mehreren Routinen entsprechen. Darüber hinaus kann das Fahrzeugsteuergerät Motordaten (die von den verschiedenen Motorsensoren, zum Beispiel einem Motorkühlmitteltemperatursensor, ermittelt werden) vom Motorsteuergerät empfangen, die Motordaten verarbeiten, die Einstellungen der Motorstellglieder bestimmen und Anweisungen oder Codes zum Auslösen der Motorstellglieder basierend auf durch das Fahrzeugsteuergerät ausgeführten Routinen zurück an das Motorsteuergerät übertragen (zum Beispiel herunterladen).
  • Zum Beispiel kann das Zugverband-Steuergerät einen Fahrplan festlegen, um die Last basierend auf Betriebsbedingungen auf alle Lokomotiven im Zug zu verteilen. Unter bestimmten Bedingungen kann das Zugverband-Steuergerät die Last ungleich verteilen, d.h. einige Lokomotiven können mit einer höheren Leistungseinstellung oder einer höheren Stufendrosseleinstellung betrieben werden als andere Lokomotiven. Die Lastverteilung kann auf einer Vielzahl von Faktoren basieren, wie zum Beispiel Kraftstoffverbrauch, Kupplungskräfte, Tunnelbetrieb, Steigung usw. In einem Beispiel kann die Lastverteilung basierend auf einer Verteilung des Lokomotivverbands, zum Beispiel einer Positionierung jeder der Lokomotiven des Lokomotivverbands, über den Zug eingestellt werden. So kann zum Beispiel zumindest eine Lokomotive an einem Ende des Zuges und zumindest eine Lokomotive an der Spitze des Zuges positioniert werden. Die Lokomotive am Ende des Zuges kann so konfiguriert sein, dass sie den Zug schiebt, und die Lokomotive an der Spitze des Zuges kann so konfiguriert sein, dass sie den Zug zieht, insbesondere bei der Fahrt bergauf. Dadurch kann die schiebende Lokomotive am Zugende stärker belastet werden.
  • In 3 ist eine Ausführungsform des Kraftstofftankwagens aus 1 zu sehen. Wie oben beschrieben umfasst der Kraftstofftankwagen den Kraftstoffspeichertank, das Steuergerät und den Motor. Der Kraftstofftankwagen kann ferner eine erste Einheit 304 aufweisen, bei der es sich um eine Vorrichtung zur Steuerung von Temperatur und Druck im Kraftstoffspeicher handeln kann. Wird zum Beispiel LNG im Kraftstoffbehälter gelagert, kann die erste Einheit eine kryogene Einheit sein. Der Kraftstoffspeichertank kann verschiedene Größen und Konfigurationen haben, kann vom Kraftstofftankwagen abnehmbar sein und kann so konfiguriert sein, dass er über den Port bzw. die Öffnung 306 Kraftstoff von einer externen Tankstelle erhält.
  • Der Kraftstoffspeichertank kann Kraftstoff an eine Kraftstoffmodifikationseinheit 312 zuführen. Die Kraftstoffmodifikationseinheit kann so konfiguriert sein, dass sie eine Eigenschaft des Kraftstoffs anpasst. Zum Beispiel kann der Kraftstoff in der Kraftstoffmodifikationseinheit von einer flüssigen Phase in eine Gasphase umgewandelt werden, zum Beispiel wenn der Kraftstoff LNG ist. Ein weiteres Beispiel: Die Kraftstoffmodifikationseinheit kann eine Pumpe sein, um den Förderdruck des Kraftstoffs einzustellen, wenn der Kraftstoff in der Gasphase gelagert wird. In anderen Beispielen, in denen keine Kraftstoffmodifizierung erforderlich ist, kann die Kraftstoffmodifikationseinheit weggelassen werden. Der Kraftstoff kann von der Kraftstoffmodifikationseinheit an die Motoren der Lokomotiven (z.B. die Motoren 10 der 1 und 2) zugeführt werden.
  • Durch die Zufuhr von Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeichertank zu den Lokomotivmotoren und dem Motor des Kraftstofftankwagens kann der Kraftstoff von den über den Zug verteilten Motoren verbrannt werden. In einer anderen, nicht einschränkenden Ausführungsform kann der Motor des Kraftstofftankwagens ferner so konfiguriert sein, dass er Strom erzeugt, der an eine oder mehrere Komponenten an Bord des Kraftstofftankwagens und/oder an Bord der Lokomotiven geliefert werden kann. In einem Beispiel, wie in 3 dargestellt, kann der Tendermotor ein Drehmoment erzeugen, das über eine Antriebswelle 316 an eine Leistungsumwandlungseinheit 314 übertragen wird. Die Leistungsumwandlungseinheit ist so konfiguriert, dass sie das Drehmoment in elektrische Energie umwandelt, die über die Stromschiene 318 an eine Reihe nachgeschalteter elektrischer Komponenten im Tender geliefert wird. Zu diesen Komponenten gehören unter anderem die erste Einheit, die Kraftstoffmodifikationseinheit, das Steuergerät, ein Drucksensor 320, ein Temperatursensor 322, Batterien 324, verschiedene Ventile, Durchflussmesser, zusätzliche Temperatur- und Drucksensoren, Kompressoren, Gebläse, Kühler, Batterien, Leuchten, Bordüberwachungssysteme, Anzeigen, Klimasteuerungen und dergleichen, von denen einige der Kürze halber nicht in 3 dargestellt sind. Darüber hinaus kann elektrische Energie aus dem elektrischen Bus an eine oder mehrere Komponenten der Lokomotiven zugeführt werden.
  • In einem Beispiel umfasst die Leistungsumwandlungseinheit einen Wechselstromgenerator (nicht dargestellt), der mit einem oder mehreren Gleichrichtern (nicht dargestellt) in Reihe geschaltet ist, die die elektrische Wechselstromleistung des Generators vor der Übertragung entlang des Strombusses in elektrische Gleichstromleistung umwandeln. Basierend auf der Konfiguration einer nachgeschalteten elektrischen Komponente, die Strom vom Strombus empfängt, können ein oder mehrere Wechselrichter so konfiguriert werden, dass sie den Strom vom Strombus invertieren, bevor sie die nachgeschaltete Komponente mit Strom versorgen. In einem Beispiel kann ein einziger Wechselrichter eine Vielzahl von Komponenten mit Wechselstrom aus einem Gleichstrombus versorgen. In einer anderen, nicht einschränkenden Ausführungsform kann jeder einzelne Wechselrichter eine bestimmte Komponente mit Strom versorgen.
  • Das Steuergerät an Bord des Kraftstofftankwagens kann verschiedene Komponenten an Bord des Kraftstofftankwagens, wie die Kraftstoffmodifikationseinheit, den Motor des Kraftstofftankwagens, die Energieumwandlungseinheit, die erste Einheit, Steuerventile und/oder andere Komponenten an Bord des Kraftstofftankwagens steuern, indem es Befehle an diese Komponenten sendet. Das Steuergerät kann auch die Betriebsparameter des Kraftstofftankwagen im aktiven Betrieb, im Leerlauf und beim Abschalten überwachen. Solche Parameter können unter anderem den Druck und die Temperatur des Kraftstoffspeichers, den Druck und die Temperatur der Kraftstoffmodifikationseinheit, die Temperatur, den Druck und die Last des Kraftstofftankwagenmotors, den Verdichterdruck, die Temperatur und den Druck der Heizflüssigkeit, die Temperatur der Umgebungsluft und Ähnliches umfassen. In einem Beispiel können computerlesbare Speichermedien, die in der Steuerung des Kraftstofftankwagens konfiguriert sind, Code ausführen, um den Motor und die Kraftstoffmodifikationseinheit als Reaktion auf eine oder mehrere Steuersystemroutinen automatisch zu stoppen, zu starten, zu betreiben und/oder abzustimmen. Die computerlesbaren Speichermedien können auch Code ausführen, um Mitteilungen an die Motorsteuergeräte an Bord der Lokomotiven zu senden und von diesen zu empfangen.
  • Der in 3 dargestellte Kraftstofftankwagen ist ein nicht einschränkendes Beispiel dafür, wie der Kraftstofftankwagen konfiguriert sein kann. In anderen Beispielen kann der Kraftstofftankwagen zusätzliche oder alternative Komponenten aufweisen. So kann der Kraftstofftankwagen zum Beispiel einen oder mehrere zusätzliche Sensoren, Durchflussmesser, Steuerventile, verschiedene andere Vorrichtungen und Mechanismen zur Steuerung der Kraftstoffabgabe und der Lagerbedingungen usw. enthalten.
  • Eine ausführliche Ansicht des Motors, der Einspritzdüsen des Kraftstoffsystems und des Nachbehandlungssystems ist in 4 dargestellt. Ein Steuergerät des Fahrzeugsystems kann eine Vielzahl verschiedener Steuerstrategien verwenden, um die Auslassventilzeitsteuerung, den Diesel-Einspritzzeitpunkt und den Ort der Ammoniakeinspritzung basierend auf Substitutionsverhältnissen, Motortemperaturen und Abgastemperaturen einzustellen, wie in den Verfahren von 5 und 6 gezeigt. Ein Beispiel für eine Betriebssequenz ist in 7 eingezeichnet.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems 406, bei dem es sich um ein nicht einschränkendes Beispiel eines Schienenfahrzeugs aus 1 handeln kann. Das Fahrzeugsystem kann ein Hybridsystem sein, das die Antriebsleistung aus dem Motorsystem 408 und/oder einer bordeigenen Energiespeichereinrichtung beziehen kann. Eine Energieumwandlungsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Generator, kann betrieben werden, um Energie aus der Fahrzeugbewegung und/oder dem Motorbetrieb zu absorbieren und dann die absorbierte Energie in eine Energieform umzuwandeln, die für die Speicherung durch die Energiespeichereinrichtung geeignet ist.
  • Ein geeignetes Motorsystem kann einen Motor 410 mit einer Vielzahl von Zylindern 430 umfassen. Jeder Zylinder kann ein Einlassventil 432 und ein Auslassventil 434 aufweisen. Jeder Zylinder kann eine Kraftstoffeinspritzung von einer oder mehreren Einspritzdüsen erhalten. Zum Beispiel kann jeder Zylinder eine Direktkraftstoffeinspritzdüse 482 aufweisen, die mit einem ersten Kraftstoffbehälter 480. Bei dem Motor kann es sich um einen Vielstoffmotor handeln, der so konfiguriert ist, dass er mehrere Arten von Kraftstoffen separat oder in Kombination verbrennt. In einem Beispiel kann die Einspritzung der verschiedenen Kraftstoffe an verschiedenen Stellen des Motorsystems erfolgen. Zum Beispiel kann der Motor optional eine Einlassöffnungseinspritzdüsen 492 und eine Auslassöffnungseinspritzdüse 494 aufweisen, die mit einem zweiten Kraftstoffbehälter 490 verbunden sind. Der erste Kraftstoffbehälter kann einen ersten Kraftstoff und der zweite Kraftstoffbehälter einen zweiten Kraftstoff aufnehmen. Der erste Kraftstoff kann einen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff enthalten und der zweite Kraftstoff kann einen kohlenstofffreien Kraftstoff liefern. In einem Beispiel kann der kohlenstoffhaltige Kraftstoff einen der folgenden Stoffe enthalten: Benzin, Diesel, Biodiesel, Erdgas, HDRD und Alkohol. Der kohlenstofffreie Kraftstoff kann eines oder mehrere der Elemente Ammoniak und Wasserstoff enthalten. In manchen Beispielen kann der Motor ein Selbstzündungsmotor sein. In anderen Beispielen kann der Motor ein Fremdzündungsmotor sein. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Kraftstoff einen Kraftstoff mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt als der erste Kraftstoff enthalten.
  • Die Einlassöffnungseinspritzdüse kann ferner so konfiguriert sein, dass er Kraftstoff aus einem dritten Kraftstoffbehälter 460 erhält. Der dritte Kraftstoffbehälter kann einen dritten Kraftstofftyp, wie zum Beispiel Wasserstoff, enthalten. In einem Beispiel kann eine Kraftstoffschiene 461 Kraftstoff sowohl aus dem dritten Kraftstoffbehälter als auch aus dem zweiten Kraftstoffbehälter erhalten und den Kraftstoff an die Einlassöffnungseinspritzdüse weiterleiten. In manchen Beispielen kann die Kraftstoffschiene die Kraftstoffe getrennt über ein Ventil oder ein anderes darin angeordnetes Element leiten. Zusätzlich oder alternativ kann die Kraftstoffschiene den zweiten und dritten Kraftstoff in einem Mischventil, einer Mischkammer oder einer Kraftstoffleitung mischen.
  • In manchen Beispielen können die Einspritzdüsen zusätzlich oder alternativ eine Vielzahl von zweiten Kraftstoffeinspritzdüsen und eine Vielzahl von dritten Kraftstoffeinspritzdüsen aufweisen. Die Vielzahl der zweiten Kraftstoffeinspritzdüsen kann Kraftstoff nur aus dem zweiten Kraftstoffbehälter erhalten und die Vielzahl der dritten Kraftstoffeinspritzdüsen kann Kraftstoff nur aus dem dritten Kraftstoffbehälter erhalten. Auf diese Weise können die Einspritzzeitpunkte des zweiten und dritten Kraftstoffs individuell eingestellt werden, was die Verwendung des zweiten und dritten Kraftstoffs in einem größeren Bereich von Bedingungen fördern kann.
  • In manchen Beispielen können zusätzlich oder alternativ die Einlassöffnungseinspritzdüse, die Direkteinspritzdüse und/oder die Auslassöffnungseinspritzdüse jeweils so konfiguriert sein, dass sie Benzin, Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Alkohol, Ammoniak, Biodiesel, Wasserstoff, Erdgas, Kerosin oder Synthesegas einspritzen.
  • Die Einlassöffnungseinspritzdüse kann so angeordnet sein, dass sie Ammoniak oder Wasserstoff oder einen anderen Kraftstoff in eine Einlassöffnung des Motors einspritzt. Die Auslassöffnungseinspritzdüse kann so positioniert sein, dass sie Ammoniak, Alkohole, Wasser oder andere Kraftstoffe in eine Auslassöffnung des Motors einspritzt. Zusätzlich oder alternativ kann die Auslassöffnungseinspritzdüse so konfiguriert sein, dass sie andere, schwer entflammbare Kraftstoffe einspritzt. In einem Beispiel kann die Ammoniakeinspritzung aus der Auslassöffnungseinspritzdüse mit dem Abgasventil in Berührung kommen und sich darauf ansammeln, was einen Kühleffekt zur Folge haben kann. In manchen Beispielen kann die Auslassventilzeitsteuerung und/oder der Einspritzzeitpunkt eingestellt werden, um das Ausmaß des Kontakts zwischen dem Auslassventil und der Ammoniakeinspritzung anzupassen. In einem Beispiel kann, wenn Vielstoffverbrennung gewünscht ist, die Menge des über die Auslassöffnungseinspritzdüse eingespritzten Ammoniaks proportional zu einer gewünschten Abgasventilkühlung sein. So kann zum Beispiel die eingespritzte Ammoniakmenge in Abhängigkeit von der gewünschten Abgasventilkühlung erhöht werden. In manchen Beispielen kann zusätzlich oder alternativ das Substitutionsverhältnis in Abhängigkeit von der gewünschten Auslassventilkühlung zunehmen.
  • In einem Beispiel kann Wasser aus dem Abgas als Ergebnis der Verbrennung von Diesel- und Wasserstoffkraftstoffen aufgefangen und in einem Behälter gespeichert werden. Wasser kann dem Verbrennungsgemisch zugeführt werden, indem die Verdünnung des Gemischs verbessert wird, um die Wahrscheinlichkeit von Klopfen zu verringern. Zusätzlich oder alternativ kann Wasser in Richtung des Auslassventils eingespritzt werden, ähnlich wie Ammoniak wie oben beschrieben, um eine Kühlwirkung zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ kann Kondensat von verschiedenen Stellen des Motorsystems, zum Beispiel dem AGR-Kühler, zum Motor geleitet werden. Die Menge an Kondensat, die zum Motor geleitet wird, kann durch Anpassung der Führung des AGR-Stroms eingestellt werden. So kann zum Beispiel die Zuführung von AGR aus einem speziellen AGR-Zylinder (zum Beispiel einem Geberzylinder) oder durch Anpassung der Auslassventilzeitsteuerung den Kondensatstrom zum Motor verringern und gleichzeitig den AGR-Bedarf decken.
  • Als weiteres Beispiel kann die Menge des eingespritzten Ammoniaks auf der gewünschten Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit eines Kraftstoffgemisches basieren. Wenn zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak und Diesel in einem aktuellen Substitutionsverhältnis enthalten sind, kann das Verhältnis von Wasserstoff und Ammoniak so eingestellt werden, dass Klopfen und Vorverbrennung verringert und gleichzeitig die gewünschte Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit erreicht werden. Darüber hinaus kann die Zündfähigkeit des Kraftstoffverbrennungsgemischs so eingestellt werden, dass Klopfen und Vorverbrennung vermindert werden, während gleichzeitig die gewünschte Verbrennungsphase in Bezug auf den Motorzyklus eingehalten wird.
  • Der Motor umfasst einen Motoreinlass 423 und einen Motorauslass 425. Der Motoreinlass umfasst einen Einlasskanal 442, der mit einem Motoransaugkrümmer 444 fluidisch gekoppelt ist. Das Motorauslass umfasst einen Abgaskrümmer 448, der zu einem Abgaskanal 435 führt, der das Abgas in die Atmosphäre leitet. Optional können ein oder mehrere Zylinder miteinander verbunden sein, so dass Abgase von einem Zylinder zu einem anderen Zylinder strömen können. In einem Beispiel können die Kanäle 436 zwei oder mehr Zylinder miteinander verbinden, so dass die Abgase eines ersten Zylinders zu einem zweiten Zylinder geleitet werden können, ohne in den Abgaskrümmer oder den Abgaskanal zu gelangen. In einem Beispiel ist der erste Zylinder ein Geberzylinder, der so konfiguriert ist, dass er intern AGR liefert.
  • Verschiedene Oberflächen des Motors, der Zylinder, des Ansaugkrümmers und des Abgaskrümmers können mit einer Beschichtung aus Zink versehen sein. Die Oberflächen können aufgrund von Abgasbestandteilen, die sich in dem darin enthaltenen Wasser auflösen, verzinkt sein. So kann sich zum Beispiel CO2 zusammen mit NOx-Bestandteilen in Wasser auflösen. Die CO2- und NOx-Bestandteile können zu sauren Verbindungen protonieren, die zusammen mit dem CO2 den pH-Wert des Abgases senken und damit den Säuregrad des Abgases erhöhen können. Bei bestimmten AGR-Durchflussraten kann das Abgas korrosiv sein. Der Wassergehalt des Abgases kann bei Betriebsbedingungen, bei denen Wasserstoff verbrannt wird, erhöht sein. Durch die Galvanisierung des Motors kann die Korrosivität des Abgases toleriert werden. Verfahren zur Verringerung des Säuregehalts des Abgases sind unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
  • Motorauslass kann eine oder mehrere Emissionssteuerungsvorrichtungen 470 enthalten, die in einer eng gekoppelten Position oder in einer entfernten Unterbodenposition angebracht sind. Die eine oder mehreren Emissionssteuerungsvorrichtungen können einen Dreiwegekatalysator, eine NOx-Magerfalle, einen Dieselpartikelfilter, einen Oxidationskatalysator, eine SCR-Vorrichtung usw. umfassen. In einem Beispiel kann eine Katalysatoreinspritzdüse 498 stromaufwärts von der einen oder den mehreren Emissionssteuerungsvorrichtungen angeordnet sein. In einem Beispiel umfassen die eine oder mehreren Emissionssteuerungsvorrichtungen zumindest die SCR-Vorrichtung (oder eine Vielzahl von SCR-Vorrichtungen), wobei die Katalysatoreinspritzdüse eine Menge an Reduktionsmittel darin nachfüllen kann. Die Katalysatoreinspritzdüse kann mit dem zweiten Kraftstoffbehälter verbunden sein, wenn der zweite Kraftstoff Ammoniak ist. Wenn es sich bei dem zweiten Kraftstoffsystem um ein Ammoniak-Kraftstoffsystem handelt, kann ein Harnstoffsystem zur Reduzierung der SCR-Vorrichtung entfallen und das vor Katalysatoreinspritzdüse eingespritzte Ammoniak kann die SCR-Vorrichtung reduzieren. Dies kann den Verpackungsaufwand und die Herstellungskosten verringern.
  • Ein AGR-Kanal 472 kann von dem Abgaskanal an einer Verzweigung (zum Beispiel einer Kreuzung) stromaufwärts von einer Turbine 452 abzweigen. Der AGR-Kanal kann einen optionalen AGR-Kühler 474 und einen Kühler-Bypass 476 enthalten. Ein AGR-Ventil 478 kann die Menge des AGR-Stroms zum Ansaugkanal stromabwärts des Kompressors 454 steuern. Die Turbine kann mechanisch über eine Welle 456 mit dem Verdichter gekoppelt sein, ähnlich wie der Turbolader in 2. Im Beispiel von 4 ist der AGR-Kanal also ein Hochdruck-AGR-Kanal, der so konfiguriert ist, dass er Abgase von stromaufwärts der Turbine zu einem Teil des Ansaugkanals stromabwärts des Verdichters leitet. Der AGR-Kanal kann ferner eine AGR-Kanaleinspritzdüse 496 umfassen, die mit dem zweiten Kraftstoffbehälter verbunden ist. In einem Beispiel kann die AGR-Kanal-Einspritzdüse stromaufwärts eines AGR-Kühlereinlasses und stromabwärts des Kühler-Bypasses in Bezug auf eine Abgasströmungsrichtung angeordnet sein. In einem anderen Beispiel kann die Einspritzdüse für den AGR-Kanal zusätzlich oder alternativ innerhalb eines Schwellenabstands, ab dem der AGR-Kanal vom Abgaskanal abzweigt, stromaufwärts des Kühler-Bypasses angeordnet sein. Der Schwellenabstand kann einem positiven Wert ungleich Null entsprechen und kann auf einem Temperaturabfall oder einem thermischen Abbau des Abgases durch den AGR-Kanal beruhen. Zum Beispiel kann die Einspritzdüse für den AGR-Durchlass in der Nähe oder in der Nähe der Verbindung zwischen dem Abgasdurchlass und dem AGR-Durchlass positioniert werden, wo der Temperaturabfall des Abgases am geringsten oder niedriger als der Schwellenwert ist. Die AGR-Kanal-Einspritzdüse kann so angeordnet sein, dass sie in eine Richtung einspritzt, die spitzwinklig oder parallel zum Abgasstrom in dem AGR-Kanal verläuft. Die Einspritzdüse des AGR-Kanals kann einen gewissen Grad an AGR-Kühlung bereitstellen, so dass der Verbrauch eines AGR-Kühlers verringert werden kann, wodurch die Größe des AGR-Kühlers verringert oder seine Lebensdauer erhöht wird. In manchen Beispielen kann der Bypass des AGR-Kühlers entfallen.
  • In manchen Beispielen kann der AGR-Kanal ohne den AGR-Kühler konfiguriert sein. In solchen Beispielen kann die AGR-Kühlung nur über die Einspritzdüse des Abgasrückführungskanals erfolgen. Wenn zum Beispiel eine AGR-Kühlung gewünscht wird, kann die AGR-Kanal-Einspritzdüse aktiviert werden, wobei eine damit eingespritzte Ammoniakmenge auf einer gewünschten AGR-Kühlung basieren kann. Zusätzlich oder alternativ kann die eingespritzte Ammoniakmenge auf einem derzeit zulässigen Substitutionsverhältnis und/oder einer Reduktionsmittelbelastung der SCR-Vorrichtung beruhen. Wenn zum Beispiel die für die AGR-Kühlung erforderliche Ammoniakmenge größer ist als die aufgrund des derzeit zulässigen Substitutionsverhältnisses zulässige Menge, kann die AGR-Durchflussrate so verringert werden, dass die aufgrund des derzeit zulässigen Substitutionsverhältnisses zulässige Ammoniakmenge zur Kühlung des AGR ausreicht.
  • In manchen Beispielen können zusätzlich oder alternativ das AGR und das Ammoniak durch Einspritzen des Ammoniaks in den AGR-Kanal vorgemischt werden. Die eingespritzte Menge kann in Abhängigkeit von der gewünschten AGR-Kühlung festgelegt werden. Wenn die eingespritzte Menge größer ist als das aktuelle Substitutionsverhältnis, können das vorgemischte AGR und das Ammoniak in eine Speichereinrichtung fließen, um bei künftigen Fahrbedingungen verbraucht zu werden.
  • In manchen Beispielen kann zusätzlich oder alternativ Ammoniak als Kühlmittel innerhalb des AGR-Kühlers verwendet werden. Zum Beispiel kann Ammoniak aus dem zweiten Kraftstoffbehälter zu den Rohren des AGR-Kühlers fließen, die in thermischer Verbindung mit dem durch den AGR-Kühler fließenden AGR stehen. Das erwärmte Ammoniak kann in den zweiten Kraftstoffbehälter zurückgeführt oder zu einer Kraftstoffleitung geleitet werden, die mit der Einlassöffnungseinspritzdüse und/oder der Auslassöffnungseinspritzdüse und/oder der AGR-Kanal-Einspritzdüse verbunden ist. Das erwärmte Ammoniak kann bei der Einspritzung im Vergleich zu kühlerem Ammoniak effizienter verdampfen.
  • In manchen Beispielen können zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere NOx-Sensoren um die SCR-Vorrichtung herum beabstandet sein. Zum Beispiel kann ein erster NOx-Sensor stromaufwärts der SCR-Vorrichtung und stromabwärts des AGR-Kanals in Bezug auf die Richtung des Abgasstroms angeordnet sein. Ein zweiter NOx-Sensor kann stromabwärts von der SCR-Vorrichtung angeordnet sein. Die NOx-Sensoren können eine Menge von NOx und Ammoniak im Abgas erfassen, wobei der zweite NOx-Sensor einen NOx/Ammoniak-Schlupf durch die SCR-Vorrichtung erfassen kann. In manchen Beispielen können das Substitutionsverhältnis, eine Ammoniakeinspritzmenge über die Auslassöffnungseinspritzdüse und die AGR-Kanal-Einspritzdüse sowie eine Ammoniakeinspritzmenge über die Katalysatoreinspritzdüse auf dem NOx/Ammoniak-Schlupf durch die SCR-Vorrichtung basieren. Wenn zum Beispiel der Schlupf zunimmt, kann das Substitutionsverhältnis abnehmen. Wenn der Schlupf abnimmt oder nicht mehr vorhanden ist, kann das Substitutionsverhältnis steigen.
  • Das Fahrzeugsystem kann ferner ein Steuersystem 414 aufweisen. Das Steuersystem empfängt Informationen von einer Vielzahl von Sensoren 416 (verschiedene Beispiele davon sind hier beschrieben) und sendet Steuersignale an eine Vielzahl von Aktoren 481 (verschiedene Beispiele davon sind hier beschrieben). Zu den Sensoren können zum Beispiel ein Abgassensor 426, der sich stromaufwärts der Emissionssteuerungsvorrichtung befindet, ein Temperatursensor 428 und ein Drucksensor 429 gehören. Andere Sensoren wie zusätzliche Druck-, Temperatur-, AFR- und Zusammensetzungssensoren können an verschiedenen Stellen im Fahrzeugsystem angebracht sein. Als ein weiteres Beispiel können die Aktoren die Luftansaugdrossel aufweisen.
  • Ein Steuergerät 412 kann als herkömmlicher Mikrocomputer konfiguriert sein, der eine Mikroprozessoreinheit, Ein-/Ausgabeanschlüsse, einen Festwertspeicher, einen Direktzugriffsspeicher, einen Keep-Alive-Speicher, einen CAN-Bus (Controller Area Network) usw. aufweist. In einem Beispiel kann das Steuergerät als Antriebsstrang-Steuermodul (PCM) konfiguriert sein. Das Steuergerät kann zwischen einem Schlaf- und einem Aufwachmodus umgeschaltet werden, um die Energieeffizienz zu erhöhen. Das Steuergerät kann Eingabedaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingabedaten verarbeiten und die verschiedenen Aktuatoren als Reaktion auf die verarbeiteten Eingabedaten basierend auf von darin programmierten Anweisungen oder Codes, die einer oder mehreren Routinen entsprechen, auslösen.
  • Daher kann ein Motorsystem einen Vielstoffmotor aufweisen, der für die Verbrennung eines oder mehrerer Kraftstoffe konfiguriert ist. Ein erstes Kraftstoffsystem kann einen ersten Kraftstoff über Direkteinspritzdüsen zu den Zylindern des Motors leiten. Ein zweites Kraftstoffsystem kann einen zweiten Kraftstoff über eine Vielzahl von Einspritzdüsen bereitstellen, umfassend Einlassöffnungseinspritzdüse, Auslassöffnungseinspritzdüsen, eine Direkteinspritzdüse und die AGR-Kanal-Einspritzdüse. Ein Steuergerät mit darauf gespeicherten Befehlen kann die Einstellung der Mengen des zweiten Kraftstoffs befehlen, der von einer oder mehreren Einspritzdüsen des zweiten Kraftstoffsystems basierend auf einer oder mehrerer Betriebsbedingungen eingespritzt wird, die in Bezug auf die nachstehenden Verfahren beschrieben werden. In manchen Betriebsmodi können einer oder mehrere der Einspritzdüsen des zweiten Kraftstoffsystems verwendet werden, wobei das Steuergerät die Mengen des zweiten Kraftstoffs, die über die Auslassöffnungseinspritzdüse, die AGR-Kanal-Einspritzdüse und die Ansaugkanal-Einspritzdüse eingespritzt werden, ausgleichen kann. In einem Beispiel können die Einspritzungen durch die Auslassöffnungseinspritzdüse und die AGR-Kanal-Einspritzdüse gegenüber der Ansaugkanal-Einspritzdüse priorisiert werden. Die Priorisierung der Auslassöffnungseinspritzdüse und der AGR-Kanal-Einspritzdüse kann umfassen, dass eine höchste gewünschte Menge an zweitem Kraftstoff über die AGR-Kanal-Einspritzdüse und/oder die Auslassöffnungseinspritzdüse eingespritzt wird, bevor der zweite Kraftstoff über die Einlassöffnungseinspritzdüse eingespritzt wird.
  • Das Steuergerät kann ferner so konfiguriert sein, dass es bei bestimmten Motorlasten einen dritten Kraftstoff einbezieht. Zum Beispiel kann das Substitutionsverhältnis bei einer Stufeneinstellung größer oder gleich 4 Wasserstoff, Ammoniak und Diesel umfassen. Bei einer Stufeneinstellung von weniger als 4 kann das Substitutionsverhältnis nur Wasserstoff und Diesel enthalten. Die Zündfähigkeit des Motors kann basierend auf dem Substitutionsverhältnis eingestellt werden, wie in den 5-7 näher beschrieben.
  • Das Motorsystem kann ferner mehrere Verfahren zur Bereitstellung von AGR umfassen. Hierin wird AGR als ein Abgas definiert, das aus einem Zylinder ausgestoßen und zur Verbrennung in den Motor zurückgeführt wird. AGR kann über einen speziellen Geberzylinder, eine eingestellte Auslassventilzeitsteuerung und/oder den AGR-Kanal erfolgen. Der Geberzylinder kann Abgase aus seinem Innenraum ausstoßen und die Abgase zu einem anderen Zylinder leiten, der fluidisch mit ihm verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Geberzylinder Abgase direkt in den AGR-Kanal ausstoßen. Die eingestellte Auslassventilzeitsteuerung kann eine Überschneidung einer Auslassventilöffnung mit einer Einlassventilöffnung beinhalten, was dazu führt, dass ein Zylinderinnendruck die ausgestoßenen Abgase zurück in den Zylinder zieht. Auf diese Weise kann die AGR-Rate über den/die Geberzylinder, die eingestellte Auslassventilzeitsteuerung und/oder die Ventilposition im AGR-Kanal eingestellt werden.
  • Das Motorsystem kann ferner die Einstellung einer Position umfassen, an der dem Motor alternative Kraftstoffe zugeführt werden. Wenn zum Beispiel eine Kühlung des Auslassventils gewünscht ist, kann ein alternativer Kraftstoff über die Auslassöffnungseinspritzdüsen in Richtung Auslassventil eingespritzt werden. Der alternative Kraftstoff kann basierend auf einer Wärmekapazität, Verdampfungswärme oder Zündfähigkeit ausgewählt werden. So kann zum Beispiel Ammoniak oder ein Alkohol ausgewählt werden, um gleichzeitig das Auslassventil zu kühlen und den weniger zündfähigen Kraftstoff zu verdampfen.
  • In einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine Auslassventilzeitsteuerung der Zylinder eingestellt werden. In einem Beispiel kann die Auslassventilzeitsteuerung für einen bestimmten Zylinder so eingestellt werden, dass die Schließzeit eines Auslassventils während eines Auslasstakts vorverlegt wird. Abgase im Zylinder können aufgrund der vorverlegten Ventilsteuerzeit zurückgehalten werden. Auf diese Weise können die Abgasrückstände erhöht werden.
  • In manchen Beispielen kann zusätzlich oder alternativ die Auslassventilzeitsteuerung so verzögert werden, dass das Auslassventil während eines Ansaugtakts zusammen mit einem Einlassventil des Zylinders geöffnet werden kann. Durch die Verzögerung des Schließzeitpunkts des Auslassventils können die Abgase wieder in den Zylinder einströmen. Je später das Auslassventil geschlossen wird, desto mehr Abgase werden in den Zylinder zurückgeführt, wodurch sich die AGR-Rate erhöht. Die erneute Einspeisung von AGR kann unter Bedingungen erwünscht sein, bei denen eine höhere Gemischtemperatur im Zylinder erwünscht ist, zum Beispiel wenn ein Kraftstoff schwer zu verdampfen oder zu verbrennen ist (zum Beispiel Ammoniak oder Ethanol). Die Wiederaufnahme des AGR kann auch gefordert werden, um Einführung eines Kraftstoffs durch das Auslassventil zu unterstützen.
  • In manchen Beispielen kann die Vielstoffverbrennung die Einspritzung von Ammoniak in die Auslassöffnung umfassen. Die in die Auslassöffnung eingespritzte Ammoniakmenge kann auf einer oder mehreren der gewünschten Auslassventilkühlung und einem Substitutionsverhältnis basieren. Wenn in einem Beispiel die zur Kühlung des Auslassventils benötigte Ammoniakmenge geringer ist als die zur Erfüllung des Substitutionsverhältnisses benötigte Ammoniakmenge, kann Ammoniak auch über die Einlassöffnungseinspritzdüse in den Einlasskanal eingespritzt werden. Ein Gleichgewicht zwischen der in den Einlasskanal und den Auslasskanal eingespritzten Ammoniakmenge kann auf einer oder mehreren Motortemperaturen, einer Abgastemperatur, einer Auslassventilzeitsteuerung, einer Auslassventiltemperatur und einem Abgas-pH-Wert beruhen. Eine in die Auslassöffnung eingespritzte Ammoniakmenge kann zunehmen, wenn die Auslasstemperatur steigt, die Auslassventilzeitsteuerung verzögert wird, die Auslassventiltemperatur steigt und der pH-Wert des Abgases sinkt. Während die in die Auslassöffnung eingespritzte Ammoniakmenge zunimmt, kann die in die Einlassöffnung eingespritzte Ammoniakmenge abnehmen. In einem anderen Beispiel kann die in die Auslassöffnung eingespritzte Ammoniakmenge von der Zündfähigkeit des Zylinderinhalts abhängen. Unter Bedingungen, unter denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch (zum Beispiel Ammoniak-Luft-Gemisch) leicht entzündet werden kann, kann weniger Kraftstoff in den Auslasskanal eingespritzt werden. Unter Bedingungen, unter denen sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht leicht entzünden lässt, kann mehr Kraftstoff durch die Auslassöffnung eingespritzt werden.
  • Manche Beispiele des Systems können ferner die Einspritzung von Ammoniak in die Abgasöffnung umfassen. Die Menge des eingespritzten Ammoniaks kann auf der gewünschten Auslassventilkühlung und/oder dem SCR-Reduktionsmittelbedarf und/oder dem Substitutionsverhältnis basieren. Wenn die für die Auslassventilkühlung/Kraftstofferwärmung und den SCR-Reduktionsmittelbedarf gewünschte Ammoniakmenge geringer ist als das Substitutionsverhältnis, kann die Einlassöffnungseinspritzdüse aktiviert werden, um eine verbleibende Ammoniakmenge wie oben beschrieben einzuspritzen. Wenn die für die Auslassventilkühlung/Kraftstofferwärmung gewünschte Ammoniakmenge und der SCR-Reduktionsmittelbedarf größer sind als das Substitutionsverhältnis, kann die Auslassöffnungseinspritzung des Ammoniaks gleich dem Substitutionsverhältnis in Kombination mit dem SCR-Reduktionsmittelbedarf sein.
  • Bei einer Grundeinstellung der Auslassventilzeitsteuerung kann die Einspritzung auf das Auslassventil den angesammelten Kraftstoff vom Zylinder weg und in den Abgaskrümmer/die Nachbehandlungsvorrichtung befördern. Der Kraftstoff ist somit nicht im Verbrennungsgemisch enthalten. Um den zum Auslassventil eingespritzten Kraftstoff in das Verbrennungsgemisch einzubeziehen, kann der Kraftstoff nach Beendigung des Abgastakts eingespritzt werden. Das Auslassventil kann während des Ansaugtakts offen gehalten werden, so dass der Kraftstoff durch die Auslassöffnung in den Zylinder gelangen kann. In manchen Beispielen kann eine Verzögerung zwischen der Einspritzung von Kraftstoff für die Nachbehandlungsvorrichtung und der Einspritzung von Kraftstoff für das Verbrennungsgemisch bestehen, so dass die gewünschte Kraftstoffmenge noch zur Nachbehandlungsvorrichtung strömt.
  • In 5 ist in einem übergeordneten Ablaufdiagramm ein Verfahren 500 zum Bestimmen dargestellt, ob eine Vielstoffverbrennung erwünscht ist. Das Verfahren kann von einem Steuergerät eines Fahrzeugs, wie zum Beispiel dem Steuergerät aus 1 bis 4 basierend auf in einem Speicher des Steuergeräts gespeicherten Anweisungen ausgeführt werden.
  • Das Verfahren kann mit Schritt 502 beginnen, wobei das Verfahren das Schätzen und/oder Messen von Fahrzeugbetriebsparametern und/oder - bedingungen umfassen kann. Fahrzeugbetriebsparameter und/oder -bedingungen können basierend auf einer oder mehreren Ausgaben von verschiedenen Sensoren des Fahrzeugs (zum Beispiel eines oder mehrerer Abgastemperatursensoren, eines Motordrehzahlsensors, eines Raddrehzahlsensors und/oder eines Turbowellendrehzahlsensors, eines Drehmomentsensors, eines Ladedrucksensors usw., wie oben unter Bezugnahme auf das Fahrzeugsystem von 1-4 beschrieben) geschätzt werden. Fahrzeugbetriebsbedingungen können Motordrehzahl und Motorlast, Fahrzeuggeschwindigkeit, Getriebeöltemperatur, Abgasdurchflussrate, Luftmassendurchflussrate, Kühlmitteltemperatur, Kühlmitteldurchflussrate, Motoröldrücke (zum Beispiel Ölstollendrücke), Betriebsarten eines oder mehrerer Einlassventile und/oder eines oder mehrerer Auslassventile, Elektromotordrehzahl, Batterieladung, Motordrehmoment, Fahrzeugraddrehmoment usw. umfassen.
  • In Schritt 504 kann das Verfahren die Feststellung beinhalten, ob eine Vielstoffverbrennung gewünscht ist. Die Vielstoffverbrennung kann basierend auf einer Vielzahl von Bedingungen erwünscht sein, einschließlich, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein, ein Emissionsziel, Kraftstoff kosten, Wirkungsgrad des Verbrennungsgemischs und Kraftstoffverfügbarkeit. Das Emissionsziel kann auf einem individuellen Emissionsziel eines Fahrzeugs basieren, das auf einer staatlichen Norm beruht. Zusätzlich oder alternativ kann das Emissionsziel auf einer lokalen Regierungsnorm für einen geografisch abgegrenzten Ort basieren. So kann zum Beispiel für eine Stadt ein anderes Emissionsziel gelten als für einen ländlichen Standort. Ein Verbrennungsgemisch kann für eine Vielzahl von Fahrzeugen, die in der Stadt betrieben werden, derart eingestellt werden, dass die Gesamtemissionen der Vielzahl von Fahrzeugen den lokalen Emissionszielen entsprechen können. Auf diese Weise können Emissionsziele einzelner Fahrzeuge an bestimmten Betriebspunkten überschritten werden, um die Emissionen der Vielzahl von Fahrzeugen auszugleichen und die lokalen Emissionsziele zu erreichen.
  • In manchen Beispielen kann die Vielstoffverbrennung basierend auf Kraftstoffkosten erwünscht sein. Die Kraftstoffkosten können durch Rückmeldungen von einem Fahrzeug, Tankstellen, Fahrzeugbetreibern usw. ermittelt werden. Die durchschnittlichen Kraftstoffkosten können für jede Kraftstoffart in der Gruppe ermittelt werden. Enthält der Verband zum Beispiel Diesel, Wasserstoff, Ammoniak und Ethanol, können die Kosten für jede Kraftstoffart ermittelt und ein Verbrennungsgemisch basierend auf zumindest den Kosten der Kraftstoffarten eingestellt werden. In einem Beispiel kann der Wunsch bestehen, die Kosten des Verbrennungsgemisches zu minimieren.
  • In weiteren Beispielen kann zusätzlich oder alternativ der Wirkungsgrad des Motors ein Verbrennungsgemisch vorgeben. In einem Beispiel kann der Motor so eingestellt werden, dass der Wirkungsgrad des Motors maximiert wird. In einem anderen Beispiel kann das Verbrennungsgemisch so eingestellt werden, dass eine maximale Motorleistung erzielt wird. Ein Fahrzeugführer kann wählen, ob er die Motorleistung oder den Motorwirkungsgrad priorisiert.
  • In weiteren Beispielen kann zusätzlich oder alternativ das Verbrennungsgemisch als Reaktion auf die Kraftstoffverfügbarkeit eingestellt werden. An bestimmten Orten kann einer oder mehrere der in dem Verband enthaltenen Kraftstoffe eine geringe Verfügbarkeit aufweisen. Der Verbrauch eines Kraftstoffs mit geringer Verfügbarkeit kann in manchen Beispielen verringert werden. Der Verbrauch eines Kraftstoffs mit höherer Verfügbarkeit kann erhöht werden. Die Kraftstoffverfügbarkeit kann basierend auf Rückmeldungen von mehreren Fahrzeugen und Tankstellen ermittelt werden. Die Verfügbarkeit kann basierend auf einer Reichweite von einem aktuellen Standort des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Reichweite kann gleich den verbleibenden Kilometern basierend auf dem aktuellen Kraftstoffstand sein.
  • Vielstoffverbrennung kann Verbrennung von zumindest einem primären Kraftstoff und einem sekundären Kraftstoff umfassen. In einem Beispiel kann der primäre Kraftstoff ein kohlenstoffhaltiger Kraftstoff sein und der sekundäre Kraftstoff kann ein kohlenstofffreier Kraftstoff sein, der weniger Kohlenstoff pro Molekül enthält als der kohlenstoffhaltige Kraftstoff. Vielstoffverbrennung kann die CO2- und/oder NOx-Emissionen des Fahrzeugs verringern, indem die Menge des sekundären Kraftstoffs erhöht und die Menge des primären Kraftstoffs verringert wird. In einem Beispiel kann die Vielstoffverbrennung Diesel als primären Kraftstoff und Wasserstoff als sekundären Kraftstoff enthalten. Zu den Bedingungen, die sich auf das Substitutionsverhältnis auswirken können, gehören der Motorluftstrom, die Motorlast, die Ansaugkrümmertemperatur, der Umgebungsdruck und die Umgebungstemperatur sowie der Abgaskrümmerdruck. Das Substitutionsverhältnis kann als prozentualer Anteil des sekundären Kraftstoffs an der gesamten Kraftstoffenergie definiert werden. Beträgt das gewünschte Substitutionsverhältnis zum Beispiel 60 %, so kann der sekundäre Kraftstoff 60 % der Kraftstoffenergie liefern und Diesel 40 % der Kraftstoffenergie. In einem Beispiel nimmt eine Menge an kohlenstofffreiem Kraftstoff mit zunehmendem Substitutionsverhältnis zu.
  • Zusätzlich oder alternativ kann in manchen Beispielen das gewünschte Substitutionsverhältnis als Reaktion auf Kohlenstoffemissionen (zum Beispiel CO2, Kohlenwasserstoffe und andere kohlenstoffhaltige Verbrennungsnebenprodukte) und/oder NOx-Emissionen eingestellt werden. Wenn zum Beispiel die Kohlenstoffemissionen zunehmen, kann es wünschenswert sein, das Substitutionsverhältnis zu erhöhen. Alternativ dazu kann es wünschenswert sein, das Substitutionsverhältnis zu verringern, wenn die Verbrennungseffizienz abnimmt. Zusätzlich oder alternativ kann ein Fahrzeugsteuergerät je nach Verfügbarkeit des Kraftstoffs auswählen, ob eine Vielstoffverbrennung gewünscht ist. So kann es zum Beispiel sein, dass an bestimmten Orten keine Tankstellen mit alternativen Kraftstoffen wie HDRD, Ammoniak, Wasserstoff usw. vorhanden sind. Das Fahrzeugsteuergerät kann die Verbrennung eines einzigen Kraftstoffs anfordern, zum Beispiel wenn andere Kraftstoffquellen an den örtlichen Tankstellen nicht verfügbar sind. Das Fahrzeugsteuergerät kann sich je nach gewählter Konfiguration an Bord oder außerhalb des Fahrzeugs befinden. In einer Ausführungsform ist das Fahrzeugsteuergerät ein Bediener, der sich während des Betriebs an Bord des Fahrzeugs befindet. Als weiteres Beispiel kann Vielstoffverbrennung basierend auf Kraftstoffkosten erwünscht sein. Die durchschnittlichen Kraftstoffkosten können über einen Prozessor eines zentralen Servers ermittelt werden, der Rückmeldungen von Steuergeräten einer Vielzahl von Steuergeräten verschiedener Fahrzeugsysteme erhält. Die durchschnittlichen Kraftstoffkosten können für jeden Kraftstofftyp innerhalb verschiedener geografisch abgegrenzter Bereiche bestimmt werden, wobei geografisch abgegrenzte Bereiche Straßen, Städte, Schulen, Postleitzahlen, Staaten, Radien von einer aktuellen Fahrzeugposition und Landmarken umfassen können.
  • Falls keine Vielstoffverbrennung gewünscht ist, kann das Verfahren in Schritt 506 die Einspritzung nur des kohlenstoffhaltigen Kraftstoffs umfassen. Ein Substitutionsverhältnis kann auf Null gesetzt werden. Das Steuergerät kann der Direkteinspritzdüse des Motors signalisieren, den kohlenstoffhaltigen Kraftstoff einzuspritzen. Das Steuergerät kann ferner signalisieren, dass die für die Einspritzung von sekundären Kraftstoffen konfigurierten Einspritzdüsen deaktiviert werden.
  • Wenn Vielstoffverbrennung gewünscht ist, kann das Verfahren in Schritt 508 die Einspritzung zumindest eines kohlenstoffhaltigen Kraftstoffs und eines oder mehrerer kohlenstofffreier Kraftstoffe umfassen. Ein Substitutionsverhältnis kann in einem Beispiel basierend auf einer Motorlast ausgewählt werden, wobei die Motorlast proportional zu einer Stufeneinstellung sein kann, wie zum Beispiel einer Einstellung der Drossel 142 von 2. In einem Beispiel kann der kohlenstoffhaltige Kraftstoff nur über die Direkteinspritzdüse eingespritzt werden. Der eine oder die mehreren kohlenstofffreien Kraftstoffe können über die Einlassöffnungseinspritzdüse und/oder die Auslassöffnungseinspritzdüse und/oder die AGR-Kanal-Einspritzdüse eingespritzt und dem Motor zugeführt werden. Ein Gemisch der Kraftstoffe kann basierend auf einer Motorlast ausgewählt werden. Das Gemisch kann einen anderen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff enthalten. In einem Beispiel kann das Gemisch einen oder mehrere kohlenstoffhaltige Kraftstoffe enthalten, die aus erneuerbaren Quellen stammen, wie Ethanol, HDRD und Biodiesel. In einem Beispiel kann das Gemisch so optimiert werden, dass der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Kraftstoffe gesenkt und gleichzeitig verschiedene Verbrennungsbedingungen eingehalten werden. Anteile der kohlenstofffreien Kraftstoffe können im Verhältnis zueinander eingestellt werden, wobei ein Substitutionsverhältnis ferner eingehalten wird.
  • Zum Beispiel können basierend auf einer Stufeneinstellung des Motors, die proportional zur Motorlast oder Fahrzeuggeschwindigkeit sein kann, unterschiedliche Substitutionsverhältnisse erwünscht sein. Bei niedrigeren Motorlasten kann der eine oder die mehreren kohlenstofffreien Kraftstoffe nur Wasserstoff oder hauptsächlich Wasserstoff mit relativ geringen Mengen Ammoniak enthalten. Substitutionsverhältnisse bei niedrigeren Motorlasten mit Wasserstoff können größer als 50 %, größer als 65 % oder größer als 80 % sein. Auf diese Weise kann der Verbrauch des kohlenstoffhaltigen Kraftstoffs verringert werden. Bei höheren Motorlasten können der eine oder mehr kohlenstofffreie Kraftstoff Wasserstoff und Ammoniak umfassen. Ammoniak kann bei höheren Motorlasten aufgrund der Reaktivität (zum Beispiel Zündfähigkeit) von Wasserstoff erwünscht sein. Ammoniak kann unter bestimmten Verbrennungsbedingungen weniger brennbar sein als Wasserstoff, was bei höheren Motorlasten ein größeres Substitutionsverhältnis im Vergleich zur Verwendung von Wasserstoff allein ermöglichen kann, wodurch der Verbrauch des kohlenstoffhaltigen Kraftstoffs sinkt. In einem Beispiel kann die Menge des verbrauchten Ammoniaks bei höheren Motorlasten die Menge des verbrauchten Wasserstoffs übersteigen. So kann in einem Beispiel bei abnehmender Motorlast die Wasserstoffmenge zunehmen und die Ammoniakmenge abnehmen, während das Gesamtsubstitutionsverhältnis relativ stabil sein kann. Bei steigender Motorlast kann die Wasserstoffmenge abnehmen und die Ammoniakmenge zunehmen.
  • Bei allen Motorlasten kann Ethanol in dem Verbrennungsgemisch enthalten sein. Andere erneuerbare Kraftstoffe (zum Beispiel kohlenstoffneutrale Kraftstoffe) wie HDRD und Biodiesel können in Kombination mit Wasserstoff und Ammoniak verwendet werden. Der Zündzeitpunkt des Gemischs kann, wie nachstehend beschrieben, basierend auf allen im Verbrennungsgemisch enthaltenen Kraftstoffen bestimmt und eingestellt werden. Die hier beschriebenen erneuerbaren, kohlenstoffarmen oder kohlenstoffneutralen Kraftstoffe beziehen sich auf Kraftstoffe, die ohne Nettoerzeugung von kohlenstoffbasierten Emissionen oder mit einer geringeren Nettoerzeugung von Treibhausgasen (THG)/Kohlenstoffemissionen erzeugt werden können. So kann zum Beispiel Wasserstoff durch Elektrolyse mit Hilfe von Sonnenenergie kohlenstofffrei im Produktions-/Nutzungszyklus hergestellt werden, oder Biodiesel kann aus Pflanzenölen gewonnen werden. Die Pflanzen absorbieren CO2 aus der Atmosphäre, was die CO2-Emissionen während der Verbrennung ausgleichen kann oder dazu führt, dass der Netto-CO2-Verbrauch geringer ist als bei fossilen Kraftstoffen oder anderen Kraftstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis. Wie hier beschrieben kann der Vielstoffmotor jedoch unabhängig von der Kraftstoffquelle mit einer Vielzahl von Kraftstoffen betrieben werden. Je nach Verfügbarkeit des Kraftstoffs kann zum Beispiel Wasserstoff, der in einem kohlenstoffintensiveren Verfahren hergestellt wird (zum Beispiel grauer Wasserstoff), oder aus Methan gewonnenes Ammoniak verwendet werden.
  • Die Menge des nicht erneuerbaren kohlenstoffhaltigen Kraftstoffs kann bei allen Motorlasten auf einen möglichst niedrigen Wert eingestellt werden, um die Emissionen zu verringern. Der niedrigst mögliche Wert kann auf einem oder mehreren der folgenden Faktoren beruhen: NOx-Emissionen, CO2-Emissionen, Kraftstoffpreise, Kraftstoffverfügbarkeit und Fahrtzeit des Fahrzeugs zu einem gewünschten Ziel. Als ein Beispiel kann der niedrigst mögliche Wert steigen, wenn die Verfügbarkeit von Wasserstoff und/oder Ammoniak relativ gering ist. Ein anderes Beispiel ist, dass der niedrigst mögliche Wert sinken kann, wenn die CO2- oder NOx-Emissionen relativ hoch sind. Der niedrigst mögliche Wert kann also ein dynamischer Wert sein, der auf den oben beschriebenen Bedingungen und verschiedenen Zielwerten für die Verbrennungsbedingungen basiert.
  • In Schritt 510 umfasst das Verfahren die Bestimmung der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemischs. Die Zündfähigkeit bezieht sich auf die Neigung eines Elements zur Verbrennung. Eine höhere Zündfähigkeit kann mit einer größeren Neigung zur Verbrennung einhergehen. Die Brenngeschwindigkeit ist definiert als die Zeit, die eine Flammenfront eines Elements oder eines Gemischs benötigt, um von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort zu gelangen. In einem Beispiel, in dem Ammoniak und Wasserstoff als kohlenstofffreie Kraftstoffe in einem Verbrennungsgemisch enthalten sind, ist der Wasserstoff zündfähiger und kann eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit aufweisen als Ammoniak. Basierend auf den aktuellen Motortemperaturen und Zylinderdrücken können die Mengen an Ammoniak und Wasserstoff eingestellt werden, um die gewünschten Werte für die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit eines Gemischs mit dem kohlenstoffhaltigen Kraftstoff zu erreichen.
  • In manchen Beispielen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ auch die Bestimmung eines Zündzeitpunkts für das Verbrennungsgemisch umfassen. Zu den Bedingungen, die den Zündzeitpunkt beeinflussen können, kann ein Voreinspritzungszeitpunkt und/oder ein Zündzeitpunkt gehören. Andere Bedingungen, die den Zündzeitpunkt weiter beeinflussen können, können das Verbrennungsgemisch, die Verbrennungsgeschwindigkeit und die Zündfähigkeit des Verbrennungsgemischs, die Einlassventilsteuerung, die Kraftstoffeinspritzsteuerung, die Kraftstofftemperatur, der Kraftstoffdruck, die Motordrehzahl, die Motorlast, die Lufttemperatur, die Motortemperatur und der Ladedruck und/oder der Ladeluftdruck sein. Der Zündzeitpunkt kann mit einem gewünschten Zündzeitpunkt verglichen werden, wobei, wenn der Zündzeitpunkt von dem gewünschten Zündzeitpunkt abweicht, der Zündzeitpunkt durch Einstellen einer oder mehrerer der oben genannten Bedingungen vor dem Einstellen des Substitutionsverhältnisses eingestellt werden kann.
  • In Schritt 512 umfasst das Verfahren den Vergleich der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemischs mit gewünschten Werten. Die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit können basierend auf einem oder mehreren der folgenden Parameter berechnet werden: Zylinderinnendruck, Ansaugkrümmertemperatur, Ansaugkrümmerdruck und Luftdurchflussrate. Der Zylinderinnendruck kann basierend auf einer oder mehrerer Abgastemperaturen, eines Abgasdrucks, eines Ansaugkrümmerdrucks, einer Ansaugkrümmertemperatur, eines Verdichterdruckverhältnisses/eines Auslassdrucks und einer Motortemperatur geschätzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Zylinderinnendrucksensor positioniert und so konfiguriert sein, dass er den Zylinderinnendruck erfasst. Die Ansaugkrümmertemperatur kann über einen Temperatursensor erfasst oder basierend auf einer oder mehreren aktuellen Motorbetriebsbedingungen wie etwa Motordrehzahl, Motortemperatur und Substitutionsverhältnis geschätzt werden. Der Ansaugkrümmerdruck kann über einen Drucksensor, zum Beispiel einen Krümmerdrucksensor, erfasst oder basierend auf der Ansaugkrümmertemperatur und/oder eines oder mehrerer aktueller Motorbetriebszustände geschätzt werden. Der Luftdurchflussrate kann über einen Luftmassenmesser erfasst und/oder basierend auf der Ansaugkrümmertemperatur und der -druck geschätzt werden. Ein Klopfsensor kann so positioniert sein, dass er Motorvibrationen erfasst und eine Rückmeldung an das Steuergerät übermittelt, die anzeigt, ob Klopfen aufgetreten ist. Als weiteres Beispiel kann die Leistungsabgabe mit einer erwarteten Leistungsabgabe verglichen werden, die proportional zur Kraftstoffzufuhr sein kann. Schwankungen des Drucks oder der Leistung zwischen Motorzyklen (zum Beispiel Zyklus-zu-Zyklus-Variabilität) können zur Beurteilung der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit herangezogen werden. Andere Daten, die zur Messung der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit herangezogen werden können, umfassen zum Beispiel Emissionsdaten, eine Abgastemperatur, eine Turbodrehzahl und/oder ein Modell, das zwei oder mehr der oben beschriebenen Parameter kombiniert. Wenn einer oder mehrere der gemessenen, berechneten oder geschätzten Werte von einem gewünschten Wert abweichen, können die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemischs von den gewünschten Werten abweichen. Wird zum Beispiel während eines Verdichtungstakts oder zu einem anderen Zeitpunkt vor dem oberen Totpunkt des Verbrennungstakts ein Spitzenwert für den Zylinderinnendruck erreicht, kann die Zündfähigkeit und/oder die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemischs zu hoch sein. In diesem Fall kann die Wasserstoffmenge verringert und die Ammoniakmenge erhöht werden. Zusätzlich oder alternativ kann vor der Einstellung eine Größe der Einstellung auf einer Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Spitzeninnendruck erreicht wird (zum Beispiel ein tatsächlicher Zeitpunkt), und dem Zeitpunkt, an dem der Spitzeninnendruck erwünscht ist (zum Beispiel nahe dem OT des Verbrennungstakts), basieren. Wenn sich zum Beispiel die Zeitdifferenz vergrößert, kann der Umfang der Anpassung zunehmen, was zu einer weiteren Verringerung des Wasserstoffs und einer Zunahme des Ammoniaks im Vergleich zu einer geringeren Zeitdifferenz führt.
  • Wenn die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit zu hoch sind, kann die Wahrscheinlichkeit von Klopfen und Vorverbrennung erhöht sein. Um Klopfen und Vorverbrennung zu verringern, kann es wünschenswert sein, die Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit eines Verbrennungsgemischs zu senken. So kann zum Beispiel bei höheren Lasten, bei denen die Motortemperaturen höher sind, die Wasserstoffmenge verringert und die Ammoniakmenge erhöht werden, um Klopfen und Vorverbrennung zu verringern. In einem Beispiel kann bei höheren Lasten nur Ammoniak und Diesel verwendet werden, da die Wahrscheinlichkeit von Klopfen erhöht ist. Bei niedrigeren Lasten kann die Wasserstoffmenge erhöht und die Ammoniakmenge verringert werden, um die Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen. In einem Beispiel können bei niedrigeren Lasten nur Wasserstoff und Diesel verwendet werden, da die Zündfähigkeit des Verbrennungsgemischs geringer ist. Klopfen und Vorverbrennung können bei niedrigeren Lasten aufgrund niedrigerer Motortemperaturen und/oder geringerer Luftdurchsätze weniger wahrscheinlich sein.
  • Als ein weiteres Beispiel kann, falls der Spitzenwert des Zylinderinnendrucks nicht oder erst nahe nach dem oberen Totpunkt des Verbrennungstakts erreicht wird, oder falls die Emissionen unverbrannten Kraftstoffs zu hoch sind oder falls die Zyklusvariabilität des Verbrennungsereignisses zu groß, kann die Zündfähigkeit und/oder die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemischs zu niedrig sein. Eine Ammoniakmenge kann verringert und eine Wasserstoffmenge erhöht werden. In einem Beispiel kann die Menge, bei der Ammoniak eingestellt wird, proportional zu einer Differenz zwischen dem Spitzenwert des Zylinderinnendrucks und einem maximal zulässigen Spitzenwert des Zylinderdrucks sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Ausmaß der Ammoniakreduzierung auf der Zeitdifferenz zwischen einem gewünschten Spitzenwert einer Zylinderinnenzeitsteuerung und einer tatsächlichen Zeitsteuerung basieren, wie oben beschrieben.
  • Wenn die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit gleich den gewünschten Werten sind, umfasst das Verfahren in Schritt 514 die Beibehaltung eines aktuellen Verhältnisses kohlenstofffreier Kraftstoffe. Zusätzlich oder alternativ kann der Zündzeitpunkt nicht eingestellt werden.
  • Wenn die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit nicht den gewünschten Werten entsprechen, kann das Verfahren in Schritt 516 die Einstellung der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit umfassen. Wie oben beschrieben, können die Mengen an Ammoniak und Wasserstoff basierend auf der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemischs eingestellt werden, die basierend auf Zylinderinnendrücken, Klopfsensor-Rückmeldungen, Ansaugkrümmertemperaturen, unverbrannten Kraftstoffemissionen, Zyklus-zu-Zyklus-Variabilität und anderen oben beschriebenen Parametern geschätzt werden. Falls die Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit zu niedrig, kann die Wasserstoffmenge erhöht und die Ammoniakmenge verringert werden. Falls die Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit zu hoch sind, kann die Wasserstoffmenge verringert und die Ammoniakmenge erhöht werden.
  • Zur weiteren Einstellung des Zündzeitpunkts kann der Einspritzzeitpunkt der Kraftstoffe eingestellt werden. Zum Beispiel kann ein Diesel-Einspritzzeitpunkt verzögert werden, falls der Zündzeitpunkt früher als ein gewünschter Zündzeitpunkt ist. Der Diesel-Einspritzzeitpunkt kann ferner eingestellt werden, je nachdem, ob Wasserstoff über eine Öffnung eingespritzt oder direkt eingespritzt wird.
  • Zusätzlich oder alternativ kann eine AGR-Rate erhöht werden, wenn die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsgeschwindigkeit höher als gewünscht ist. AGR kann über den AGR-Kanal, einen Geberzylinder und/oder über die eingestellte Auslassventilzeitsteuerung erfolgen, was eine größere Feinabstimmung der Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit ermöglichen kann. Zusätzlich oder alternativ kann Ammoniak mit dem AGR gemischt werden, um die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit weiter zu verringern.
  • Falls der Zündzeitpunkt gegenüber dem gewünschten Zündzeitpunkt basierend auf einem Dieseleinspritzzeitpunkt oder einem Zündzeitpunkt verzögert ist. Ein Einspritzzeitpunkt von Diesel oder anderen kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen kann vorverlegt werden, um eine Zündfähigkeit des Ammoniaks zu erhöhen. Die Dieseleinspritzung kann zum Beispiel eine Haupteinspritzung und eine Voreinspritzung umfassen, wobei eine Zeitpunkt bzw. eine zeitliche Steuerung der Voreinspritzung ähnlich wie bei einer Ammoniakeinspritzung sein kann, um die Zündfähigkeit des Ammoniaks zu erhöhen. Die Haupteinspritzung kann während eines Verdichtungstakts erfolgen. In einem Beispiel kann die Kraftstoffmasse der Vor- und Haupteinspritzung eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Masse der Voreinspritzung erhöht und die Masse der Haupteinspritzung verringert werden, um den Zündzeitpunkt weiter vorzuverlegen.
  • In manchen Beispielen kann das Ammoniak zusätzlich oder alternativ als ein Kühlmittel in dem AGR-Kühler verwendet werden. Dabei kann das Ammoniak über die Abgase erhitzt und dann dem Motor zugeführt werden. Das heißere Ammoniak ist unter Umständen brennbarer als kühleres Ammoniak. Zusätzlich oder alternativ kann das Ammoniak wie oben beschrieben in Richtung des Auslassventils eingespritzt werden, was einen vorverlegten Einspritzzeitpunkt des Ammoniaks und eine stärkere Vermischung mit heißen Abgasen zur Folge haben kann, wodurch Klopfen durch Verringerung der Zündfähigkeit und Brennbarkeit des Verbrennungsgemischs gemildert wird.
  • Die Gesamtmenge von kohlenstoffhaltigem Kraftstoff kann konstant gehalten werden, bis andere Bedingungen, die die Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit beeinflussen, eingestellt werden. Auf diese Weise kann das Substitutionsverhältnis beibehalten werden, die Menge von kohlenstofffreien Kraftstoff im Verhältnis zur Menge von kohlenstoffhaltigem Kraftstoff bleibt feststehend, es sei denn, die gewünschte Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit kann durch Einstellungen der Mengen an Wasserstoff und Ammoniak zusammen mit den verschiedenen oben beschriebenen zeitlichen Anpassungen nicht erreicht werden.
  • In Schritt 518 bestimmt das Verfahren, ob die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit der eingestellten Gemischzusammensetzung gewünschten Werten entsprechen. Falls die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit der eingestellten Gemischzusammensetzung den gewünschten Werten entsprechen, fährt das Verfahren mit Schritt 514 fort, wie oben beschrieben. Falls die Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit der eingestellten Gemischzusammensetzung von den gewünschten Werten abweichen, umfasst das Verfahren in Schritt 520 die Einstellung des Substitutionsverhältnisses, um eine gewünschte Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit zu erreichen. In einem Beispiel kann das Substitutionsverhältnis verringert werden. Die Verringerung des Substitutionsverhältnisses kann eine Verringerung der Mengen eines oder mehrerer kohlenstofffreier Kraftstoffe und eine Erhöhung der Mengen eines oder mehrerer kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe beinhalten. So kann das Substitutionsverhältnis, das basierend auf einer oder mehrerer Motorbedingungen einschließlich einer Motorlast ausgewählt wurde, aufgrund dessen eingestellt werden, weil eine Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder Zündfähigkeit des Substitutionsverhältnisses aufgrund einer oder mehrerer Fahrzeugbedingungen von gewünschten Werten abweicht.
  • So kann in einem Beispiel ein Verfahren für ein Vielstoffmotorsystem die Einstellung einer Zündfähigkeit basierend auf einem Verbrennungsgemisch umfassen, das zwei oder mehr der folgenden Kraftstoffe enthält: Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Biodiesel, Synthesegas, Alkohol, Benzin, Kerosin, Äther, Erdgas, Ammoniak und Wasserstoff. Die Phasenlage des Verbrennungsereignisses in Bezug auf die Position des Kolbens kann durch Einstellen der Menge der verschiedenen Kraftstoffe, der Ventilsteuerzeiten, der Einspritzzeitpunkte und anderer Bedingungen eingestellt werden, um erhöhte Substitutionsverhältnisse bei einer Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen zu fördern. Die Zündfähigkeit kann basierend auf der Krümmerluftdurchflussrate verfolgt werden, der proportional zu einem Krümmerdruck und-temperatur, Motortemperatur, Motordrehzahl, Krümmerfeuchtigkeit und Sauerstoffgehalt im Abgas sein kann.
  • 6 zeigt ein Verfahren 600 zur pH-Balancierung von Abgasen, wenn AGR erwünscht ist. In einem Beispiel können sich Abgasbestandteile in dem darin enthaltenen Wasser auflösen. So können sich zum Beispiel CO2 und andere CO2-Verbindungen zusammen mit NOx-Bestandteilen in Wasser lösen. Die CO2- und NOx-Bestandteile können zu sauren Verbindungen protonieren, die zusammen mit dem CO2 einen pH-Wert des Abgases senken können. Bei bestimmten AGR-Durchflussraten kann das Abgas korrosiv sein. Wie oben beschrieben, kann durch die Galvanisierung des Motors die Korrosivität des Abgases toleriert werden. Dennoch kann es erwünscht sein, den Säuregehalt des Abgases zu verringern. Das Verfahren kann die Einspritzung von Ammoniak umfassen, um einen Säuregehalt des Abgases zu neutralisieren. Auf diese Weise kann Ammoniak in einen AGR-Strom eingespritzt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Klopfen und Korrosivität des AGR zu verringern.
  • In Schritt 602 umfasst das Verfahren die Schätzung eines Abgas-pH-Wertes. Der Abgas-pH-Wert kann über ein pH-Messgerät erfasst oder basierend auf einer Abgaszusammensetzung geschätzt werden. Die Abgaszusammensetzung kann auf einem aktuellen Substitutionsverhältnis, dem Einspritzzeitpunkt und dem Zylinderinnendruck basieren. Zum Beispiel kann der pH-Wert des Abgases als niedriger (saurer) eingeschätzt werden, wenn die Menge des verbrannten Wasserstoffs erhöht wird. Als weiteres Beispiel kann der pH-Wert des Abgases kann als höher (weniger sauer) eingeschätzt werden, wenn eine Menge des verbrannten Ammoniaks erhöht wird. Der Abgas-pH-Wert kann ferner auf einer geschätzten Kondensatlast des AGR-Kühlers beruhen, wobei eine höhere Kondensatlast einem saureren oder korrosiveren Abgas entsprechen kann.
  • In Schritt 604 umfasst das Verfahren die Bestimmung, ob eine Abgasrückführung (AGR) gewünscht ist. AGR kann erwünscht sein, falls Motortemperaturen größer als eine Schwellentemperatur sind und/oder wenn die NOx-Emissionen größer als eine gewünschte Menge an NOx-Emissionen sind. AGR kann ferner gewünscht werden, wenn der Zündzeitpunkt, Klopfen oder die Verbrennungsfähigkeit von einem gewünschten Wert abweicht. Ist AGR nicht erwünscht, kann das Verfahren in Schritt 606 beinhalten, dass der pH-Wert des Abgases oder Kondensats nicht ausgeglichen wird. So kann Ammoniak nicht in einen Abgasstrom eingespritzt werden, um den pH-Wert des Abgases auszugleichen. Ammoniak kann jedoch aus anderen Gründen in den Abgasstrom eingespritzt werden, zum Beispiel zur Kühlung des Abgases und/oder zur Erwärmung des Ammoniaks, um dessen Zündfähigkeit zu fördern.
  • Falls AGR erwünscht ist, umfasst das Verfahren in Schritt 608 die Bestimmung, ob Ammoniak erwünscht ist. Ammoniak kann zum Beispiel bei höheren Motorlasten erwünscht sein. Zusätzlich oder alternativ kann Ammoniak aufgrund einer Wahrscheinlichkeit von Klopfen und/oder Vorverbrennung erwünscht sein, die relativ hoch sein kann, wenn die verwendete Wasserstoffmenge relativ hoch ist. Ist Ammoniak nicht erwünscht, fährt das Verfahren wie oben beschrieben mit Schritt 606 fort.
  • Wenn Ammoniak erwünscht ist, kann das Verfahren in Schritt 610 pH-Ausgleich von Abgas umfassen. In einem Beispiel kann der pH-Ausgleich die Einspritzung von Ammoniak in einen Abgasstrom in Schritt 612 umfassen, wobei der Abgasstrom dem Motor als AGR zugeführt wird. Als solches kann das Ammoniak über die AGR-Kanal-Einspritzdüse und/oder die Auslassöffnungseinspritzdüse eingespritzt werden. Einspritzung an der Auslassöffnungseinspritzdüse kann zeitlich mit einer Auslassventilzeitsteuerung abgestimmt werden, so dass das Abgas als AGR wiederverwendet wird. Zusätzlich oder alternativ kann der pH-Ausgleich in Verbindung mit einer Reduktionsmittelanforderung einer Nachbehandlungsvorrichtung erfolgen, wie oben beschrieben. Die zum pH-Ausgleich des Abgases verwendete Ammoniakmenge kann proportional zum pH-Wert des Abgases in Kombination mit dessen Wasserkonzentration sein. Wenn der pH-Wert sinkt und/oder die Wasserkonzentration steigt, erhöht sich die Ammoniakmenge. Zusätzlich oder alternativ kann die Ammoniakmenge in Abhängigkeit von der NOx-, CO- und CO2-Menge im Abgas ansteigen.
  • In Schritt 614 umfasst das Verfahren die Bestimmung, ob das Abgas einen ausgeglichenen pH-Wert aufweist. Wenn das Abgas nicht pH-ausgeglichen ist, umfasst das Verfahren in Schritt 616 die Bestimmung, ob ein Ammoniak-Substitutionsverhältnis erfüllt ist. Das Ammoniak-Substitutionsverhältnis entspricht einer in dem Substitutionsverhältnis enthaltenen Ammoniakmenge, wobei das Substitutionsverhältnis andere kohlenstoffhaltige und kohlenstofffreie Kraftstoffe umfassen kann.
  • Wenn das Ammoniak-Substitutionsverhältnis nicht erreicht wird, umfasst das Verfahren in Schritt 618 die weitere Einspritzung von Ammoniak in den AGR-Strom. Wenn das Ammoniak-Substitutionsverhältnis erfüllt ist, umfasst das Verfahren in Schritt 620 die Einstellung des Substitutionsverhältnisses, des Verhältnisses der kohlenstofffreien Kraftstoffe und/oder eines Zündzeitpunkts. In einem Beispiel kann die AGR-Durchflussrate aufgrund eines aktuellen Säuregrads der AGR geringer sein als eine gewünschte AGR-Durchflussrate. Weniger AGR kann dazu führen, dass die Wahrscheinlichkeit von Klopfen und Vorverbrennung höher als gewünscht ist. Um Klopfen zu verringern, kann die Wasserstoffmenge verringert werden. Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Bedingungen, welche die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit beeinflussen, eingestellt werden, wodurch Klopfen und Vorverbrennung verringert werden können.
  • Andere Anpassungen zur Verringerung der Klopfwahrscheinlichkeit können die Einspritzung von Wasser in den Ansaugkrümmer oder direkt in die Zylinder des Motors umfassen. In einem Beispiel kann Wasser aus dem Abgas als Ergebnis der Verbrennung von Diesel- und Wasserstoffkraftstoffen aufgefangen und in einem Behälter gespeichert werden. Ein Steuergerät kann einem Aktuator einer Wassereinspritzdüse signalisieren, Wasser aus dem Vorratsbehälter zu entnehmen und in den Ansaugkrümmer oder direkt in den Zylinder einzuspritzen. Zusätzlich oder alternativ kann Kondensat von verschiedenen Stellen des Motorsystems, zum Beispiel dem AGR-Kühler, in den Motor geleitet werden.
  • In manchen Beispielen können Einstellungen die Einspritzung von Ethanol in den Ansaugkrümmer oder direkt in die Zylinder des Motors umfassen. Die Einspritzung von Ethanol kann die Verringerung von Wasserstoff, Diesel, Ammoniak oder Luft beinhalten.
  • Unter nochmaliger Bezugnahme auf Schritt 614, umfasst, wenn der pH-Wert des Abgases ausgeglichen ist, das Verfahren in Schritt 622 die Bestimmung, ob das Ammoniak-Substitutionsverhältnis erfüllt ist. Wenn das Ammoniak-Substitutionsverhältnis erfüllt ist, umfasst das Verfahren in Schritt 624 die Beibehaltung der Ammoniak-Einspritzmenge. Falls das Substitutionsverhältnis nicht erfüllt ist, kann das Verfahren in Schritt 626 die Einspritzung von Ammoniak über eine Einlassöffnung und eine Einspritzdüse umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann Ammoniak ferner über die AGR-Einspritzdüse und/oder die Auslassöffnungseinspritzdüse in einen Abgasstrom eingespritzt werden.
  • 7 zeigt eine Zeitleiste 700, die grafisch eine Motorbetriebssequenz veranschaulicht, welche die Einstellung eines Zündzeitpunkts in Abhängigkeit von einem Verhältnis kohlenstofffreier Kraftstoffe veranschaulicht. Diagramm 710 veranschaulicht eine relative Menge an Wasserstoff, Diagramm 720 veranschaulicht eine relative Menge an Ammoniak, und Diagramm 730 veranschaulicht eine Zündfähigkeit des Verbrennungsgemischs ohne Anpassungen. Die Mengen an Wasserstoff und Ammoniak sind relativ zueinander. Die gestrichelte Linie 732 veranschaulicht eine gewünschte Zündfähigkeit. Wie oben beschrieben kann die Einstellung der Zündfähigkeit die Einstellung der Wasserstoff- und Ammoniakmenge relativ zueinander basierend auf einem ausgewählten Substitutionsverhältnis umfassen. Die Zeit nimmt entlang der Abszisse zu.
  • Vor t1 ist eine Wasserstoffmenge im Verhältnis zur maximal erwarteten Wasserstoffmenge für diese Motorleistung hoch, und die Ammoniakmenge ist im Verhältnis zur maximal erwarteten Ammoniakmenge für diese Motorleistung niedrig. Somit kann dem Motor mehr Wasserstoff als Ammoniak bereitgestellt werden. Eine nicht eingestellte Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgemischs kann aufgrund der hohen Wasserstoffmenge im Vergleich zu den gewünschten Werten relativ hoch sein. Die gewünschten Werte können durch die Zufuhr von Ammoniak und/oder AGR zum Verbrennungsgemisch erreicht werden. Ein Einspritzzeitpunkt von Diesel und/oder kohlenstoffhaltigem Kraftstoff kann verzögert werden, um einen gewünschten Einspritzzeitpunkt zu erreichen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Einlassventilsteuerung verzögert, Ladedruck verringert, Ansaugluftstrom reduziert und/oder die dem Motor zugeführte Wassermenge erhöht werden. Auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit von Klopfen und Vorverbrennung verringert werden.
  • In einem Beispiel kann die Motorlast vor t1 relativ niedrig sein (zum Beispiel Stufe 3 oder niedriger). Motorbetriebsbedingungen sind möglicherweise nicht für hohe Ammoniakmengen geeignet. Bei t1 kann sich die Motorlast erhöhen (zum Beispiel auf Stufe 4, 5 oder 6). Zwischen t1 und t2 wird die relative Menge an Wasserstoff verringert und die relative Menge an Ammoniak erhöht. In einem Beispiel ist das Substitutionsverhältnis zwischen t1 und t2 gleich oder innerhalb eines Schwellenprozentsatzes des Substitutionsverhältnisses vor t1, jedoch ist die Differenz zwischen der als Wasserstoff und Ammoniak bereitgestellten Kraftstoffenergie geringer. In einem Beispiel liegt der Schwellenprozentsatz zwischen 10 und 50 %, oder 10 und 30 %, oder 10 und 20 %. Die nicht eingestellte Zündfähigkeit und Verbrennungsgeschwindigkeit kann niedriger sein und näher an den gewünschten Werten liegen. Ein Ausmaß der zur Verringerung der Zündfähigkeit und der Verbrennungsgeschwindigkeit vorgenommenen Einstellungen kann geringer sein als das Ausmaß der Einstellungen vor t1. Zum Beispiel kann ein Einspritzzeitpunkt von Diesel zwischen t1 und t2 weniger verzögert werden als vor t1.
  • Bei t2 kann die Motorlast weiter ansteigen (zum Beispiel auf Stufe 7 oder 8). Zwischen t2 und t3 wird die relative Menge an Wasserstoff auf eine relativ geringe Menge reduziert und die relative Menge an Ammoniak auf eine relativ hohe Menge erhöht. In einem Beispiel ist das Substitutionsverhältnis zwischen t2 und t3 gleich oder innerhalb des Schwellenprozentsatzes des Substitutionsverhältnisses zwischen t1 und t2 und/oder des Substitutionsverhältnisses vor t1. Ammoniak kann mehr Kraftstoffenergie liefern als Wasserstoff. Die Zündfähigkeit des Verbrennungsgemischs sinkt unter die gewünschte Zündfähigkeit. Bei t3 wird die relative Menge an Wasserstoff erhöht und die relative Menge an Ammoniak verringert, so dass die Zündfähigkeit des Verbrennungsgemischs auf die gewünschte Zündfähigkeit ansteigt, während das Substitutionsverhältnis beibehalten wird. Nach t3 wird das Verhältnis von Wasserstoff und Ammoniak unter Einhaltung des Substitutionsverhältnisses beibehalten.
  • Auf diese Weise kann das Substitutionsverhältnis eines Vielstoffmotors über einen größeren Betriebsbereich erhöht werden. Die Zündfähigkeit und die Verbrennungsgeschwindigkeit können basierend auf der Ammoniak- und Wasserstoffmengen eingestellt werden, um verbesserte Verbrennungsbedingungen über eine Vielzahl von Motorlasten zu schaffen. Auf diese Weise kann der Verbrauch kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe reduziert werden.
  • Unter Bezugnahme auf 8 zeigt diese eine Tabelle 800, die Bedingungen eines ersten Zylinders 810 und eines zweiten Zylinders 820 veranschaulicht. In einem Beispiel kann der erste Zylinder und der zweite Zylinder in einer Vielzahl von Zylindern eines Vielstoffmotors enthalten sein, wie in den 1 bis 4 dargestellt. Zeile 830 veranschaulicht eine Wassermenge, die dem ersten und dem zweiten Zylinder zugeführt wird. Der erste Zylinder kann eine größere Wassermenge und der zweite Zylinder eine geringere Wassermenge enthalten. Die Wassermenge, die jedem der Zylinder zugeführt wird, kann zumindest teilweise auf der AGR-Rate der Zylinder und dem Weg, auf dem das AGR zu den Zylindern fließt, basieren. Wie oben beschrieben kann AGR über den AGR-Kanal, den Geberzylinder und die Wiederaufnahme/Rückhaltung von Abgasen erfolgen. Wenn der Weg über den AGR-Kanal führt, kann die Wassermenge, die den Zylindern zugeführt wird, höher sein, da das Wasser im AGR-Kühler kondensiert. Umfasst der Weg den Geberzylinder oder die Wiederaufnahme/Rückhaltung von Abgasen, kann die Wassermenge geringer sein. So kann in einem Beispiel die Wassermenge, die den Zylindern zugeführt wird, durch Anpassung des Leitens von AGR eingestellt werden. AGR kann durch den AGR-Kanal geleitet werden, um die Wassermenge zu erhöhen. Alternativ kann AGR aus dem Geberzylinder abgeleitet oder wiederverwendet/zurückbehalten werden, um die Wassermenge zu verringern. In einem Beispiel kann Wiederaufnahme von Abgasen im Vergleich zu anderen AGR-Strömungswegen erwünscht sein, wenn die Zündfähigkeit des Verbrennungsgemischs schlecht ist. Ein weiteres Beispiel: Die Führung durch den AGR-Kühler kann erwünscht sein, wenn Klopfen auftritt oder wahrscheinlich auftreten wird. Die Führung durch den AGR-Kühler kann auch erwünscht sein, um eine Kondensatlast des Kühlers zu verringern. Das aus dem Kühler abgeführte Kondensat kann die Verdünnung des Verbrennungsgemischs verbessern.
  • In einem Beispiel kann die Wassermenge basierend auf einer oder mehrerer Motorbetriebsbedingungen, einer Umgebungstemperatur, einer Umgebungsfeuchtigkeit, einer AGR-Rate und eines AGR-Weges geschätzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Wassermenge basierend auf einer oder mehrerer Ansaugluftfeuchtigkeit(en) und einer Sauerstoffmenge in dem Abgas geschätzt werden. Die Wassermenge, die den Zylindern zugeführt wird, kann aufgrund der Leitung bzw. Führung, mit der AGR bereitgestellt wird, aber auch aufgrund der Anordnung der Zylinder variieren. Bei einer Reihenanordnung von Zylindern kann zum Beispiel ein erster Zylinder mehr Wasser erhalten als ein letzter Zylinder. Verbrennungsbedingungen der Zylinder können basierend auf einer erlernten Wasserverteilung an die Zylinder kalibriert werden, wobei die Wasserverteilung auf AGR-Durchflussraten, Luftdurchflussraten, Luftfeuchtigkeit und Ähnlichem basieren kann.
  • Zeile 840 veranschaulicht ein Substitutionsverhältnis des Zylinders. Der erste Zylinder kann ein höheres Substitutionsverhältnis und der zweite Zylinder ein niedrigeres Substitutionsverhältnis aufweisen. Auf diese Weise kann das Substitutionsverhältnis proportional zur Wassermenge sein, die den einzelnen Zylindern des Motors bereitgestellt wird. Das Substitutionsverhältnis kann aufgrund eines Gleichgewichts zwischen Wasser und Wasserstoff proportional zur Wassermenge sein. Wasser kann das Klopfen und die Vorverbrennung vermindern, so dass eine größere Menge Wasserstoff an den Zylinder abgegeben werden kann.
  • Zeile 850 veranschaulicht einen Einspritzzeitpunkt des primären Kraftstoffs des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders. In einem Beispiel ist der primäre Kraftstoff Diesel. Der frühere Diesel-Einspritzzeitpunkt kann das Einspritzen einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung umfassen, wobei die Voreinspritzung früher als die Haupteinspritzung erfolgt. In einem Beispiel kann die Voreinspritzung während eines Ansaugtakts und die Haupteinspritzung während eines Verdichtungstakts erfolgen. Die spätere Einspritzung des primären Kraftstoffs kann umfassen, dass nur die Haupteinspritzung bei oder nahe dem OT des Verdichtungstakts eingespritzt wird.
  • Die Offenbarung bietet Unterstützung für ein Verfahren, welches das Einstellen eines Substitutionsverhältnisses als Reaktion auf eine Wassermenge umfasst, die einem Vielstoffmotor bereitgestellt wird, der so konfiguriert ist, dass er einen ersten Kraftstoff und einen zweiten Kraftstoff verbrennt, wobei sich der zweite Kraftstoff von dem ersten Kraftstoff unterscheidet. Ein erstes Beispiel des Verfahrens umfasst ferner, dass der erste Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff und der zweite Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist, und wobei die Wassermenge auf einer Kondensatmenge in einem AGR-Kühler basiert. Ein zweites Beispiel für das Verfahren, das optional das erste Beispiel umfasst, umfasst ferner, dass der erste Kraftstoff ein kohlenstoffhaltiger Kraftstoff und der zweite Kraftstoff ein kohlenstofffreier Kraftstoff ist. Ein drittes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass der kohlenstoffhaltige Kraftstoff einer oder mehrere der folgenden ist: Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Biodiesel, Synthesegas, Alkohol, Benzin, Kerosin, Ether und Erdgas. Ein viertes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass der kohlenstofffreie Kraftstoff Wasserstoff und/oder Ammoniak ist. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die Lenkung des AGR in Abhängigkeit von der Wassermenge in dem AGR eingestellt wird. Ein sechstes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass das Einstellen des Leitens des AGR das Bereitstellen von AGR für den Vielstoffmotor über einen AGR-Kanal, einen Geberzylinder oder eine AGR-Wiederaufnahme umfasst. Ein siebtes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die AGR-Wiederaufnahme das Einstellen einer Auslassventilzeitsteuerung umfasst, so dass diese mit einer Einlassventilöffnung überlappt.
  • Die Offenbarung bietet ferner Unterstützung für ein System, das ein erstes Kraftstoffsystem, das so konfiguriert ist, dass es einen ersten Kraftstoff zuführt, ein zweites Kraftstoffsystem, das so konfiguriert ist, dass es einen zweiten Kraftstoff zuführt, und ein Steuergerät mit in einem nichttransitorischen Speicher gespeicherten Befehlen umfasst, die, wenn sie ausgeführt werden, das Steuergerät veranlassen, eine Menge an AGR zu bestimmen, die an jeden Zylinder einer Vielzahl von Zylindern eines Vielstoffmotors geliefert wird, und ein Substitutionsverhältnis jedes Zylinders basierend auf der Menge an AGR einzustellen. Ein erstes Beispiel des Systems umfasst ferner, dass das Substitutionsverhältnis zumindest einen des ersten Kraftstoffs und einen des zweiten Kraftstoffs umfasst, wobei der erste Kraftstoff einen oder mehrere der folgenden Kraftstoffe umfasst: Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Biodiesel, Synthesegas, Alkohol, Benzin, Kerosin, Ether und Erdgas, und wobei der zweite Kraftstoff einen oder mehrere der folgenden Kraftstoffe umfasst: Wasserstoff und Ammoniak. Ein zweites Beispiel des Systems, das optional das erste Beispiel umfasst, umfasst ferner, dass das Substitutionsverhältnis auf der Menge an Diesel, Wasserstoff, Ammoniak und Ethanol basiert, die dem Vielstoffmotor bereitgestellt wird. Ein drittes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die Anweisungen das Steuergerät dazu veranlassen, einen Zündzeitpunkt basierend auf der AGR-Menge einzustellen, wobei Wasser in dem AGR vorhanden ist, wenn das AGR durch einen AGR-Kühler geleitet wird. Ein viertes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass der Zündzeitpunkt vorverlegt wird, wenn die Menge des AGR zunimmt. Ein fünftes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass der Zündzeitpunkt durch Einspritzen einer Voreinspritzung des ersten Kraftstoffs vor dem Einspritzen einer Haupteinspritzung des ersten Kraftstoffs vorverlegt wird. Ein sechstes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere der vorherigen Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass das Substitutionsverhältnis mit zunehmender AGR-Menge erhöht wird.
  • Die Offenbarung bietet ferner Unterstützung für ein Verfahren, welches das Einstellen eines Substitutionsverhältnisses eines Zylinders als Reaktion auf eine dem Zylinder bereitgestellte Wassermenge umfasst, wobei das Substitutionsverhältnis auf zwei oder mehr von Diesel, Wasserstoff, Ammoniak und Ethanol basiert, die in einem Verbrennungsgemisch enthalten sind, und das Einstellen der dem Zylinder zugeführten Wassermenge durch Einstellen eines Leitens von AGR. Ein erstes Beispiel des Verfahrens umfasst ferner das Einstellen des Leitens von AGR, indem AGR durch einen AGR-Kanal geleitet wird, um die dem Zylinder zugeführte Wassermenge zu erhöhen. Ein zweites Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel umfasst, umfasst ferner, dass die Einstellung des Leitens von AGR das Strömen von AGR aus einem Geberzylinder umfasst, um die dem Zylinder zugeführte Wassermenge zu verringern. Ein drittes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass das Leiten von AGR das Wiederaufnehmen von AGR durch Einstellen einer Auslassventilzeitteuerung umfasst, um die dem Zylinder zugeführte Wassermenge zu verringern. Ein viertes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass das Einstellen des Substitutionsverhältnisses eine Erhöhung des Substitutionsverhältnisses durch Verringern einer Dieselmenge und Erhöhen einer Menge von einem oder mehreren von Wasserstoff, Ammoniak und Ethanol als Reaktion auf die Erhöhung der Wassermenge umfasst.
  • Die Offenbarung bietet Unterstützung für ein Verfahren, das die Einstellung einer Zündfähigkeit eines Verbrennungsgemischs umfasst, das Ammoniak und Wasserstoff enthält. Ein erstes Beispiel des Verfahrens umfasst ferner, dass das Verbrennungsgemisch ferner eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst: Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Biodiesel, Synthesegas, Alkohol, Benzin, Kerosin, Ether und Erdgas. Ein zweites Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel umfasst, umfasst ferner, dass das Verbrennungsgemisch ferner Ethanol enthält. Ein drittes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass ein Substitutionsverhältnis basierend auf einer Motorlast ausgewählt wird, wobei die Motorlast einer Stufeneinstellung entspricht. Ein viertes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die Einstellung der Zündfähigkeit die Einstellung einer Ammoniakmenge und einer Wasserstoffmenge umfasst. Ein fünftes Beispiel für das Verfahren, das wahlweise eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass ein Substitutionsverhältnis des Verbrennungsgemischs als Reaktion auf die Einstellung des Zündzeitpunkts beibehalten wird. Ein sechstes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die Einstellung der Zündfähigkeit die Einstellung einer AGR-Durchflussrate umfasst. Ein siebtes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass ein Zündzeitpunkt basierend auf der Zündfähigkeit des Verbrennungsgemisches eingestellt wird. Ein achtes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass das Einstellen des Zündzeitpunkts das Einstellen eines Dieseleinspritzzeitpunkts umfasst, wobei der Dieseleinspritzzeitpunkt das Einspritzen einer Voreinspritzung vor dem Einspritzen einer Haupteinspritzung umfasst. Ein neuntes Beispiel des Verfahrens, das wahlweise eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass das Einstellen der Zündfähigkeit ferner das Einstellen einer dem Verbrennungsgemisch zugeführten Wassermenge umfasst, und wobei die Zündfähigkeit durch Erhöhen der dem Verbrennungsgemisch zugeführten Wassermenge verringert wird.
  • Die Offenbarung bietet ferner Unterstützung für ein System, das ein erstes Kraftstoffsystem, das so konfiguriert ist, dass es einen ersten Kraftstoff zuführt, ein zweites Kraftstoffsystem, das so konfiguriert ist, dass es einen zweiten Kraftstoff zuführt, und ein Steuergerät mit in einem nichttransitorischen Speicher gespeicherten Befehlen umfasst, die, wenn sie ausgeführt werden, das Steuergerät veranlassen, ein Substitutionsverhältnis basierend auf einer Motorlast auszuwählen und eine Zündfähigkeit eines Verbrennungsgemischs einzustellen, das Ammoniak und Wasserstoff umfasst. Ein erstes Beispiel des Systems umfasst den Fall, bei dem der erste Kraftstoff einen oder mehrere der folgenden Kraftstoffe umfasst: Diesel, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD), Biodiesel, Synthesegas, Alkohol, Benzin, Kerosin, Ether und Erdgas, und wobei der zweite Kraftstoff Ammoniak und Wasserstoff umfasst. Ein zweites Beispiel des Systems, das optional das erste Beispiel umfasst, umfasst ferner, dass die Anweisungen das Steuergerät veranlassen, ein Verhältnis von Ammoniak und Wasserstoff einzustellen, während das Substitutionsverhältnis beibehalten wird, um die Zündfähigkeit einzustellen. Ein drittes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die Anweisungen das Steuergerät dazu veranlassen, einen Einspritzzeitpunkt durch Einstellen einer Anzahl von Einspritzungen eines kohlenstoffhaltigen Kraftstoffs einzustellen. Ein viertes Beispiel des Systems, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner, dass die Anweisungen das Steuergerät veranlassen, ein Leiten von AGR einzustellen, um die Zündfähigkeit einzustellen, wobei das Leiten von AGR das Bereitstellen von AGR über einen oder mehrere von einem AGR-Kanal, einem Geberzylinder, Wiederaufnahme und Rückhaltung umfasst, und wobei das Leiten von AGR durch einen Kühler des AGR-Kanals eine Menge von Wasser in dem Verbrennungsgemisch einstellt.
  • Die Offenbarung bietet ferner Unterstützung für ein Verfahren, das die Auswahl eines Substitutionsverhältnisses und das Einstellen einer Zündfähigkeit durch Einstellen einer Menge von Wasserstoff und Ammoniak, die einem Verbrennungsgemisch zugeführt werden, umfasst, wobei das Verbrennungsgemisch ferner zumindest einen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff in einer festen Menge basierend auf dem Substitutionsverhältnis umfasst. Ein erstes Beispiel des Verfahrens umfasst ferner, dass der zumindest eine kohlenstoffhaltige Kraftstoff Diesel oder Benzin ist und ferner einen weiteren kohlenstoffhaltigen Kraftstoff umfasst, der eines oder mehrere der folgenden Elemente umfasst: Ethanol, hydrierter erneuerbarer Diesel (HDRD) und Biodiesel. Ein zweites Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel umfasst, umfasst ferner, dass die Menge an Wasserstoff erhöht und die Menge an Ammoniak verringert wird, um die Zündfähigkeit zu erhöhen, und dass ferner die Menge an Ammoniak erhöht und die Menge an Wasserstoff verringert wird, um die Zündfähigkeit zu verringern. Ein drittes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner die Einspritzung von Ammoniak in einen Abgasstrom basierend auf dem Substitutionsverhältnis und einem pH-Wert des Abgasstroms. Ein viertes Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere der vorhergehenden Beispiele umfasst, umfasst ferner die Verbrennung des Verbrennungsgemischs in einem Vielstoffmotor, wobei die Oberflächen des Vielstoffmotors galvanisiert sind.
  • In einer Ausführungsform kann das Steuerungssystem oder das Steuergerät ein lokales Datenerfassungssystem einsetzen und maschinelles Lernen verwenden, um ableitungsbasierte Lernergebnisse zu ermöglichen. Das Steuergerät kann aus einem Satz von Daten (einschließlich der von den verschiedenen Sensoren gelieferten Daten) lernen und Entscheidungen treffen, indem es datengesteuerte Vorhersagen trifft und sich entsprechend dem Datensatz anpasst. In Ausführungsformen kann das maschinelle Lernen die Durchführung einer Vielzahl von maschinellen Lernaufgaben durch maschinelle Lernsysteme umfassen, wie überwachtes Lernen, unbeaufsichtigtes Lernen und Verstärkungslernen. Überwachtes Lernen kann beinhalten, dass den maschinellen Lernsystemen ein Satz von Beispieleingaben und gewünschten Ausgaben vorgelegt wird. Unüberwachtes Lernen kann beinhalten, dass der Lernalgorithmus seinen Input durch Methoden wie Mustererkennung und/oder Merkmalslernen strukturiert. Verstärkungslernen kann beinhalten, dass die maschinellen Lernsysteme in einer dynamischen Umgebung arbeiten und dann Rückmeldungen über richtige und falsche Entscheidungen geben. In Beispielen kann das maschinelle Lernen eine Vielzahl anderer Aufgaben umfassen, die auf einer Ausgabe des maschinellen Lernsystems basieren. Bei den Aufgaben kann es sich um Probleme des maschinellen Lernens handeln, wie Klassifizierung, Regression, Clustering, Dichteschätzung, Dimensionalitätsreduktion, Erkennung von Anomalien und dergleichen. In Beispielen kann das maschinelle Lernen eine Vielzahl von mathematischen und statistischen Techniken umfassen. Die Algorithmen des maschinellen Lernens können Entscheidungsbaum-basiertes Lernen, Assoziationsregel-Lernen, Deep Learning, künstliche neuronale Netze, genetische Lernalgorithmen, induktive Logikprogrammierung, Support-Vektor-Maschinen (SVMs), Bayes'sche Netze, Verstärkungslernen, Repräsentationslernen, regelbasiertes maschinelles Lernen, Sparse-Dictionary-Learning, Ähnlichkeits- und metrisches Lernen, lernende Klassifizierungssysteme (LCS), logistische Regression, Random Forest, K-Means, Gradientenverstärkung, K-nearest neighbors (KNN), A-priori-Algorithmen und Ähnliches umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können bestimmte Algorithmen des maschinellen Lernens verwendet werden (zum Beispiel zur Lösung sowohl von eingeschränkten als auch von nicht eingeschränkten Optimierungsproblemen, die auf natürlicher Auswahl beruhen können). In einem Beispiel kann der Algorithmus verwendet werden, um Probleme der gemischtganzzahligen Programmierung zu lösen, bei denen einige Komponenten auf ganzzahlige Werte beschränkt sind. Algorithmen und Techniken und Systeme des maschinellen Lernens können in den Bereichen computergestützte Intelligenzsysteme, Computer Vision, Verarbeitung natürlicher Sprache (NLP), Empfehlungssysteme, Verstärkungslernen, Erstellung grafischer Modelle usw. eingesetzt werden. Zum Beispiel kann maschinelles Lernen für die Fahrzeugleistung und -steuerung, die Verhaltensanalyse und ähnliches verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform kann das Steuergerät eine Policy Engine enthalten, die eine oder mehrere Richtlinien anwenden kann. Diese Richtlinien können zumindest teilweise auf den Merkmalen eines bestimmten Geräts oder einer bestimmten Umgebung beruhen. In Bezug auf die Steuerungsrichtlinien kann ein neuronales Netz eine Reihe von Umgebungs- und aufgabenbezogenen Parametern als Eingabe erhalten. Das neuronale Netz kann so trainiert werden, dass es basierend auf diesen Eingaben eine Ausgabe erzeugt, die eine Aktion oder eine Folge von Aktionen darstellt, die das Motorsystem durchführen sollte. Dies kann nützlich sein, um konkurrierende Anforderungen an den Motor auszugleichen. Während Ausführung einer Ausführungsform kann eine Bestimmung erfolgen, indem die Eingaben durch die Parameter des neuronalen Netzes verarbeitet werden, um einen Wert am Ausgangsknoten zu erzeugen, der diese Aktion als die gewünschte Aktion bezeichnet. Diese Aktion kann in ein Signal umgesetzt werden, das den Betrieb des Motors bewirkt. Dies kann über Backpropagation, Feedforward-Prozesse, geschlossene Rückkopplungsschleifen oder offene Rückkopplungsschleifen erfolgen. Anstelle von Backpropagation kann das maschinelle Lernsystem des Steuergeräts auch Evolutionsstrategien verwenden, um verschiedene Parameter des künstlichen neuronalen Netzes abzustimmen. Das Steuergerät kann neuronale Netzarchitekturen mit Funktionen verwenden, die mit Backpropagation nicht immer lösbar sind, zum Beispiel Funktionen, die nicht konvex sind. In einer Ausführungsform hat das neuronale Netz einen Satz von Parametern, die die Gewichte seiner Knotenverbindungen darstellen. Es wird eine Reihe von Kopien dieses Netzes erstellt, dann werden verschiedene Anpassungen an den Parametern vorgenommen und Simulationen durchgeführt. Sobald die Ergebnisse der verschiedenen Modelle vorliegen, können sie anhand einer bestimmten Erfolgsmetrik auf ihre Leistung hin bewertet werden. Das beste Modell wird ausgewählt, und das Fahrzeugsteuergerät führt diesen Plan aus, um die gewünschten Eingabedaten zu erhalten, die das vorhergesagte beste Ergebnisszenario widerspiegeln. Außerdem kann die Erfolgsmetrik eine Kombination der optimierten Ergebnisse sein. Diese können relativ zueinander gewichtet werden.
  • Ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl genannt wird und dem das Wort „a“ oder „an“ vorangestellt ist, ist so zu verstehen, dass die Vielzahl dieser Elemente oder Schritte nicht ausgeschlossen ist, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich angegeben. Außerdem schließen Hinweise auf „eine Ausführungsform“ der Erfindung das Vorhandensein weiterer Ausführungsformen nicht aus, die ebenfalls die genannten Merkmale aufweisen. Außerdem können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen“, „enthalten“ oder „umfassen“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, zusätzliche Elemente umfassen, die diese Eigenschaft nicht aufweisen. Die Begriffe „einschließlich“ und „bei denen“ werden als Äquivalente der entsprechenden Begriffe „die aufweisen“ und „wobei“ verwendet. Darüber hinaus werden die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen nicht dazu dienen, ihren Objekten numerische Anforderungen oder eine bestimmte Reihenfolge aufzuerlegen.
  • Die hier offengelegten Steuerungsverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nichttransitorischen Speicher gespeichert und vom Steuersystem, einschließlich des Steuergeräts, in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Motorhardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere beliebige Verarbeitungsstrategien darstellen, wie zum Beispiel ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. So können verschiedene Aktionen, Operationen und/oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge, parallel oder in manchen Fällen auch ohne diese durchgeführt werden. Auch die Reihenfolge der Verarbeitung ist nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, sondern dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Eine oder mehrere der dargestellten Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen können je nach der verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch einen Code darstellen, der in den nichttransitorischen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Motorsteuerungssystem zu programmieren ist, wo die beschriebenen Aktionen durch Ausführung der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Motor-Hardwarekomponenten in Kombination mit dem elektronischen Steuergerät umfasst.
  • Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch, um eine Person mit gewöhnlichem Fachwissen auf dem relevanten Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann bekannt sind. Solche anderen Beispiele sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum wörtlichen Wortlaut der Ansprüche enthalten.

Claims (20)

  1. Verfahren, umfassend: Einstellen eines Substitutionsverhältnisses als Reaktion auf eine Wassermenge, die einem Vielstoffmotor bereitgestellt wird, der konfiguriert ist, einen ersten Kraftstoff und einen zweiten Kraftstoff zu verbrennen, wobei sich der zweite Kraftstoff von dem ersten Kraftstoff unterscheidet.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff und der zweite Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff ist, und wobei die Wassermenge auf einer Kondensatmenge in einem AGR-Kühler basiert.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Kraftstoff ein kohlenstoffhaltiger Kraftstoff und der zweite Kraftstoff ein kohlenstofffreier Kraftstoff ist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei es sich bei dem kohlenstoffhaltigen Kraftstoff um Diesel und/oder hydrierten erneuerbaren Diesel (HDRD) und/oder Biodiesel und/oder Synthesegas und/oder Alkohol und/oder Benzin und/oder Kerosin und/oder Ether und/oder Erdgas handelt.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei es sich bei dem kohlenstofffreien Kraftstoff um Wasserstoff und/oder Ammoniak handelt.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend das Einstellen eines Leitens von AGR als Reaktion auf eine Wassermenge in dem AGR.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Einstellen des Leitens des AGR das Bereitstellen von AGR an dem Vielstoffmotor über einen AGR-Kanal, einen Geberzylinder oder AGR- Wiederaufnahme umfasst.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei AGR-Wiederaufnahme das Einstellen einer Auslassventilzeitsteuerung zur Überlappung mit einer Einlassventilöffnung umfasst.
  9. System, aufweisend: ein erstes Kraftstoffsystem, das konfiguriert ist, einen ersten Kraftstoff zuzuführen; ein zweites Kraftstoffsystem, das konfiguriert ist, einen zweiten Kraftstoff zuzuführen; und ein Steuergerät mit in einem nicht-flüchtigen Speicher gespeicherten Anweisungen, die bei Ausführung das Steuergerät veranlassen: eine AGR-Menge zu bestimmen, die jedem Zylinder einer Vielzahl von Zylindern eines Vielstoffmotors zugeführt wird; und ein Substitutionsverhältnis von jedem Zylinder basierend auf der AGR-Menge einzustellen.
  10. System gemäß Anspruch 9, wobei das Substitutionsverhältnis den ersten Kraftstoff und/oder den zweiten Kraftstoff umfasst, wobei der erste Kraftstoff Diesel und/oder hydrierten erneuerbaren Diesel (HDRD) und/oder Biodiesel und/oder Synthesegas und/oder Alkohol und/oder Benzin und/oder Kerosin und/oder Ether und/oder Erdgas aufweist, und wobei der zweite Kraftstoff Wasserstoff und/oder Ammoniak aufweist.
  11. System gemäß Anspruch 9, wobei das Substitutionsverhältnis auf einer Menge an Diesel, Wasserstoff, Ammoniak und Ethanol basiert, die dem Vielstoffmotor zugeführt wird.
  12. System gemäß Anspruch 9, wobei die Anweisungen das Steuergerät ferner veranlassen, einen Zündzeitpunkt basierend auf der AGR-Menge einzustellen, wobei Wasser in dem AGR vorhanden ist, wenn das AGR durch einen AGR-Kühler geleitet wird.
  13. System gemäß Anspruch 12, wobei der Zündzeitpunkt vorverlegt wird, wenn die Menge an AGR zunimmt.
  14. System gemäß Anspruch 13, wobei der Zündzeitpunkt durch Einspritzen einer Voreinspritzung des ersten Kraftstoffs vor dem Einspritzen einer Haupteinspritzung des ersten Kraftstoffs vorverlegt wird.
  15. System gemäß Anspruch 9, wobei das Substitutionsverhältnis mit zunehmender AGR-Menge erhöht wird.
  16. Verfahren, umfassend: Einstellen eines Substitutionsverhältnisses eines Zylinders als Reaktion auf eine dem Zylinder zugeführte Wassermenge, wobei das Substitutionsverhältnis auf zwei oder mehr von Diesel, Wasserstoff, Ammoniak und Ethanol basiert, die in einem Verbrennungsgemisch enthalten sind; und Einstellen der Wassermenge, die dem Zylinder zugeführt wird, durch Anpassung eines Leitens von AGR.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Einstellen des Leitens von AGR das Durchleiten von AGR durch einen AGR-Kanal umfasst, um die dem Zylinder zugeführte Wassermenge zu erhöhen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Einstellen des Leitens von AGR umfasst, dass AGR von einem Geberzylinder geleitet wird, um die dem Zylinder zugeführte Wassermenge zu verringern.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Einstellen des Leitens von AGR das Wiederaufnehmen von AGR durch Einstellen einer Auslassventilzeitsteuerung umfasst, um die dem Zylinder zugeführte Wassermenge zu verringern.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Einstellen des Substitutionsverhältnisses das Erhöhen des Substitutionsverhältnisses durch Verringern einer Menge an Diesel und Erhöhen einer Menge an Wasserstoff und/oder Ammoniak und/oder Ethanol als Reaktion auf die Erhöhung der Wassermenge umfasst.
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