DE102022134966A1 - Verfahren und systeme zur aktiven steuerung des kraftstoff/luft-verhältnisses - Google Patents

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Thomas Michael Lavertu
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Abstract

Bereitgestellt werden verschiedene Verfahren und Systeme zur Steuerung von Emissionen und der Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen während der Verbrennung in einem Vielstoffmotor. Ein Verfahren für einen Motor umfasst das Vermischen einer Menge eines ersten Kraftstoffs und einer Menge eines zweiten Kraftstoffs, um ein Kraftstoffgemisch zu verbrennen, das ein Kraftstoffverhältnis des ersten Kraftstoffs in Bezug auf den zweiten Kraftstoff aufweist, wobei der erste Kraftstoff eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit in Bezug auf den zweiten Kraftstoff aufweist und das Kraftstoffgemisch ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis mit einer an den Motor zugeführten Luftmenge aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Steuern der Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder der Verbrennungsstabilität des Kraftstoffgemischs mit der an den Motor zugeführten Luftmenge durch Ändern des Kraftstoffverhältnisses, des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses oder sowohl des Kraftstoffverhältnisses als auch des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses.

Description

  • HINTERGRUND
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen des vorliegend offenbarten Gegenstands betreffen ein Vielstoff-Motorsystem und ein Verfahren zur Abschwächung von Motorklopfen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Im Vielstoffbetrieb neigen einige Motoren (zum Beispiel Wasserstoff-/Diesel-Vielstoffmotoren) zum Klopfen oder zu einer schnellen Verbrennung, was den Motor beeinträchtigen kann. Dies liegt vor allem daran, dass der vorgemischte Kraftstoff (zum Beispiel Wasserstoff) schneller verbrennt als Diesel und zu Selbstzündung führen kann, was zu Klopfen oder Detonationen führt. Die Flammengeschwindigkeit und die Selbstzündungseigenschaften können in einigen Fällen durch eine Erhöhung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses (AFR) abgeschwächt werden, wodurch die Zündwilligkeit des vorgemischten Kraftstoffs verringert und die Wahrscheinlichkeit und Ausmaß der Selbstzündung reduziert wird.
  • Fahrzeuge, wie zum Beispiel Schienenfahrzeuge und andere nicht-StraßenFahrzeuge, können für den Antrieb ein Vielstoff-Motorsystem einsetzen. Das Vielstoff-Motorsystem kann es ermöglichen, die Fahrzeugnavigation durch das Drehmoment anzutreiben, das durch die Verbrennung von mehr als einer Kraftstoffart im Motor erzeugt wird. Einige Kraftstoffe haben zwar eine hohe Energiedichte, können aber aufgrund hoher Verdampfungswärme, schlechter Gemischbildung und/oder niedriger Flammengeschwindigkeit zu schlechten Verbrennungsbedingungen führen. In einigen Ausführungsformen kann mehr als ein Kraftstofftyp verwendet werden, zum Beispiel Wasserstoff und Diesel. Wasserstoff kann dem Motor in einer Gasphase zugeführt werden, während Diesel in einer Flüssigphase zugeführt werden kann. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Kraftstoffe können die Verbrennungsparameter je nach dem Verhältnis von Wasserstoff und Diesel, das an den Motor zugeführt wird, variieren. So kann Wasserstoff beispielsweise eine höhere gravimetrische Energiedichte, eine geringere Zündenergie und einen größeren Entflammungsbereich als Diesel aufweisen. Die Mitverbrennung von Wasserstoff und Diesel kann sich daher auf den Wirkungsgrad, die Leistung und die Emissionen (zum Beispiel Kohlenstoffemissionen und NOx) des Motors auswirken. Insbesondere kann die Motorleistung abhängig vom Substitutionsverhältnis (zum Beispiel von Wasserstoff zu Diesel) eines in den Motor eingespritzten Kraftstoffgemischs variieren. Auch die Verbrennungsparameter können je nach Kraftstoff/Luft-Verhältnis in einem Verbrennungsgemisch variieren. Es kann gewünscht sein, ein System und ein Verfahren zu haben, das sich von den derzeit verfügbaren unterscheidet. Zum Beispiel kann ein Verfahren für einen Vielstoffmotor eine aktive Einstellung des AFR und/oder eine Einstellung des Substitutionsverhältnisses umfassen, so dass die Verbrennung von Wasserstoff und Diesel stabilisiert werden kann. Dies kann die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen sowie Menge und Art bestimmter Emissionen steuern.
  • DARSTELLUNG
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren für einen Motor das Vermischen einer Menge eines ersten Kraftstoffs mit einer Menge eines zweiten Kraftstoffs, um ein Kraftstoffgemisch mit einem Kraftstoffverhältnis des ersten Kraftstoffs in Bezug auf den zweiten Kraftstoff zu verbrennen, wobei der erste Kraftstoff eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit in Bezug auf den zweiten Kraftstoff aufweist, der erste Kraftstoff eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit in Bezug auf den zweiten Kraftstoff aufweist, das Kraftstoffgemisch ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis zu einer an den Motor zugeführten Luftmenge aufweist und eine Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder eine Verbrennungsstabilität des Kraftstoffgemischs mit der an den Motor zugeführten Luftmenge durch Ändern des Kraftstoffverhältnisses, des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses oder sowohl des Kraftstoffverhältnisses als auch des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses gesteuert wird.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Beispiel für einen Zug mit einem Lokomotivenverband.
    • 2 zeigt eine schematisches Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Lokomotive aus 1, wobei die Lokomotive einen Vielstoffmotor aufweist.
    • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Kraftstofftender, der in dem Zug aus 1 beinhaltet sein kann.
    • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Anpassen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses (AFR) des Vielstoffmotors.
    • 5 zeigt einen Zeitstrahl, der das Anpassen der Betriebsparameter des Vielstoffmotors zum Anpassen des AFR veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die in der nachstehenden Beschreibung offenbarten Ausführungsformen können Verfahren und Systeme zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (ICE) betreffen. Der Verbrennungsmotor kann durch Verbrennung einer Kombination verschiedener Kraftstoffe als Gemisch und in unterschiedlichen Anteilen zueinander betrieben werden, um ein Substitutionsverhältnis eines Kraftstoffs zu einer Kraftstoffgesamtmenge zu bilden, die aus mindestens zwei Kraftstofftypen besteht. Die Kraftstoffe können unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff aufweisen, und geeignete Kraftstoffe können Benzin und/oder Diesel und/oder mittels Hydrierung gewonnenen 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. Die Vielzahl von Kraftstoffen kann gasförmige sowie Flüssigkraftstoffe, einzeln oder in Kombination, umfassen.
  • Bei einer Ausführungsform können die Systeme und Verfahren für einen Vielstoffmotor die Verbrennung eines ersten Kraftstoffs in Kombination mit einem zweiten Kraftstoff umfassen. Der Vielstoffmotor kann den zweiten Kraftstoff allein oder als Kraftstoffgemisch mit dem ersten Kraftstoff verbrennen. Unter bestimmten Bedingungen kann der Vielstoffmotor die Menge des verwendeten zweiten Kraftstoffs verringern, indem er den ersten Kraftstoff in einem Verbrennungsgemisch substituiert. Der erste Kraftstoff kann im Vergleich zum zweiten Kraftstoff einen geringeren Kohlenstoffgehalt aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Kraftstoff günstiger, besser verfügbar und/oder effizienter sein. Der zweite Kraftstoff kann sich im Vergleich zum ersten Kraftstoff in seiner Zündwilligkeit und Brenngeschwindigkeit unterscheiden. Bestimmte Kraftstoffe können aufgrund einer erhöhten oder verringerten Zündwilligkeit zu erhöhten Motortemperaturen oder unerwünschten Verbrennungsbedingungen führen.
  • Das Substitutionsverhältnis zwischen dem zweiten Kraftstoff des Verbrennungsmotors und dem ersten Kraftstoff kann von einem Controller bestimmt werden. der Controller kann das Substitutionsverhältnis zumindest teilweise auf Grundlage der aktuellen Motorlast, der aktuellen Motortemperatur, der aktuellen Krümmertemperatur, des aktuellen Einspritzzeitpunkts und des aktuellen Kraftstoff/Luft-Verhältnisses bestimmen. Der Controller kann das Substitutionsverhältnis zumindest teilweise auf Grundlage der im Gemisch verwendeten Kraftstoffe und ihrer zugehörigen Eigenschaften bestimmen. Das Substitutionsverhältnis kann ein Verhältnis des ersten Kraftstoffs zur Gesamtmenge des Kraftstoffs sein (zum Beispiel eine Summe aus dem ersten und dem zweiten Kraftstoff). Mit steigendem Substitutionsverhältnis nimmt der relative Anteil des ersten Kraftstoffs an der Kraftstoffgesamtmenge zu. In einem Beispiel kann der erste Kraftstoff ein Kraftstoff sein, der verglichen mit dem ersten Kraftstoff einen geringeren oder gar keinem Kohlenstoffgehalt aufweist. Das Substitutionsverhältnis kann dem prozentualen Anteil des ersten und des zweiten Kraftstoffs am Gesamtenergiegehalt des Kraftstoffs entsprechen. Beträgt das gewünschte Substitutionsverhältnis beispielsweise 60 %, dann kann der erste Kraftstoff 60 % des gesamten Kraftstoffenergiegehalts bereitstellen und der zweite Kraftstoff kann 40 % des gesamten Kraftstoffenergiegehalts bereitstellen.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Verbrennungsmotor Kraftstoffgemische verbrennen, die sowohl Diesel als auch Wasserstoff beinhalten. Während mancher Betriebsmodi kann der Verbrennungsmotor nur Diesel, nur Wasserstoff oder eine Kombination davon verbrennen. Wenn Wasserstoff zugeführt wird, können die Betriebsbedingungen angepasst werden, um den Wasserstoff zu berücksichtigen und die Verbrennung des Wasserstoffs zu begünstigen. Das Anpassen der Betriebsbedingungen kann beispielsweise die Erhöhung der Luftmenge umfassen, die mit dem Kraftstoffgemisch aus Wasserstoff und Diesel verbrannt werden soll, so dass der Luftstrom erhöht wird, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs verlangsamt und ein höheres Substitutionsverhältnis ermöglicht wird. Darüber hinaus kann durch die Erhöhung des Substitutionsverhältnisses ein breiter Entflammungsbereich von Wasserstoff, zum Beispiel im Vergleich zu Diesel, ausgenutzt werden, wodurch die Motorleistung bei magerer Verbrennung gesteigert werden kann. Weitere Betriebsbedingungen können so eingestellt werden, dass Wasserstoff bevorzugt gegenüber Diesel verbrannt wird, wenn die Dieselverbrennung verringert ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann Ammoniak zusätzlich zu oder als alternative Kraftstoffquelle für Wasserstoff bereitgestellt werden. Wenn Ammoniak bereitgestellt wird, können die Betriebsbedingungen angepasst werden, um das Ammoniak zu berücksichtigen und eine verbesserte Verbrennung des Ammoniaks zu fördern. Das Anpassen der Betriebsbedingungen zur Berücksichtigung von Ammoniak kann ähnlich oder anders erfolgen als das Anpassen der Betriebsbedingungen zur Berücksichtigung von Wasserstoff. So kann beispielsweise das Kraftstoff/Luft-Verhältnis (AFR) während der Anpassung des Ammoniak-Diesel-Verhältnisses erhöht oder verringert werden. Weitere Einzelheiten der AFR-Einstellung in Bezug auf die Ammoniakeinspritzung gehen über den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung hinaus.
  • Wenn der Motor im Dieselbetrieb arbeitet (zum Beispiel wenn nur Diesel eingespritzt und verbrannt wird), kann ein AFR gewählt werden, die eine vollständige Verbrennung des Diesels ermöglicht, die Emissionen verringert und den Verbrennungswirkungsgrad des Motors erhöht. Beim Vielstoffmodus (zum Beispiel wenn mehr als ein Kraftstofftyp eingespritzt und verbrannt wird) kann das AFR j edoch erhöht werden, um Selbstzündungs- und Klopfneigung zu verringern. Die Höhe der AFR-Anpassung kann von den Umgebungsbedingungen (zum Beispiel Temperatur, Druck/Höhe, Luftfeuchte) und von der Motorleistung und/oder dem Drehmoment abhängen. So kann der Betrieb eines Motors bei höheren Umgebungstemperaturen und höherer Leistung zu einer höheren Klopfwahrscheinlichkeit führen und daher eine größere AFR-Anpassung erfordern als der Betrieb bei niedrigeren Umgebungstemperaturen und geringerer Leistung, um die Klopfwahrscheinlichkeit zu verringern. Da der Vielstoffmodus von Natur aus ein Substitutionsverhältnis beinhaltet (zum Beispiel wird Diesel mit einer bestimmten Menge Wasserstoff substituiert), kann das Anpassen des Luftverteilungsverhältnisses zu unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen führen. Das Substitutionsverhältnis, das durch das AFR beeinflusst werden kann, kann daher auch angepasst werden, um die Wahrscheinlichkeit von Klopfen zu verringern. Beispielsweise können höhere AFRs höhere Substitutionsverhältnisse ermöglichen. Daher kann durch aktives Anpassen des AFR ein höheres Substitutionsverhältnis erreicht werden.
  • Anpassungen an Motorbetriebsbedingungen, die eine Erhöhung des Substitutionsverhältnisses ermöglichen, wie zum Beispiel die Erhöhung des AFR, können für den Dual-Fuel-Motor von Vorteil sein. So können beispielsweise die Verbrennungsbedingungen, die durch eine Erhöhung des Luftdurchsatzes hergestellt werden, zu einer Steigerung der Leistung und einer Verringerung der Emissionen führen. In den hier beschriebenen Ausführungsformen werden Anpassungen des Substitutionsverhältnisses beschrieben, bei denen Wasserstoff durch Diesel substituiert wird. Andere Ausführungsformen können Substitutionsverhältnisse umfassen, die Erdgas, Alkohol und Ammoniak sowie andere Arten von Kraftstoffen beinhalten. Bestimmte Kraftstoffe (zum Beispiel Ammoniak) können unterschiedliche Anpassungen erfordern (zum Beispiel Erhöhung oder Senkung des AFR), um die Verdampfung und Verbrennung des Kraftstoffs zu erhöhen.
  • Ausführungsformen des vorliegend beschriebenen Systems können eine Vielzahl von Motortypen und eine Vielzahl von motorgetriebenen Systemen umfassen. Einige dieser Systeme können stationär sein, während andere auf semimobilen oder mobilen Plattformen stehen können. Semimobile Plattformen können zwischen den Betriebszeiten substituiert, zum Beispiel auf Sattelzügen montiert werden. Zu den mobilen Plattformen können selbstfahrende Fahrzeuge gehören. Solche Fahrzeuge können Straßenfahrzeuge und andere Geländefahrzeuge (OHV, Off Highway Vehicles) sein. Geeignete Straßenfahrzeuge sind zum Beispiel Autos, Busse und Sattelschlepper. Geeignete Geländefahrzeuge sind zum Beispiel Bergbaufahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, landwirtschaftliche Fahrzeuge usw. Zur besseren Veranschaulichung wird ein Schienenfahrzeug, wie zum Beispiel eine Lokomotive, als Beispiel für eine mobile Plattform verwendet. Geeignete Systeme können einen Motor, einen Turbolader, ein Kraftstoffsystem und sowie einen Controller oder ein Steuersystem umfassen. Einige Ausführungsformen können ein Nachbehandlungssystem oder ein anderes System zur Emissionsreduzierung aufweisen. Die Fahrzeuge können einzeln oder als Gruppe bewegt werden. Eine Fahrzeuggruppe kann mechanisch (wie in einem Verband) und/oder virtuell (wie in einem Zug oder Schwarm) miteinander gekoppelt sein, um ihre Bewegungen zu koordinieren.
  • Vor der weiteren Erörterung der Verfahren zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen aufgrund von Kraftstoff-Selbstzündung durch aktives Anpassen des AFR wird eine Beispielplattform gezeigt, in der die Verfahren implementiert sein können. Die aktive Anpassung des AFR umfasst die selektive Änderung des AFR, um ein gewünschtes Kraftstoffsubstitutionsverhältnis zu erreichen, nicht aber das Anpassen des Substitutionsverhältnisses gemäß eines festgelegten AFR, das den Motorbetriebsbedingungen entspricht. 1 zeigt einen beispielhaften Zug 100 mit mehreren Schienenfahrzeugen 102, 104, 106, einem Kraftstofftender 160 und Wagen 108, die auf einem Gleis 110 fahren können. Die mehreren Schienenfahrzeuge, der Kraftstofftender und die Wagen sind über Kopplungseinrichtungen 112 aneinandergekoppelt. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Vielzahl von Schienenfahrzeugen um Lokomotiven handeln, einschließlich einer führenden Lokomotive und einer oder mehrerer Remote-Lokomotiven. Die Lokomotiven im Zug können einen Verband bilden. In der dargestellten Ausführungsform können die Lokomotiven zum Beispiel einen Verband 101 bilden. Wie dargestellt, weist der Zug einen Verband auf. Verschiedene Fahrzeuge können Fahrzeuggruppen bilden (zum Beispiel Verbände, Konvois, Schwärme, Flotten, Trupps und dergleichen). Die Fahrzeuge einer Gruppe können mechanisch und/oder virtuell aneinandergekoppelt sein. Gas- und Bremsbefehle können von der führenden Lokomotive an die Remote-Lokomotiven weitergemeldet werden, zum Beispiel über eine Funkverbindung oder ein physisches Kabel.
  • Die Lokomotiven können von einem Motor 10 angetrieben werden, während die Wagen nicht angetrieben sein können. In der dargestellten Ausführungsform ist der Motor ein Vielstoffmotor und kann gasförmige und/oder Flüssigkraftstoffe oder Kraftstoffe mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt verbrennen, und zwar in unterschiedlichen Verhältnissen eines Kraftstoffs zu einem anderen (zum Beispiel dem Substitutionsverhältnis). Bei einigen Ausführungsformen kann der Vielstoffmotor insbesondere ein Dual-Fuel-Motor sein, der zwei Kraftstoffe verbrennt, von denen einer ein gasförmiger und einer ein Flüssigkraftstoff auf Kohlenwasserstoff- oder nicht-Kohlenwasserstoffbasis sein kann. Bei anderen Ausführungsformen kann der Motor ein Einstoffmotor sein, der einen gasförmigen oder einen Flüssigkraftstoff verbrennen kann.
  • Der Zug kann ein Steuersystem beinhalten. Das Steuersystem kann eine Motorsteuerung 12 und auch eine Verband-Steuerung 22 aufweisen. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet jede Lokomotive eine Motorsteuerung. Die Motorsteuerung kann mit der Verband-Steuerung in Verbindung stehen. Die Verband-Steuerung 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 Leitstelle. Die Verband-Steuerung kann Informationen von den einzelnen Lokomotiven des Zuges empfangen und Signale an diese senden. Die Verband-Steuerung kann beispielsweise Signale von einer Vielzahl von Sensoren im Zug empfangen und den Zugbetrieb entsprechend anpassen. Die Verband-Steuerung kann an jede Motorsteuerung gekoppelt sein, um den Motorbetrieb jeder Lokomotive anzupassen.
  • Wie unter Bezugnahme auf die 4-5 erläutert, kann jede Motorsteuerung einen aktuellen Motorzustand ermitteln und ein AFR einstellen. Die Einstellungen für mindestens eines der Elemente Abgasrückführung (AGR), Wastegate-Stellung, Einspritzzeitpunkt und Substitutionsverhältnis können angepasst werden, um das AFR einzustellen. Die vorgenannten Einstellungen können auf Grundlage von Luftdruck, Umgebungstemperatur, Luftfeuchte, Motordrehzahl, Motorleistung, Krümmer-Lufttemperatur und Krümmer-Luftdruck angepasst werden. Wie oben beschrieben, entspricht das Substitutionsverhältnis der Substitution eines zweiten Kraftstoffs mit einem ersten Kraftstoff. In einem Betriebsmodus kann der Motor nur den zweiten Kraftstoff verbrennen. In anderen Betriebsmodi kann der Motor jedoch eine Vielstoffverbrennung durchführen. Der Wechsel zwischen den Betriebsarten kann beispielsweise erfolgen, um eine oder mehrere Emissionstypen zu verringern, die Verbrennungskosten zu senken, den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, eine geringe Verfügbarkeit eines oder mehrerer Kraftstoffe zu berücksichtigen und ähnliches. Der erste und der zweite Kraftstoff können aus Benzin, Diesel, Alkohol(en), Ethern, Ammoniak, Wasserstoff, Erdgas, Kerosin, Synthesegas und dergleichen ausgewählt sein. Geeigneter Dieselkraftstoff kann regulären Diesel, mittels Hydrierung gewonnenen, erneuerbaren Diesel (HDRD) und Biodiesel umfassen. Bei einer Ausführungsform kann das Antriebssystem um eine Brennstoffzelle und/oder einer Energiespeichervorrichtung ergänzt werden, die/der elektrische Energie für die Fahrmotoren aufnimmt und/oder bereitstellt. Bei der vorliegende beschriebenen Ausführungsform ist der zweite Kraftstoff Diesel und der erste Kraftstoff ist Wasserstoff.
  • Der Zug kann mindestens einen Kraftstofftender aufweisen, der einen oder mehrere Kraftstoffspeichertanks 162 tragen kann und einen Controller 164 beinhaltet. Der Kraftstofftender kann vor der Remote-Lokomotive 106 positioniert sein, in anderen Beispielen kann er sich aber auch an anderen Stellen des Zuges befinden.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Kraftstofftender nicht-angetrieben sein, zum Beispiel ohne Motor oder elektrische Fahrmotoren (zum Beispiel die in 2 dargestellten elektrischen Fahrmotoren 124). Bei anderen Ausführungsformen kann der Kraftstofftender jedoch für den Vortrieb angetrieben werden. Wie in 3 dargestellt, kann der Kraftstofftender beispielsweise einen Motor 302 beinhalten. Der Motor des Kraftstofftenders kann den im Kraftstoffspeichertank gelagerten Kraftstoff und/oder den in einem anderen Fahrzeug des Zuges gelagerten Kraftstoff verbrennen.
  • Der oder die Kraftstoffspeichertanks des Kraftstofftenders können so aufgebaut sein, dass sie eine bestimmte Art von Kraftstoff speichern können. Bei einer Ausführungsform kann der Kraftstoffspeichertank für die kryogene Speicherung von Flüssigerdgas (LNG) geeignet sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Kraftstoffspeichertank einen bei Umgebungstemperatur und -druck flüssigen Kraftstoff, wie Diesel oder Ammoniak speichern. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Kraftstoffspeichertank einen Kraftstoff in Form eines komprimierten Gases speichern, zum Beispiel Wasserstoff oder Erdgas. In jedem Fall kann der Kraftstofftender mit verschiedenen Mechanismen und Vorrichtungen für die Lagerung des jeweiligen Kraftstoffs ausgestattet sein. Weitere Einzelheiten des Kraftstofftenders sind weiter unten unter Bezugnahme auf 3 gezeigt.
  • Bei manchen Beispielen kann es sein, dass der Kraftstoff nur im Kraftstofftender gelagert ist. Bei anderen Beispielen kann der Kraftstoff jedoch sowohl im Kraftstofftender als auch in einer oder mehreren Lokomotiven gelagert werden, zum Beispiel wie in 2 dargestellt. Darüber hinaus kann der Kraftstofftender in einigen Fällen ein Brennstoffzellensystem besitzen. Das Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffzelle und einen oder mehrere Tanks mit Wasserstoff aufweisen.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel 200 einer Lokomotive als Teil eines Zuges, der über eine Vielzahl von Rädern 116 auf einem Gleis 114 fahren kann. Die Antriebskraft für die Lokomotive kann zumindest teilweise vom Motor geliefert werden. Der Motor nimmt Ansaugluft für die Verbrennung aus einem Ansaugtrakt 118. Der Ansaugtrakt erhält Umgebungsluft von einem Luftfilter (nicht dargestellt), der Luft von außerhalb der Lokomotive filtert. Das bei der Verbrennung im Motor entstehende Abgas wird an einen Auslasstrakt 120 zugeführt. Die Abgase strömen durch den Auslasstrakt und aus einem Rauchfang (nicht abgebildet) der Lokomotive.
  • Bei einer Ausführungsform wird der Motor als Kompressionszündungsmotor betrieben, der mindestens einen Kraftstofftyp verbrennen kann. Der Kompressionszündungsmotor kann den Kraftstoff gemäß einer Vielzahl von Verfahren weiter verbrennen. Genauer kann der Kompressionszündungsmotor Verbrennungsstrategien zur Senkung der Verbrennungstemperatur nutzen, wodurch die NOx- und Feinstaubemissionen verringert werden können. Wenn beispielsweise der Luftdurchsatz größer ist als ein erster Kraftstoff/Luft-Schwellenwert und das Substitutionsverhältnis größer ist als ein erster Substitutionsschwellenwert, kann der Motor den Kraftstoff mittels homogener Kompressionszündung (HCCI) verbrennen, bei der ein gut gemischter Kraftstoff und ein Oxidationsmittel (zum Beispiel Luft) verdichtet werden können, um sich selbst zu entzünden. Auf diese Weise können magere Gemische verbrannt werden, was die NOx-Bildung weiter unterdrückt. Als weiteres Beispiel kann der Vielstoffmotor Kraftstoff mittels Vorgemisch-Kompressionszündung (PCCI) verbrennen, wenn das AFR kleiner als ein zweiter Kraftstoff/Luft-Schwellenwert ist und das Substitutionsverhältnis kleiner als ein zweiter Substitutionsschwellenwert ist. Der erste Kraftstoff/Luft-Schwellenwert kann größer sein als der zweite Kraftstoff/Luft-Schwellenwert (zum Beispiel ist eine Luftmenge bei dem ersten Kraftstoff/Luft-Schwellenwert größer als eine Luftmenge bei dem zweiten AFR). Der erste Substitutionsschwellenwert ist größer als der zweite Substitutionsschwellenwert (zum Beispiel ist eine Menge des ersten Kraftstoffs am ersten Substitutionsschwellenwert größer als eine Menge des Kraftstoffs am zweiten Substitutionsschwellenwert). Die Verbrennung mittels PCCI kann der Verbrennung mit HCCI ähnlich sein, kann aber eine größere Motorbetriebsspanne, eine höhere Klopfneigung und eine bessere Kontrolle über die Verbrennungsparameter aufweisen. Bei der PCCI-Verbrennung ist das Kraftstoff/LuftGemisch möglicherweise nicht ganz homogen. Dadurch kann der Kraftstoff durch Advanced direct injection, Late direct injection und Saugrohreinspritzung eingespritzt werden. Infolgedessen kann die Kraftstoffeinspritzung vor Beginn der Verbrennung abgeschlossen sein, wodurch die Feinstaubemissionen verringert werden, während die Abgasrückführung (AGR) zur Senkung der NOx-Emissionen beitragen kann.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird der Motor als Fremdzündungsmotor betrieben. Der Motor kann entweder als Selbstzündungs- oder als Fremdzündungsmotor nur einen bestimmten Kraftstofftyp verbrennen, oder er kann in der Lage sein, zwei oder mehr Kraftstofftypen verbrennen, wie zum Beispiel ein Vielstoffmotor. So können die verschiedenen Kraftstofftypen einzeln oder gemeinsam, zum Beispiel gleichzeitig, im Motor verbrannt werden. Bei einer Ausführungsform kann der Vielstoffmotor ein Dual-Fuel-Motor sein. Wie in 2 dargestellt, kann der Zweistoffmotor einen ersten Kraftstoff aus einem ersten Kraftstoffreservoir 134 und einen zweiten Kraftstoff aus einem zweiten Kraftstoffreservoir 136 erhalten.
  • Obgleich die Lokomotive in 2 mit zwei Kraftstoffreservoirs ausgestattet ist, kann die Lokomotive Bei anderen Ausführungsformen auch nur ein Kraftstoffreservoir oder gar kein Kraftstoffreservoir beinhalten. Zum Beispiel kann mindestens eines der Kraftstoffreservoirs am Kraftstofftender gelagert sein, zum Beispiel dem Kraftstofftender aus 1. Alternativ kann mindestens ein zusätzlicher Kraftstoff, zum Beispiel ein dritter Kraftstoff, zusätzlich zu dem ersten Kraftstoff im ersten Kraftstoffreservoir und dem zweiten Kraftstoff im zweiten Kraftstoffreservoir der Lokomotive im Kraftstofftender gelagert werden. Bei einer Ausführungsform können in der Lokomotive Kraftstoffe gelagert werden, die bei Umgebungsdruck und -temperatur ohne zusätzliche Ausrüstung oder spezielle Speichertankkonfigurationen gelagert werden können. Kraftstoffe, die eine spezielle Ausrüstung erfordern, zum Beispiel für die Lagerung unter kryogenem oder hohem Druck, können an Bord des Kraftstofftenders gelagert werden. In anderen Fällen können sowohl die Lokomotive als auch der Kraftstofftender Kraftstoffe lagern, für die keine spezielle Ausrüstung erforderlich ist.
  • Bei den ersten und zweiten Kraftstoffen (zum Beispiel den im Zug gelagerten Kraftstoffen) kann es sich um eine beliebige Anzahl verschiedener Kraftstofftypen handeln. So kann es sich beispielsweise um Kraftstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis handeln, wie Diesel, Erdgas, Methanol, Ethanol, Dimethylether (DME) und so weiter. Alternativ kann es sich bei den Kraftstoffen auch um Nicht-Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe handeln, wie Wasserstoff, Ammoniak usw. Die oben aufgeführten Kraftstoffe sind nicht-beschränkende Beispiele für Kraftstoffe, die im Motor verbrannt werden können, und es sind verschiedene andere Arten von Kraftstoffen möglich.
  • Außerdem kann jeder der gelagerten Kraftstoffe ein gasförmiger oder ein Flüssigkraftstoff sein. Verbrennt ein Kompressionszündungsmotor also nur einen Kraftstofftyp, kann der Motor einen gasförmigen oder einen Flüssigkraftstoff verbrauchen. Handelt es sich bei dem Kompressionszündungsmotor um einen Vielstoffmotor, kann der Motor nur Flüssigkraftstoffe, nur gasförmige Kraftstoffe oder eine Kombination aus flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen verbrennen. Wenn ein Fremdzündungsmotor einen einzigen Kraftstofftyp verbrennt, kann der Motor ebenfalls entweder einen gasförmigen oder einen Flüssigkraftstoff verbrauchen. Ein Vielstoff-Ottomotor kann nur Flüssigkraftstoffe, nur gasförmige Kraftstoffe oder eine Kombination aus Flüssig- und gasförmigen Kraftstoffen verbrennen.
  • Sowohl bei der Fremdzündungs- als auch bei der Kompressionszündungs-Vielstoffmotorenkonfiguration kann der Motor Kraftstoffkombinationen auf unterschiedliche Art und Weise verbrennen. Beispielsweise kann ein Kraftstofftyp ein erster Verbrennungskraftstoff und ein anderer Kraftstofftyp ein zweiter, additiver Kraftstoff sein, der unter bestimmten Bedingungen zur Anpassung der Verbrennungseigenschaften verwendet wird. Beim Anlassen des Motors kann ein Kraftstoffverbrennungsgemisch beispielsweise einen geringeren Anteil an Diesel beinhalten, um die Zündung einzuleiten, während Wasserstoff einen größeren Anteil des Gemischs ausmachen kann. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Kraftstoff für die Voreinspritzung vor der Einspritzung des ersten Verbrennungskraftstoffs verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Substitutionsverhältnis auf Grundlage einer oder mehrerer Bedingungen festgelegt werden, um die Menge des kohlenstofffreien Kraftstoffs zu erhöhen und so die Kohlenstoffemissionen zu verringern. Das Verhältnis des verwendeten kohlenstofffreien Kraftstoffs kann auf Grundlage des gewünschten Zündzeitpunkts eingestellt werden, wobei der gewünschte Zündzeitpunkt auf der Motorlast, der Ansaugkrümmertemperatur und dem Ansaug-Krümmerdruck sowie der Zündwilligkeit des Kraftstoffgemischs basiert, wie hierin weiter beschrieben.
  • Der Motor kann als Vielstoffmotor verschiedene Kombinationen der Kraftstoffe verbrennen, und die Kraftstoffe können vor der Verbrennung vorgemischt oder nicht vorgemischt werden. In einem Beispiel können der erste Kraftstoff und der zweite Kraftstoff einzeln in den Zylinder eingeleitet werden, der Luft enthalten kann, die mit dem Kraftstoff verbrannt werden soll. Sowohl der erste als auch der zweite Kraftstoff können sich mit der Luft in unterschiedlichem Maße vermischen. So kann sich beispielsweise der erste Kraftstoff stärker mit Luft vermischen als der zweite Kraftstoff. So kann bei einem Beispiel das Vermischen einer Menge des ersten Kraftstoffs und einer Menge des zweiten Kraftstoffs zur Verbrennung eines Kraftstoffgemischs mit einem bestimmten Kraftstoffverhältnis des ersten Kraftstoffs in Bezug auf den zweiten Kraftstoff das Vermischen des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs im Zylinder umfassen.
  • Bei einer Ausführungsform kann der erste Kraftstoff Wasserstoff und der zweite Kraftstoff Diesel sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann der erste Kraftstoff Ammoniak und der zweite Kraftstoff Diesel sein. Weitere Kombinationen sind möglich, wenn ein dritter Kraftstoff am Kraftstofftender gelagert wird. So kann beispielsweise LNG im Kraftstofftender gelagert werden, und der Motor kann LNG und Wasserstoff, LNG, Diesel und Wasserstoff oder LNG, Ammoniak und Wasserstoff verbrennen. Es sind also zahlreiche Kombinationen von Kraftstofftypen möglich, wobei die Kombinationen auf Grundlage der Kompatibilität der Kraftstoffe festgelegt werden können. Analog kann die Art und Weise, wie die Kraftstoffe zur Verbrennung an den Motor zugeführt werden, von Eigenschaften des Kraftstofftyps abhängen.
  • Wenn es sich um einen Motor mit Einzelverbrennung (entweder mit Fremdzündung oder mit Selbstzündung) handelt, kann der Motor einen einzelnen Flüssigphasenkraftstoff verbrauchen. So kann der Motor beispielsweise Diesel, Wasserstoff, Ammoniak, Flüssiggas oder einen anderen Flüssigkraftstoff verbrennen. Ebenso kann der Motor einen einzelnen gasförmigen Kraftstoff, wie Wasserstoff oder einen anderen gasförmigen Kraftstoff, verbrennen.
  • Ein Kraftstoff, der an Bord in einem bestimmten physikalischen Zustand, zum Beispiel gasförmig oder flüssig, gelagert wird, kann dem Motor in demselben oder einem anderen Zustand zugeführt werden. LNG kann beispielsweise kryogen in der Flüssigphase gelagert werden, aber vor der Einspritzung in den Motor in die Gasphase übergehen, zum Beispiel in einer Wiederverdampfungsanlage im Kraftstofftender. Andere Kraftstoffe hingegen können als Flüssigkeit gelagert und als Flüssigkeit eingespritzt oder als Gas gelagert und als Gas eingespritzt werden.
  • Kraftstoffe können beispielsweise entsprechend mit mehr als einer Einspritztechnik in den Motor eingespritzt werden. Bei einer Ausführungsform können einer oder mehrere der Kraftstoffe über ein indirektes Einspritzverfahren, wie zum Beispiel die Saugrohreinspritzung, in die Motorzylinder zugeführt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann mindestens einer der Kraftstoffe durch Direkteinspritzung in die Motorzylinder eingeleitet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann mindestens einer der Kraftstoffe durch zentrale Saugrohreinspritzung eingespritzt werden. Der Motor kann die Kraftstoffe ausschließlich durch indirekte Einspritzung, ausschließlich durch direkte Einspritzung oder durch eine Kombination aus indirekter und direkter Einspritzung erhalten. Beispielsweise können die Kraftstoffe bei niedriger Last über die Saugrohreinspritzung und bei hoher Last über die Direkteinspritzung eingespritzt werden. Insbesondere, wenn einer der Kraftstoffe ein gasförmiger Kraftstoff ist, kann eine Vorgemischbildung des gasförmigen Kraftstoffs über die Saugrohreinspritzung gewünscht sein. Die Kraftstoffe können auch vorgemischt werden, wenn sie durch zentrale Saugrohreinspritzung zugeführt werden. Eine Vorgemischbildung durch Direkteinspritzung ist möglich, zum Beispiel durch Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs während eines Ansaugtakts der Motorzylinder. Zusätzlich oder alternativ kann der Ort der Einspritzung eines oder mehrerer Kraftstoffe von der Zündwilligkeit eines Kraftstoffs abhängen. So kann beispielsweise Ammoniak indirekt eingespritzt und mit Ladeluft und/oder AGR vorgemischt werden, um die Zündwilligkeit und Verdampfung desselben zu verbessern. In einem anderen Beispiel können, wie oben beschrieben, der erste und der zweite Kraftstoff unabhängig voneinander in den Zylinder eingespritzt werden und sich somit unabhängig voneinander mit der Luft im Zylinder und mit dem anderen eingespritzten Kraftstoff (zum Beispiel dem ersten oder dem zweiten Kraftstoff) vermischen.
  • Während des Betriebs kann jeder Zylinder im Motor einen Viertaktzyklus durch Betätigung des Kolbens entlang einer Achse ausführen. Der Zyklus umfasst den Ansaugtakt, den Verdichtungstakt, den Arbeitstakt und den Ausstoßtakt. Während des Ansaugtakts kann sich das Auslassventil schließen und das Einlassventil öffnen. Über den Ansaugkrümmer wird Luft in den Brennraum eingeleitet, und der Kolben bewegt sich zum Boden des Zylinders, um das Volumen im Brennraum zu vergrößern. Die Position, in der sich der Kolben in der Nähe des Zylinderbodens und am Ende seines Hubs befindet (zum Beispiel wenn der Brennraum sein größtes Volumen erreicht hat), wird von einem Fachmann als unterer Totpunkt (bottom dead center, BDC) bezeichnet. Während des Verdichtungstakts sind das Einlassventil und das Auslassventil geschlossen. Der Kolben bewegt sich in Richtung des Zylinderkopfs, um die Luft im Brennraum zu verdichten. Der Punkt, an dem sich der Kolben am Ende seines Hubs befindet und dem Zylinderkopf am nächsten ist (zum Beispiel wenn der Brennraum sein kleinstes Volumen hat), wird von einem Fachmann als oberer Totpunkt (Top Dead Center, TDC) bezeichnet. Bei einem Verfahren, das im Folgenden als Direkteinspritzung bezeichnet wird, wird der Kraftstoff in den Brennraum eingeleitet. In einigen Ausführungsformen kann der Kraftstoff während eines einzelnen Zylindertakts mehrmals in den Zylinder eingespritzt werden. In einem nachfolgend als Zündung bezeichneten Prozess wird der eingespritzte Kraftstoff durch Selbstzündung entzündet, was zu einer Verbrennung führt. Während des Expansionshubs drücken die expandierenden Gase den Kolben zurück zum oberen Totpunkt. Die Kurbelwelle wandelt die Kolbenbewegung in ein Drehmoment der Drehwelle um. Während des Ausstoßtakts öffnet sich schließlich das Auslassventil, um das verbrannte Kraftstoff/Luft-Gemisch in den Auslasskrümmer freizusetzen, und der Kolben kehrt zum TDC zurück. Der Einspritzzeitpunkt kann variieren, zum Beispiel um den Einspritzzeitpunkt vorzuverlegen oder zu verzögern, um die Emissionen zu verringern. Der Einspritzzeitpunkt kann beispielsweise auf der Position des Kolbens während des Motortakts basieren und in der Nähe des oberen Totpunkts des Verdichtungshubs liegen. Ein vorverlagerter Einspritzzeitpunkt kann darin bestehen, dass der Einspritzzeitpunkt vor den oberen Totpunkt des Verdichtungstakts verschoben wird, und ein verzögerter Einspritzzeitpunkt kann darin bestehen, dass der Einspritzzeitpunkt hinter den oberen Totpunkt des Verdichtungstakts verschoben wird. Bei manchen Ausführungsformen kann der nominale Einspritzzeitpunkt nach dem TDC des Kompressionshubs (zum Beispiel zu Beginn des Expansionshubs) und der verzögerte Einspritzzeitpunkt, wenn sich der Kolben während des Expansionshubs dem TDC nähert, erfolgen. Ferner kann in einigen Beispielen ein Zweitaktzyklus anstelle eines Viertaktzyklus verwendet werden.
  • Jeder Einspritztyp kann die Einspritzung von gasförmigen oder Flüssigkraftstoffen umfassen. Einige Einspritzverfahren können jedoch für bestimmte Kraftstoffe besser geeignet sein, je nach den spezifischen Eigenschaften des jeweiligen Kraftstoffs. So kann beispielsweise Wasserstoff über die Saugrohreinspritzung oder die Direkteinspritzung eingespritzt werden. Flüssigphasenkraftstoffe, wie Diesel, können durch Direkteinspritzung eingespritzt werden. Ammoniak und Erdgas können jeweils selektiv durch Saugrohreinspritzung oder Direkteinspritzung eingespritzt werden. In ähnlicher Weise können Kraftstoffe wie Methanol und Ethanol entweder über eine Saugrohreinspritzung oder eine Direkteinspritzung eingespritzt werden. In einigen Fällen kann der Motor über Kraftstoffinjektoren verfügen, die zwischen der Einspritzung von gasförmigen und Flüssigkraftstoffen umschalten können.
  • Die von dem Dual-Fuel-Motor verbrannten Kraftstoffe, ob in der Gasphase oder in der Flüssigphase, können je nach Kraftstoffart vor der Verbrennung vorgemischt werden oder nicht. Je nach Betriebsbedingungen kann zum Beispiel eine Vorgemischbildung von Wasserstoff, Erdgas, Ammoniak, Methanol, Ethanol und DME gewünscht sein. Unter anderen Betriebsbedingungen kann es sein, dass Kraftstoffe wie Diesel, Wasserstoff, Erdgas, Methanol und Ethanol nicht vorgemischt werden. Die Vorgemischbildung der Kraftstoffe kann die Einspritzung von mindestens einem der Kraftstoffe in einen Einlasskrümmer oder einen Einlassstutzen umfassen, wo sich der Kraftstoff mit Luft vermischen kann, bevor er in einen Zylinder gelangt. Als weiteres Beispiel kann jeder der Kraftstoffe über einen Stutzen eingespritzt werden, so dass sich die Kraftstoffe vor der Verbrennung miteinander und mit der Luft vermischen können. Bei anderen Ausführungsformen kann der Kraftstoff bzw. können die Kraftstoffe in eine Vorverbrennungskammer eingespritzt werden, die fluidisch mit einem Zylinderkopf verbunden ist, wobei sich der erste und der zweite Kraftstoff unabhängig voneinander in der Vorverbrennungskammer mit Luft und untereinander vermischen können, bevor sie zum Zylinderkopf strömen. Ferner können der erste Kraftstoff und der zweite Kraftstoff unabhängig voneinander in den Zylinderkopf eingespritzt werden und sich unabhängig voneinander mit Luft und untereinander vermischen.
  • Das Substitutionsverhältnis der Kraftstoffe für die Mitverbrennung kann je nach Betriebsbedingungen variieren. Handelt es sich beispielsweise bei dem ersten Kraftstoff um Wasserstoff und bei dem zweiten Kraftstoff um Diesel, kann das Wasserstoff/Diesel-Verhältnis als Reaktion auf einen Anstieg des Leistungsbedarfs des Motors verringert werden. In einigen Fällen kann das Verhältnis so eingestellt werden, dass nur einer der Kraftstoffe im Motor verbrannt wird. Das Substitutionsverhältnis kann in Abhängigkeit vom AFR variieren, so dass das Substitutionsverhältnis auf ein maximales Substitutionsverhältnis (zum Beispiel eine maximale Menge an Wasserstoff, die mit Diesel verbrannt wird) erhöht werden kann, wenn das AFR über die Einstellung der Betriebsparameter angepasst wird. Bei einer Ausführungsform kann das maximale Substitutionsverhältnis eine Menge an Wasserstoff (zum Beispiel anstelle von Diesel) sein, oberhalb derer die gewünschte Motorleistung nicht erreicht werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform kann das maximale Substitutionsverhältnis eine Wasserstoffmenge sein, bei deren Überschreitung Motorklopfen auftritt oder die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen über eine Klopfschwelle hinaus erhöht wird.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der Motor mit einem Stromerzeugungssystem gekoppelt, das eine Lichtmaschine/Generator 122 und die elektrischen Fahrmotoren aufweist. Der Motor erzeugt beispielsweise ein Drehmoment, das an die Lichtmaschine/Generator übertragen wird, die/der mechanisch mit dem Motor verbunden ist. Die Lichtmaschine/Generator erzeugt elektrische Energie, die gespeichert und anschließend an eine Vielzahl nachgeschalteter elektrischer Bauteile weitergegeben werden kann. Beispielsweise kann die Lichtmaschine/Generator elektrisch an die 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 Ausführungsform der Lokomotivkonfiguration umfasst einen Fahrmotor pro Rad. Wie hier dargestellt, entsprechen sechs Paare von Fahrmotoren jedem der sechs Räderpaare der Lokomotive.
  • Der Motor kann einen oder mehrere Turbolader 126 haben, die zwischen dem Ansaugtrakt und dem Auslasstrakt angeordnet sind. Der Turbolader lädt die in den Ansaugtrakt angesaugte Umgebungsluft auf, um während der Verbrennung eine höhere Ladungsdichte zu erzielen (zum Beispiel um die Menge der Ladeluft zu erhöhen) und so die Leistung und/oder den Wirkungsgrad des Motors zu steigern. Der Turbolader kann einen Verdichter (nicht dargestellt) aufweisen, 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 umfassen. In einem Beispiel kann der Turbolader ein Turbolader mit variabler Geometrie sein. So kann das Querschnittsverhältnis des Turboladers je nach Betriebsbedingungen variiert werden, wodurch der Wirkungsgrad bei hohen Motordrehzahlen erhöht und das Turboloch verringert wird. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen ein Wastegate 171 vorgesehen sein, durch das Abgase am Turbolader vorbeigeleitet werden können. Das Wastegate kann zum Beispiel geöffnet werden, um den Abgasstrom von der Turbine wegzuleiten. Auf diese Weise lässt sich die Drehzahl des Verdichters und damit der vom Turbolader an den Motor abgegebene Ladedruck steuern. Handelt es sich bei dem Turbolader um einen Turbolader mit variabler Geometrie, kann die Einstellung der Turbinengeometrie mit dem Öffnen/Schließen des Wastegates koordiniert werden, um eine gewünschte Wirkung auf die Ladeluftzufuhr zum Motor zu erzielen. In einigen Ausführungsformen kann ein E-Turbo beinhaltet sein. Bei dem E-Turbo kann es sich um einen Elektromotor handeln, der an eine Welle des Turboladers gekoppelt ist und dem Turbolader überschüssige Abgasenergie entzieht und/oder den Verdichter antreibt, um den Luftstrom zu erhöhen. Ist der E-Turbo vorhanden, kann der Controller den E-Turbo zur Steuerung der Turbinendrehzahl verwenden, indem es ein zusätzliches Drehmoment auf Kosten von Strom erzeugt oder das System mit dem E-TurboMotor dynamisch abbremst, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Der Motor kann ein Abgasrückführungssystem (AGR) 170 besitzen. Das AGR-System kann Abgas aus dem Auslasstrakt stromaufwärts des Turboladers in den Ansaugtrakt stromabwärts des Turboladers leiten. Das AGR-System weist eine AGR-Passage 172 und ein AGR-Ventil 174 zur Steuerung der Abgasmenge, die aus dem Auslasstrakt des Motors in den Ansaugtrakt des Motors zurückgeführt wird. Durch das Einleiten von Abgas in den Motor wird die Menge des für die Verbrennung verfügbaren Sauerstoffs verringert, wodurch die Verbrennungsflammentemperatur gesenkt und die Bildung von Stickoxiden (zum Beispiel NOx) verringert wird. Durch Anpassen der Abgasrückführung wird also der für die Verbrennung verfügbare Oxidationsmittelgehalt angepasst. Das AGR-Ventil kann ein AN/AUS-Ventil sein, das von der Lokomotiven-Steuerung gesteuert wird, oder es kann beispielsweise eine variable Menge an AGR steuern.
  • Das AGR-System kann ferner einen AGR-Kühler 176 aufweisen, um die Temperatur des Abgases zu senken, bevor es in den Ansaugtrakt eintritt. Wie in dem nicht-beschränkenden Ausführungsbeispiel aus 2 dargestellt, ist das AGR-System ein Hochdruck-AGR-System. Bei anderen Ausführungsformen kann die Lokomotive zusätzlich oder alternativ ein Niederdruck-AGR-System aufweisen, das das AGR von einer Stelle stromabwärts des Turboladers zu einer Stelle stromaufwärts des Turboladers leitet. Darüber hinaus kann das AGR-System ein Spenderzylinder-AGR-System sein, bei dem ein oder mehrere Zylinder Abgase nur in die AGR-Passage und dann in den Ansaugtrakt leiten.
  • Das Motorsystem kann ferner mehrere Verfahren zur Bereitstellung von AGR umfassen. AGR wird hier als Abgas aus einem vorangegangenen Zyklus definiert, das von einem oder mehreren Zylindern für einen nachfolgenden Verbrennungsvorgang zurückgehalten oder wieder aufgenommen wird. Das AGR kann über einen speziellen Spenderzylinder, eine angepasste Auslassventilsteuerung und/oder die AGR-Passage bereitgestellt werden. Der Spenderzylinder kann Abgase aus seinem Inneren ausstoßen und die Abgase zu einem anderen Zylinder leiten, der fluidisch mit ihm verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Spenderzylinder Abgase direkt in die AGR-Passage ausstoßen und so den für die Verbrennung verfügbaren Oxidationsmittelgehalt einstellen. Die angepasste Auslassventilsteuerung kann umfassen, dass sich eine Auslassventilöffnung mit einer Einlassventilöffnung überschneidet, was dazu führt, dass ein Unterdruck im Zylinder die ausgestoßenen Abgase zurück in den Zylinder zieht. Die AGR-Rate kann über den/die Spenderzylinder, die angepasste Auslassventilsteuerung und/oder die Ventilstellung in der AGR-Passage eingestellt werden. Die Anpassung der Ventilsteuerzeiten kann beispielsweise eine Änderung des Zeitpunkts des Öffnens/Schließens der Einlass- und Auslassventile am Motor in Bezug auf den Zylindertakt beinhalten.
  • Die Lokomotive kann ein Abgasbehandlungssystem aufweisen, das in den Auslasstrakt gekoppelt ist, um die gesteuerten Emissionen zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform kann das Abgasbehandlungssystem einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 130 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 132 aufweisen. Der Katalysator kann Abgasbestandteile oxidieren und dadurch die Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und Feinstaubemissionen verringern. Der DPF kann den bei der Verbrennung entstehenden Feinstaub (zum Beispiel Ruß) abfangen. Geeignete Katalysatoren können aus Keramik oder Cermet hergestellt werden. Geeignetes Material kann Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid sein. Bei anderen Ausführungsformen kann das Abgasbehandlungssystem zusätzlich einen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator), einen Dreiwegekatalysator, eine NOx -Falle, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen dieser aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Abgasbehandlungssystem stromaufwärts des Turboladers positioniert sein, während bei anderen Ausführungsformen das Abgasbehandlungssystem stromabwärts des Turboladers positioniert sein kann.
  • Die Lokomotive kann einen Fahrstufenregler 142 beinhalten, der an den Motor gekoppelt ist, um die Leistungsstufen anzuzeigen. In dieser Ausführungsform kann der Fahrstufenregler eine Vielzahl von Fahrstufen aufweisen. Jede Fahrstufe kann einer bestimmten diskreten Leistungsstufe entsprechen, wie zum Beispiel einem bekannten Spitzenwirkungsgrad-Betriebspunkt. Die Leistungsstufe gibt die an der Lokomotive anliegende Lastmenge oder Motorleistung an, und steuert die Geschwindigkeit, mit der die Lokomotive fährt. Obwohl in der Ausführungsform aus 2 acht Fahrstufeneinstellungen dargestellt sind, kann der Fahrstufenregler bei anderen Ausführungsformen mehr als acht Stufen oder weniger als acht Stufen sowie Stufen für den Leerlauf und den dynamischen Bremsbetrieb aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Fahrstufeneinstellung von einem menschlichen Bediener der Lokomotive gewählt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Verband-Steuerung einen Fahrplan bestimmen (zum Beispiel kann ein Fahrplan mit Hilfe einer Fahrplanoptimierungssoftware wie dem Trip Optimizer System (erhältlich von Wabtec Corporation) erstellt werden und/oder ein Lastverteilungsplan kann mit Hilfe einer Verband-Optimierungssoftware wie etwa Consist Manager (erhältlich von Wabtec Corporation) erstellt werden, einschließlich der Fahrstufeneinstellungen auf Grundlage der Betriebsbedingungen des Motors und/oder der Lokomotive, wie im Folgenden näher erläutert wird.
  • Die Motorsteuerung kann verschiedene Komponenten der Lokomotive steuern. Beispielsweise können verschiedene Komponenten der Lokomotive über einen Kommunikationskanal oder Datenbus mit der Motorsteuerung verbunden sein. In einem Beispiel umfassen die Motorsteuerung und die Verband-Steuerung jeweils ein Computersteuersystem. Die Motorsteuerung und die Verband-Steuerung können zusätzlich oder alternativ einen Speicher mit nicht übertragbaren, computerlesbaren Speichermedien (nicht dargestellt) beinhalten, die einen Code zur Überwachung und Steuerung des Lokomotivbetriebs an Bord beinhalten. Die Motorsteuerung kann zum Beispiel über einen digitalen Kommunikationskanal oder Datenbus mit der Verband-Steuerung verbunden sein.
  • Sowohl die Motorsteuerung als auch die Verband-Steuerung können Informationen von einer Vielzahl von Sensoren empfangen und Steuersignale an eine Vielzahl von Stellgliedern senden. Die Motorsteuerung kann, während es die Steuerung und das Management der Lokomotive überwacht, Signale von einer Vielzahl von Motorsensoren 150, wie hier weiter ausgeführt, empfangen, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu bestimmen und dementsprechend verschiedene Motorstellglieder 152 zu verstellen, um den Betrieb der Lokomotive zu steuern. Beispielsweise kann die Motorsteuerung Signale von verschiedenen Motorsensoren empfangen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Motordrehzahl, Motorlast, Ansaugkrümmerluftdruck, Ladeluftdruck, Abgasdruck, Umgebungsdruck, Umgebungstemperatur, Abgastemperatur, Motortemperatur, Abgassauerstoffgehalt usw. Die Motorsensoren können einen oder mehrere Klopfsensoren 173 aufweisen, die an die Brennräume des Motors verbunden sind. Die Klopfsensoren können Vibrationen und Geräusche aus den Brennräumen detektieren und die Vibrationen und Geräusche in elektronische Signale umwandeln, die an die Motorsteuerung weitergeleitet werden. Die Motorsteuerung kann die Lokomotive steuern, indem er Befehle an verschiedene Bauteile sendet, zum Beispiel an die elektrischen Fahrmotoren, die Lichtmaschine/den Generator, die Zylinderventile, die Kraftstoffeinspritzdüsen, den Fahrstufenregler und so weiter. Andere Stellglieder können an verschiedenen Stellen der Lokomotive gekoppelt sein.
  • Die Verband-Steuerung kann einen Kommunikationsabschnitt beinhalten, der betriebswirksam an einen Steuersignalabschnitt gekoppelt ist. Der Kommunikationsabschnitt kann Signale von Lokomotivsensoren empfangen, einschließlich Lokomotivpositionssensoren (zum Beispiel GPS-Gerät), Sensoren für Umgebungsbedingungen (zum Beispiel zum Erfassen von Höhe, Umgebungsluftfeuchte, Temperatur und/oder Luftdruck o. Ä.), Lokomotivkupplungskraftsensoren, Gleisneigungssensoren, Lokomotivenfahrstufen, Bremspositionssensoren usw. Verschiedene andere Sensoren können an verschiedenen Stellen in der Lokomotive gekoppelt sein. Der Steuersignalabschnitt kann Steuersignale erzeugen, um verschiedene Stellglieder der Lokomotive anzusteuern. Zu den Stellgliedern der Lokomotive können beispielsweise pneumatische Bremsen, Bremsluftkompressoren, Fahrmotoren usw. gehören. Andere Stellglieder können an verschiedenen Stellen der Lokomotive gekoppelt sein. Die Verband-Steuerung kann Eingaben von den verschiedenen Sensoren der Lokomotive empfangen, die Daten verarbeiten und die Stellglieder der Lokomotive als Reaktion auf die verarbeiteten Eingabedaten auf Grundlage von Befehlen oder Codes auslösen, die darin entsprechend einer oder mehrerer Routinen programmiert sind. Darüber hinaus kann die Verband-Steuerung Motordaten (die von den verschiedenen Motorsensoren, zum Beispiel einem Motorkühlmitteltemperatursensor, ermittelt werden) von der Motorsteuerung empfangen, die Motordaten verarbeiten, die Einstellungen der Motorstellglieder bestimmen und Anweisungen oder Codes zum Auslösen der Motorstellglieder auf Grundlage von durch die Steuerung ausgeführten Routinen zurück an die Motorsteuerung übertragen (zum Beispiel herunterladen).
  • So kann die Verband-Steuerung beispielsweise einen Fahrplan zur Verteilung der Last auf alle Lokomotiven im Zug auf Grundlage der Betriebsbedingungen festlegen. Unter bestimmten Bedingungen kann die Verband-Steuerung die Last ungleich verteilen, d.h. einige Lokomotiven können mit einer höheren Leistungseinstellung oder einer höheren Drosseleinstellung betrieben werden als andere Lokomotiven. Die Lastverteilung kann auf einer Vielzahl von Faktoren basieren, wie zum Beispiel Kraftstoffverbrauch, Kopplungskräfte, Tunnelbetrieb, Steigung usw. In einem Beispiel kann die Lastverteilung auf Grundlage einer Verteilung des Lokomotivenverbands, zum Beispiel einer Positionierung jeder der Lokomotiven des Lokomotivenverbands über den Zug angepasst werden. So kann zum Beispiel mindestens eine Lokomotive an einem Ende des Zuges und mindestens eine Lokomotive an der Spitze des Zuges positioniert sein. Die Lokomotive am Ende des Zuges kann den Zug schieben und die Lokomotive an der Spitze des Zuges kann den Zug ziehen, insbesondere bei Bergauffahrten. Dadurch kann die schiebende Lokomotive am Ende des Zugs stärker belastet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist nun eine Ausführungsform 300 des Kraftstofftenders aus 1 dargestellt. Wie oben beschrieben, weist der Kraftstofftender den Kraftstoffspeichertank, der Controller und einen Motor 302 auf. Der Kraftstofftender kann ferner eine erste Einheit 304 aufweisen, die eine Vorrichtung zur Steuerung von Temperatur und Druck im Kraftstoffspeichertank sein kann. Wenn im Kraftstoffspeichertank beispielsweise LNG gelagert wird, kann die erste Einheit eine kryogene Einheit sein. Die Größen und Konfigurationen der Kraftstoffspeicherreservoirs können auf Grundlage von Endnutzungsparametern ausgewählt werden, sie können vom Kraftstofftender abnehmbar sein und können über einen Stutzen 306 Kraftstoff von einer externen Tankstelle erhalten.
  • Der Kraftstoffspeichertank kann Kraftstoff an eine Kraftstoffmodifizierungseinheit 312 zuführen. Die Kraftstoffmodifizierungseinheit kann Eigenschaften des Kraftstoffs anpassen. Beispielsweise kann der Kraftstoff in der Kraftstoffmodifizierungseinheit von einer flüssigen in eine gasförmige Phase umgewandelt werden, beispielsweise wenn es sich um LNG handelt. Ein weiteres Beispiel: Die Kraftstoffmodifizierungseinheit 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 Kraftstoffmodifizierungseinheit weggelassen werden. Der Kraftstoff kann von der Kraftstoffmodifizierungseinheit an die Motoren der Lokomotiven geliefert werden.
  • Durch Zuführen von Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeichertank an die Lokomotivmotoren und dem Motor des Kraftstofftenders kann der Kraftstoff von den über den Zug verteilten Motoren verbrannt werden. Bei einer anderen, nicht-beschränkenden Ausführungsform kann der Motor des Kraftstofftenders Strom erzeugen, der an eine oder mehrere Bauteile an Bord des Kraftstofftenders und/oder an Bord der Lokomotiven geliefert werden kann. In einer Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, kann der Kraftstofftendermotor ein Drehmoment erzeugen, das über eine Antriebswelle 316 an eine Leistungsumwandlungseinheit 314 übertragen wird. Die Leistungsumwandlungseinheit kann das Drehmoment in elektrische Energie umwandeln, die über die Stromsammelschiene 318 an eine Reihe nachgeschalteter elektrischer Bauteile im Kraftstofftender zugeführt wird. Zu diesen Bauteilen gehören unter anderem die erste Einheit, die Kraftstoffmodifikationseinheit, der Controller, ein Drucksensor 320, ein Temperatursensor 322, eine oder mehrere Batterien 324, verschiedene Ventile, Durchflusswächter, zusätzliche Temperatur- und Drucksensoren, Verdichter, Gebläse, Kühler, Batterien, Beleuchtung, Bordüberwachungssysteme, Anzeigen, Klimasteuergeräte und dergleichen, von denen einige der Kürze halber in 3 nicht dargestellt sind. Darüber hinaus kann elektrische Energie aus der Stromsammelschiene an eine oder mehrere Bauteile der Lokomotiven zugeführt werden.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Leistungsumwandlungseinheit eine Lichtmaschine (nicht abgebildet), der mit einem oder mehreren Gleichrichtern (nicht abgebildet) in Reihe geschaltet ist, die die Wechselstromleistung der Lichtmaschine vor der Übertragung entlang der Stromsammelschiene in Gleichstromleistung umwandeln. Ausgehend von einem stromabwärts gelegenen elektrischen Bauteil, das Strom von der Stromsammelschiene aufnimmt, können ein oder mehrere Wechselrichter den Strom von der Stromsammelschiene invertieren, bevor sie das stromabwärts gelegene Bauteil mit Strom versorgen. Bei einer Ausführungsform kann ein einzelner Wechselrichter eine Vielzahl von Bauteilen mit Wechselstrom aus einer Gleichstromsammelschiene versorgen. In einer anderen, nicht-beschränkenden Ausführungsform kann jeder aus einer Vielzahl verschiedener Wechselrichtern ein bestimmtes Bauteil mit Strom versorgen.
  • Der Controller an Bord des Kraftstofftenders kann verschiedene Bauteile an Bord des Kraftstofftenders steuern, zum Beispiel die Kraftstoffmodifikationseinheit, den Kraftstofftendermotor, die Leistungsumwandlungseinheit, die erste Einheit, Steuerventile und/oder andere Bauteile an Bord des Kraftstofftenders, indem es Befehle an diese Bauteile sendet. Der Controller kann auch die Betriebsparameter des Kraftstofftenders im aktiven Betrieb, im Leerlauf und beim Abschalten überwachen. Zu diesen Parametern können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Druck und Temperatur des Kraftstoffspeichertanks, Druck und Temperatur der Kraftstoffmodifizierungseinheit, Temperatur, Druck und Last des Kraftstofftendermotors, Kompressordruck, Temperatur und Druck der Heizflüssigkeit, Temperatur der Umgebungsluft und ähnliches. Bei einer Ausführungsform kann der Controller des Kraftstofftenders Code ausführen, um den Motor und die Kraftstoffmodifizierungseinheit als Reaktion auf eine oder mehrere Steuersystemroutinen automatisch zu stoppen, zu starten, zu betreiben und/oder abzustimmen. Die computerlesbaren Speichermedien können einen Code ausführen, um Mitteilungen an die Motorsteuerung an Bord der Lokomotiven zu senden und von diesen zu empfangen.
  • Der in 3 dargestellte Kraftstofftender ist eine nicht-beschränkende Ausführungsform des Kraftstofftenders. Bei anderen Ausführungsformen kann der Kraftstofftender zusätzliche oder alternative Bauteile beinhalten. So kann der Kraftstofftender beispielsweise einen oder mehrere zusätzliche Sensoren, Durchflussmesser, Steuerventile, verschiedene andere Vorrichtungen und Mechanismen zur Steuerung der Kraftstoffabgabe und der Lagerbedingungen usw. beinhalten.
  • Beim ICE kann es sich um einem Vielstoffmotor einer Lokomotive handeln, wobei die Lokomotive eine von mehreren Lokomotiven in einem Lokomotivenverband eines Zuges sein kann, wie in 1 dargestellt. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Lokomotive des Lokomotivenverbands aus 1, wobei die Lokomotive einen Vielstoffmotor aufweist. Die vorliegend beschriebenen Verfahren können in mindestens einem Vielstoffmotor des Lokomotivenverbands implementiert werden. Der Zug aus 1 kann ferner einen Kraftstofftender zur Lagerung mindestens eines Kraftstoffs beinhalten, der von dem Vielstoffmotor verwendet werden kann; eine Ausführungsform davon ist in 3 dargestellt. In der hier beschriebenen Ausführungsform kann der Vielstoffmotor ein Kraftstoffgemisch aus einem ersten und einem zweiten Kraftstoff verwenden, wobei der erste Kraftstoff eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit als der zweite Kraftstoff aufweist. Beispielsweise kann der erste Kraftstoff Wasserstoff und der zweite Kraftstoff Diesel sein. Ein Kraftstoffgemisch, das eine erste Menge Wasserstoff und eine zweite Menge Diesel enthält, kann mit einer bestimmten Menge Luft verbrannt werden, um das Fahrzeug mit Energie zu versorgen. Das Verbrennungsgemisch (zum Beispiel die Luftmenge und das Kraftstoffgemisch) kann so angepasst werden, dass die geforderte Leistung erbracht, die Emissionen reduziert und die Wahrscheinlichkeit des Klopfens des Motors bei wechselnden Betriebs- und Umgebungsbedingungen verringert wird. Beispielsweise kann ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis (zum Beispiel ein Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Menge des Kraftstoffgemischs im Verbrennungsgemisch) auf Grundlage der Motorbetriebsbedingungen und der Umgebungsbedingungen so eingestellt werden, dass ein Substitutionsverhältnis von Wasserstoff zu Diesel maximiert werden kann. 4 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Einstellung des AFR des Vielstoffmotors. Das AFR kann durch die Einstellung von Motorbetriebsparametern angepasst werden, zu denen eine Turbodrehzahl, eine Wastegate-Stellung, ein Einspritzzeitpunkt und eine Abgasrückführung (AGR) gehören können. Darüber hinaus kann das Substitutionsverhältnis von Wasserstoff zu Diesel (zum Beispiel im Kraftstoffgemisch) in Abhängigkeit vom eingestellten AFR angepasst werden. 5 zeigt einen Zeitstrahl, der das Anpassen der Betriebsparameter des Vielstoffmotors zur Anpassung des Luftdurchsatzes und die daraus resultierenden Veränderungen der Emissionen und der Klopfneigung des Motors veranschaulicht.
  • Das AFR wird aktiv angepasst, um ein gewünschtes Substitutionsverhältnis zu erreichen. Da Motoren, die mit mehreren Kraftstoffen betrieben werden, unter Umständen mager laufen, kann eine Erhöhung des AFRs während der Vielstoffverbrennung gewünscht sein. Das AFR kann erhöht werden, indem die an den Motor zugeführte Ladeluftmenge im Verhältnis zur eingespritzten Kraftstoffmenge erhöht wird. Die Motoreinstellungen und Betriebsparameter, einschließlich AGR, Ladeluft und Wastegate-Stellung, können angepasst werden, um die Ladeluftmenge zu erhöhen.
  • Die gewünschte Menge an AFR-Erhöhung kann durch ein gewünschtes Substitutionsverhältnis bestimmt werden. Wenn der Vielstoffmotor von einem Verbrennungsmodus mit nur einem Kraftstoff zu einem Verbrennungsmodus mit zwei Kraftstoffen übergeht, kann die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen und Emissionen aufgrund der Mitverbrennung von zwei oder mehr Kraftstoffen steigen. So können beispielsweise Wirkungsgrad, Leistung und Emissionen des Motors durch die Mitverbrennung von Wasserstoff und Diesel beeinträchtigt werden. Der Luftdruck kann auf Grundlage der aktuellen Betriebsbedingungen auf einen gewünschten Luftdruck eingestellt werden, zum Beispiel auf einen Luftdruck, der von einem Fahrzeughersteller oder einem Motorsteuersystem festgelegt wurde. Die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen kann jedoch hoch sein, und das Emissionsniveau kann oberhalb eines gewünschten Grenzwerts liegen. Das Substitutionsverhältnis kann unabhängig oder als Reaktion auf die Einstellung des Luftdruckes auf ein vorgegebenes Substitutionsverhältnis eingestellt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen und die Emissionswerte zu verringern. Die Verwendung vorgegebener AFR- und Substitutionsverhältnisse für die Verbrennung von zwei Kraftstoffen in einem Vielstoffmotor kann immer noch eine hohe Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen und Emissionswerten oberhalb des Emissionsschwellenwerts zulassen, wenn beispielsweise die Umgebungsbedingungen und/oder die Motorbetriebsbedingungen von denen abweichen, die für die Einstellung der vorgegebener AFR- und Substitutionsverhältnisse verwendet wurden. Daher ist ein Verfahren zur Einstellung eines Substitutionsverhältnisses eines ersten Kraftstoffs zu einer Kraftstoffgesamtmenge (zum Beispiel einer Summe aus dem ersten und dem zweiten Kraftstoff) erwünscht, so dass das Substitutionsverhältnis maximiert wird (zum Beispiel um eine stabile Verbrennung zu ermöglichen) und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen verringert wird und die Emissionen sinken. Das Substitutionsverhältnis kann in Abhängigkeit von der Einstellung des Luftdrucks angepasst werden, zum Beispiel kann das Substitutionsverhältnis aufgrund einer Erhöhung des Luftdrucks steigen. Das AFR kann mit Hilfe von Motoreinstellungen angepasst werden, die auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen und Umgebungsbedingungen bestimmt werden, wie hierin weiter beschrieben. Die Motoreinstellungen können so festgelegt werden, dass bei ihrer Implementierung das AFR ansteigt, das Substitutionsverhältnis zunimmt, die Emissionen unterhalb des Emissionsschwellenwerts bleiben und die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen verringert wird.
  • Das Anpassen des AFRs kann durch die zulässigen Betriebsbedingungen gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Einstellung des AFR das Öffnen oder Schließen eines Wastegates beinhalten. Die Position des Wastegates kann zwischen 100% offen und 100% geschlossen variieren. Wenn das Wastegate jedoch zu 100 % geschlossen ist und eine weitere Anpassung des AFR gewünscht wird, kann eine andere Motoreinstellung zur Anpassung der AFR verwendet werden. Das AFR kann durch Variation der an den Motor zugeführten Ladeluftmenge eingestellt werden, zum Beispiel durch Anpassung der Turbodrehzahl, der Wastegate-Position, der Motordrehzahl (zum Beispiel wenn die Wastegate-Position und die Motordrehzahl die Turbodrehzahl beeinflussen), der mit der Luft verbrannten Kraftstoffmenge (zum Beispiel Einspritzzeitpunkt) und der Krümmer-Lufttemperatur (MAT). Die Abgasrückführung (AGR) kann so eingestellt werden, dass sie dazu beiträgt, die Emissionen unterhalb des Emissionsschwellenwerts zu halten, indem der für die Verbrennung verfügbare Oxidationsmittelgehalt angepasst wird.
  • Das Einstellen des AFR kann beinhalten, dass einem Turbolader des Motors signalisiert wird, einen Luftaustrittsniveau des Turboladers einzustellen, so dass die in das Kraftstoffgemisch eingebrachte Luftmenge verändert werden kann. Das Luftaustrittsniveau kann somit zumindest teilweise auf Grundlage des Erreichens einer gewünschten Luftmenge im Verbrennungsgemisch im Verhältnis zur Menge des Kraftstoffgemischs eingestellt werden. Die gewünschte Luftmenge kann auf Grundlage der Betriebsbedingungen des Motors (zum Beispiel Motordrehzahl, Krümmer-Lufttemperatur usw.) und der Umgebungsbedingungen (zum Beispiel Temperatur und Druck) bestimmt werden. Beispielsweise kann der Controller des Fahrzeugs die Umgebungsbedingungen und die Motorbetriebsbedingungen mit Hilfe von Sensoren, wie oben beschrieben, überwachen und einen gewünschten AFR-Wert ermitteln, bei dem die Emissionen unterhalb eines Emissionsschwellenwerts liegen und die Leistungsabgabe einer gewünschten Leistungsabgabe entspricht. Der Luftdurchsatz kann beispielsweise angepasst werden, wenn gemessen wird, dass die Umgebungstemperatur oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts und die Motorleistung oberhalb eines Leistungsschwellenwerts liegt. Der Leistungsschwellenwert kann beispielsweise die Motorleistung während des Fahrbetriebs sein, und der Leistungsschwellenwert kann während der Beschleunigung überschritten werden. Bei einem anderen Beispiel können das AFR und/oder das Substitutionsverhältnis als Reaktion auf Motorklopfen (zum Beispiel gemessen von einem Motorklopfsensor) oder auf Emissionen, die den Emissionsschwellenwert überschreiten, angepasst werden.
  • Wenn dem Turbolader signalisiert wird, dass er das Luftaustrittsniveau anpassen soll, um den gewünschten Luftdruck zu erreichen, kann dadurch die Ladeluftmenge erhöht werden. Das Signal an den Turbolader kann das Schließen des Wastegates, das Schließen eines Turbinendüsenrings, das Verstellen der Düsenschaufeln, wenn es sich bei dem Turbolader um den Turbolader mit variabler Geometrie handelt, oder andere Einstellungen am Motorsystem umfassen, die zu einer erhöhten Ladeluftmenge führen können. Beispielsweise kann der E-Turbo entweder so betrieben werden, dass er Energie verbraucht und den Verdichter dreht, oder er kann als Generator betrieben werden und überschüssige Energie gewinnen („harvesting“). Die Erhöhung der Ladeluftmenge kann zumindest teilweise auf Grundlage einer oder mehrerer Motoreinstellungen ausgewählt werden. Beispielsweise können die Motoreinstellungen, einschließlich der Abgasrückführung (AGR), des Einspritzzeitpunkts, der Turboladereinstellung (zum Beispiel zur Anpassung der Ladeluftmenge) und der Wastegate-Position, wie in den 4-5 beschrieben, angepasst werden. Die Motoreinstellungen können innerhalb vorgegebener Parameter angepasst werden, zum Beispiel kann die Wastegate-Position zwischen 0 und 100 % offen eingestellt werden, und der Einspritzzeitpunkt kann vorgezogen oder verzögert werden. Innerhalb dieser Parameter kann jede Motoreinstellung individuell angepasst werden, und die Motorleistung und die Emissionen können überwacht werden, um die gewünschte Leistung und die gewünschten Emissionen zu erreichen. Wie in 4 ferner beschrieben, können Verfahren zur Bestimmung von Motoreinstellungen, die die Motorleistung und die Emissionen innerhalb der jeweiligen gewünschten Bereiche halten und die die gewünschte Erhöhung der Ladeluftmenge zur Einstellung des AFR ermöglichen, die Verwendung eines Motorkalibrierungskennfelds, einer Nachschlagetabelle oder eines anderen Verfahrens zur Bestimmung von Motoreinstellungen umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substitutionsverhältnis ohne Anpassung des AFR variiert werden, zum Beispiel wenn die Betriebsbedingungen eine Anpassung des Substitutionsverhältnisses (zum Beispiel Erhöhung der Wasserstoffmenge) erlauben, während die Luftmenge im Verhältnis zur Kraftstoffmenge nicht erhöht wird.
  • Zu den Bedingungen, die das Substitutionsverhältnis beeinflussen können, gehören Motorluftstrom, Motorlast, Ansaugkrümmertemperatur, Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur, Motortemperatur und Auslasskrümmerdruck. Das maximale Substitutionsverhältnis kann durch eine Klopfschwelle begrenzt werden. Die Klopfschwelle kann eine Druckanstiegsrate oder ein maximaler Zylinderdruck zugrunde liegen. Das Klopfen des Motors kann beispielsweise mit einem Klopfsensor oder Vibrationssensor oder anhand des gemessenen bzw. abgeleiteten Verbrennungszeitpunkts in Bezug auf den erwarteten Verbrennungszeitpunkt gemessen werden.
  • Beispielsweise kann das Substitutionsverhältnis so erhöht werden, dass die Wasserstoffmenge größer ist als die Dieselmenge, solange die Wahrscheinlichkeit des Klopfens unter der Klopfschwelle bleibt und der Vielstoffmotor das Kraftstoffgemisch verbrennen kann, um dem Fahrzeug die gewünschte Leistung breitzustellen.
  • Bei einer Ausführungsform kann eine Menge eines ersten Kraftstoffs mit einer Menge eines zweiten Kraftstoffs gemischt werden, um ein Kraftstoffgemisch zu erzeugen, das ein bestimmtes Kraftstoffverhältnis des ersten Kraftstoffs im Verhältnis zu einer Kraftstoffgesamtmenge (zum Beispiel eine Summe aus dem ersten und dem zweiten Kraftstoff) aufweist. In der hier beschriebenen Ausführungsform entspricht das ermittelte Kraftstoffverhältnis dem Substitutionsverhältnis, wobei das ermittelte Kraftstoffverhältnis ein volumetrisches Verhältnis des ersten Kraftstoffs zur Kraftstoffgesamtmenge oder ein Verhältnis der Energieleistung des ersten Kraftstoffs zur Kraftstoffgesamtmenge sein kann. Der erste Kraftstoff kann eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit als der zweite Kraftstoff aufweisen. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist der erste Kraftstoff Wasserstoff und der zweite Kraftstoff ist Diesel. Es können jedoch auch andere Kraftstoffe verwendet werden. Bei dem ermittelten Kraftstoffverhältnis kann es sich um ein Nennverhältnis handeln, das vom Fahrzeughersteller in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, zum Beispiel Temperatur, Luftdruck usw., und dem Motorbetriebspunkt festgelegt wird. Darüber hinaus kann das ermittelte Substitutionsverhältnis ein Verhältnis sein, das geschätzt wird, um eine Zielleistung zu erreichen und gleichzeitig die Emissionen unterhalb eines Emissionsgrenzwerts zu halten (zum Beispiel wie vom Fahrzeughersteller oder der Regierung festgelegt). Das ermittelte Substitutionsverhältnis kann auch auf Grundlage eines Motorkalibrierungskennfelds geschätzt werden, bei der verschiedene Parameter (zum Beispiel Leistung, Motordrehzahl, Luftdruck, Umgebungstemperatur, MAT, MAP) eingegeben werden und Nenneinstellungen für das Substitutionsverhältnis, die AGR, die Wastegate-Stellung und den Einspritzzeitpunkt ausgegeben werden. Diese Sollwerte können es ermöglichen, die Emissionen unterhalb des Emissionsschwellenwerts zu halten. Eine bestimmte Menge des Kraftstoffgemischs kann mit einer bestimmten Menge Luft verbrannt werden, um ein Verbrennungsgemisch mit einem bestimmten Kraftstoff/Luft-Verhältnis (AFR) zu bilden. Die Verbrennungsgeschwindigkeit oder die Verbrennungsstabilität des Kraftstoffgemischs kann durch Ändern des Kraftstoffverhältnisses (zum Beispiel durch Einstellen eines Substitutionsverhältnisses) und/oder des AFR gesteuert werden.
  • Das Substitutionsverhältnis kann in Abhängigkeit vom eingestellten AFR angepasst werden, wie genauer in den 4-5 beschrieben. Wenn beispielsweise die Luftmenge im Verbrennungsgemisch zunimmt, kann es gewünscht sein, die Wasserstoffmenge im Kraftstoffgemisch zu erhöhen, da Wasserstoff im Vergleich zu Diesel eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit hat. Die schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit kann die Verbrennung während der Verbrennung mehrerer Kraftstoffe im Motor stabilisieren. Außerdem werden durch die Erhöhung des Substitutionsverhältnisses die Verbrennung von Diesel und die entsprechenden Kohlenstoffemissionen verringert. Darüber hinaus kann durch die Erhöhung des Substitutionsverhältnisses ein breiter Entflammbarkeitsbereich von Wasserstoff, zum Beispiel verglichen mit Diesel, genutzt werden, wodurch die Motorleistung bei magerer Verbrennung gesteigert werden kann.
  • Ein Controller des Fahrzeugsystems kann eine Vielzahl unterschiedlicher Steuerstrategien verwenden, um die Einstellungen für Parameter wie Einspritzzeitpunkt, AGR, Wastegate-Stellung und Substitutionsverhältnis anzupassen, um das AFR selektiv zu steuern, wie in 4 dargestellt. In einigen Fällen können die Parameter so eingestellt sein, dass das Substitutionsverhältnis erhöht werden kann, ohne dass das AFR angepasst wird. In einem Beispiel kann das AFR innerhalb der Motorbeschränkungen erhöht werden, ohne dass Motoreinstellungen angepasst werden. Ein Beispiel für eine Betriebssequenz ist in 5 dargestellt, dort werden sowohl das Substitutionsverhältnis als auch das AFR angepasst werden. 5 kann ein Beispiel für eine Betriebssequenz des Verfahrens aus 4 sein.
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zur Steuerung der Verbrennungsgeschwindigkeit oder der Verbrennungsstabilität durch aktives Einstellen von mindestens einem AFR und einem Substitutionsverhältnis in mindestens einem Vielstoffmotor des Lokomotivenverbands. Der Vielstoffmotor kann mehr als einen Kraftstoff verbrennen, einschließlich eines ersten Kraftstoffs und eines zweiten Kraftstoffs. Bei dem ersten Kraftstoff kann es sich um Wasserstoff und bei dem zweiten Kraftstoff um Diesel handeln. Die aktive Steuerung des Luftdurchsatzes und/oder des Substitutionsverhältnisses kann die Selbstzündung von Wasserstoff herabsetzen, die beim Betrieb des Vielstoffmotors in einem Vielstoffmodus auftreten kann. Das Verfahren kann von einem Controller eines Fahrzeugs, wie der Motorsteuerung der 1 bis 3, auf Grundlage von Befehlen ausgeführt werden, die in einem Speicher des Controllers hinterlegt sind.
  • Bei Schritt 402 umfasst das Verfahren das Schätzen und/oder Messen von Fahrzeugbetriebsparametern und/oder -bedingungen. Fahrzeugbetriebsparameter und/oder - bedingungen können auf Grundlage eines oder mehrerer Ausgangssignale verschiedener Sensoren des Fahrzeugs (zum Beispiel eines oder mehrerer Abgastemperatursensoren, eines Motordrehzahlsensors, eines Raddrehzahlsensors und/oder eines Turbowellendrehzahlsensors, eines Drehmomentsensors, eines Ladedrucksensors etc., wie oben unter Bezugnahme auf 1-3 beschrieben) geschätzt werden. Die Betriebsbedingungen des Fahrzeugs können die Motordrehzahl, das aktuelle AFR, die Motorlast, die Motorleistung, die Turbodrehzahl, die Einspritzzeitpunkte, die Wastegate-Stellung, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Getriebeöltemperatur, der Abgasdurchsatz, der Luftmassenstrom, die Kühlmitteltemperatur, der Kühlmitteldurchsatz, der Motoröldruck (zum Beispiel der Druck im Ölkanal), die Krümmer-Lufttemperatur und der Luftdruck, die Zylindertemperaturen, die Betriebszustände eines oder mehrerer Einlassventile und/oder eines oder mehrerer Auslassventile, die Drehzahl des Elektromotors, die Batterieladung, das Motordrehmoment, das Raddrehmoment des Fahrzeugs etc. umfassen. Zusätzlich können die Umgebungsbedingungen geschätzt und/oder gemessen werden, einschließlich Luftdruck, Umgebungstemperatur, Luftfeuchte usw.
  • In Schritt 404 wird festgestellt, ob der Motor in einem Vielstoffmodus arbeitet oder ob der Vielstoffmodus angefordert wird. Die Vielstoffverbrennung kann auf Grundlage verschiedener Bedingungen gewünscht sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine oder mehrere Motorlasten, ein Emissionsziel, die Kraftstoffkosten, den Wirkungsgrad des Verbrennungsgemischs und die Verfügbarkeit von Kraftstoff. Beispielsweise kann bei hoher Motorlast die ausschließliche Verbrennung von Diesel gewünscht sein, um die Leistungsabgabe zu maximieren. Das Emissionsziel kann auf einem individuellen Emissionsziel für das Fahrzeug basieren, das auf einer staatlichen Norm beruht. Zusätzlich oder alternativ kann das Emissionsziel auf einem lokalen Regierungsstandard für einen geografisch abgegrenzten Ort basieren. Beispielsweise kann für eine Stadt ein anderes Emissionsziel gelten als für einen ländlichen Ort. Ein Verbrennungsgemisch kann für eine Vielzahl von Fahrzeugen, die in der Stadt betrieben werden, so angepasst werden, dass die Gesamtemissionen der Vielzahl von Fahrzeugen den lokalen Emissionszielen entsprechen können. Auf diese Weise können die Emissionsziele einzelner Fahrzeuge an bestimmten Betriebspunkten überschritten werden, um die Emissionen der Vielzahl von Fahrzeugen auszugleichen und die lokalen Emissionsziele zu erreichen.
  • In einigen Beispielen kann aufgrund der Kraftstoffkosten die Dual-Fuel-Verbrennung gewünscht sein. Die Kraftstoffkosten können durch Rückmeldungen von Fahrzeugen und/oder Tankstellen und/oder Fahrzeugbetreibern usw. ermittelt werden. Die durchschnittlichen Kraftstoffkosten können für jede Kraftstoffart im Fahrzeugbestand ermittelt werden. Wenn das System beispielsweise Diesel und Wasserstoff enthält, können die Kosten für jeden der Kraftstofftypen ermittelt und ein Verbrennungsgemisch (zum Beispiel ein Substitutionsverhältnis) zumindest auf Grundlage der Kosten der Kraftstofftypen angepasst werden. Bei einer Ausführungsform kann es gewünscht sein, die Kosten des Verbrennungsgemischs zu minimieren.
  • In weiteren Ausführungsformen kann zusätzlich oder alternativ der Wirkungsgrad des Verbrennungsgemischs ein Verbrennungsgemisch vorgeben. Bei einer Ausführungsform kann das Substitutionsverhältnis so eingestellt werden, dass der Wirkungsgrad des Verbrennungsgemischs maximiert wird, wie hier weiter beschrieben. Bei anderen Ausführungsformen kann das Verbrennungsgemisch so angepasst werden, dass die Motorleistung maximiert wird. Der Fahrzeugbediener kann wählen, ob er der Motorleistung oder dem Wirkungsgrad des Verbrennungsgemischs Vorrang gibt.
  • Zusätzlich oder alternativ kann ein Fahrzeugcontroller je nach Verfügbarkeit des Kraftstoffs auswählen, ob eine Vielstoffverbrennung gewünscht ist. So kann es beispielsweise sein, dass an bestimmten Orten keine Tankstellen mit alternativen Kraftstoffen wie HDRD, Ammoniak, Wasserstoff und dergleichen vorhanden sind. Der Fahrzeugcontroller kann die Verbrennung eines Einzelkraftstoffs anfordern, zum Beispiel wenn andere Kraftstoffquellen an den örtlichen Tankstellen nicht verfügbar sind. Der Fahrzeugcontroller kann sich je nach gewählter Konfiguration an Bord oder außerhalb des Fahrzeugs befinden. Bei einer Ausführungsform ist der Fahrzeugcontroller ein Bediener, der sich während des Betriebs an Bord des Fahrzeugs befindet. In einer anderen Ausführungsform kann die Verbrennung von zwei Kraftstoffen auf Grundlage der Kraftstoffkosten gewünscht sein. Die durchschnittlichen Kraftstoffkosten können über einen Prozessor eines zentralen Servers ermittelt werden, der Rückmeldungen von Controllern einer Vielzahl von Controllern verschiedener Fahrzeugsysteme empfängt. Die durchschnittlichen Kraftstoffkosten können für jeden Kraftstofftyp innerhalb verschiedener geografisch abgegrenzter Bereiche ermittelt werden. Zu den geografisch abgegrenzten Bereichen können beispielsweise Straßen, Städte, Schulen, Postleitzahlen, Staaten, Radien von der aktuellen Fahrzeugposition und Landmarken gehören.
  • Ist die Verbrennung von zwei Kraftstoffen nicht erwünscht, umfasst das Verfahren in Schritt 406 die Verbrennung nur eines Einzelkraftstoffs. Bei einer Ausführungsform kann der Einzelkraftstoff ein kohlenstoffhaltiger Kraftstoff oder ein nicht erneuerbarer Kraftstoff sein. Der Einzelkraftstoff kann zum Beispiel Diesel sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der Einzelkraftstoff ein erneuerbarer Kraftstoff sein, wie HDRD, Wasserstoff und/oder Biodiesel.
  • Wenn eine Vielstoffverbrennung gewünscht wird, umfasst das Verfahren in Schritt 408 die Bestimmung eines Ziel-Substitutionsverhältnisses und die Verbrennung von Wasserstoff und Diesel. Das Ziel-Substitutionsverhältnis kann auf Grundlage von Variablen wie dem aktuellen Motorbetriebspunkt (zum Beispiel Last und Drehzahl), der Umgebungstemperatur und dem Umgebungsdruck geschätzt werden. Im Speicher des Controllers können beispielsweise Nachschlagetabellen oder Kennfelder gespeichert sein, die Substitutionsverhältnisse entsprechend den verschiedenen Werten der Variablen vorgeben. Der Wasserstoff und der Dieselkraftstoff werden mit dem angestrebten Substitutionsverhältnis verbrannt. Aufgrund der schnelleren Verbrennungsgeschwindigkeit von vorgemischtem Wasserstoff im Vergleich zu Diesel oder anderen nicht kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen kann die Wahrscheinlichkeit von Selbstzündung und Klopfen erhöht sein.
  • Die Flammengeschwindigkeit und die Selbstentzündungseigenschaften von Wasserstoff können durch eine Erhöhung des AFRs verringert werden, wodurch die Zündwilligkeit des Kraftstoffgemischs und die Wahrscheinlichkeit und Schwere einer Selbstzündung des Kraftstoffs verringert werden. Das AFR kann aktiv auf Grundlage der Motor- und Umgebungsbedingungen eingestellt werden, beispielsweise durch Anpassung der Motoreinstellungen einschließlich Abgasrückführung, Wastegate-Stellung, Einspritzzeitpunkt und Turboladereinstellungen. Die aktive Anpassung des AFR kann das Anpassen der Motoreinstellungen an bestimmte Motoreinstellungen als Reaktion auf aktuelle Betriebsbedingungen, zum Beispiel in Echtzeit, und die Nutzung eines zulässigen Maßes an Variabilität im AFR auf Grundlage der aktuellen Betriebsbedingungen umfassen, um das Substitutionsverhältnis zu maximieren, eine ausreichende Motorleistung bereitzustellen und die Emissionen unter einem Emissionsgrenzwert zu halten, wie oben beschrieben. Das Substitutionsverhältnis kann auch angepasst werden, um das Klopfen des Motors als Reaktion auf das geänderte AFR und die aktuellen Betriebsbedingungen zu verringern. Eine höhere Substitution (zum Beispiel Erhöhung der Wasserstoffmenge im Verhältnis zur Dieselmenge) kann dem Motor bei niedrigeren Motorlasten bereitgestellt werden, da die Wahrscheinlichkeit von Klopfen und/oder Vorzündungen bei höheren Lasten größer ist. Beispielsweise kann durch Wasserstoff ein höherer Kraftstoffenergiegehalt eines Wasserstoff/Diesel-Gemischs bereitgestellt werden, wenn das Gemisch mit einem höheren Substitutionsverhältnis eingespritzt wird als mit einem niedrigeren Substitutionsverhältnis. In einigen Ausführungsformen kann das Verbrennungsgemisch zusätzliche Kraftstoffe enthalten, die bei höheren Motorlasten weniger zündwillig sind als Wasserstoff, um den Verbrauch von Diesel oder anderen nicht erneuerbaren, kohlenstoffhaltigen Kraftstoffen zu verringern.
  • In Schritt 410 umfasst das Verfahren das Bestätigen, ob das AFR angepasst werden kann. So kann es beispielsweise gewünscht sein, das AFR innerhalb eines zulässigen AFR-Bereichs entsprechend den Betriebsbedingungen zu erhöhen, um das Substitutionsverhältnis zu maximieren, den Verbrennungswirkungsgrad und die Kraftstoffeffizienz zu steigern und die Emissionen zu senken. Genauer gesagt kann die Verbrennung des Wasserstoff/Diesel-Gemischs einen Motorbetrieb mit insgesamt höheren AFR-Werten ermöglichen als die ausschließliche Verbrennung von Diesel. Beispielsweise kann der Controller Informationen von den verschiedenen Sensoren erlangen, die die Motoreinstellungen überwachen, und bestimmen, ob eine oder mehrere der Motoreinstellungen modifiziert werden können, um das AFR zu erhöhen.
  • Das Erhöhen des AFR auf ein maximales AFR kann das Erhöhen des AFR auf einen Wert umfassen, bei dem die Motoremissionen dem Emissionsschwellenwert entsprechen oder sich diesem nähern. Zusätzlich oder alternativ kann der maximale AFR-Wert so definiert werden, dass der AFR-Wert so weit erhöht wird, wie es innerhalb der Motorbeschränkungen zulässig ist. Beispielsweise kann das AFR auf einen höchsten AFR-Wert erhöht werden, bei dem der Zylinderspitzendruck bei oder unterhalb eines Schwellenwerts für den Zylinderdruck liegt und/oder die NOx-Emissionen unterhalb eines NOx-Emissionsschwellenwert liegen. Bei einem weiteren Beispiel kann der maximale AFR-Wert als AFR-Wert identifiziert werden, bei dem es aufgrund eines mageren Kraftstoffgemischs zu Fehlzündungen kommt, so dass das AFR auf einen AFR-Wert eingestellt werden kann, der unter dem maximalen AFR-Wert liegt.
  • Das Erhöhen des AFR kann den Zylinderspitzendruck durch Verlangsamung der Verbrennung unter einer ersten Menge von Bedingungen verringern und den Zylinderspitzendruck unter einer zweiten Menge von Bedingungen aufgrund einer Erhöhung der an das Kraftstoffgemisch zugeführten Luftmenge erhöhen. So kann das AFR so eingestellt werden, dass der Zylinderspitzendruck unterhalb des Schwellenwerts für den Zylinderdruck liegt, was eine Erhöhung oder Verringerung des AFR in Abhängigkeit von den Motorbedingungen beinhalten kann. Unter bestimmten Motorbedingungen kann eine Änderung des Zylinderspitzendrucks aufgrund der AFR-Einstellung vernachlässigbar sein (zum Beispiel kann der Zylinderspitzendruck aufgrund der AFR-Einstellung nicht so weit ansteigen, dass er sich dem Zylinderdruckschwellenwert nähert). Der Controller kann auf Motorkalibrierungskennfelder zurückgreifen, die im Speicher des Controllers gespeichert sind, wobei die Kennfelder Nenneinstellungen von Motorparametern in Abhängigkeit von der Höhe und der Umgebungstemperatur für eine bestimmte durchschnittliche Motorleistung liefern. In die Motorkalibrierungskennfelder können Variablen wie Leistung, Motordrehzahl, Luftdruck, Umgebungstemperatur, Krümmer-Lufttemperatur und Krümmerdruck eingegeben werden. Aus den Motorkalibrierungskennfeldern kann die Nominaleinstellung für Parameter, die sich auf das AFR auswirken, wie zum Beispiel AGR, Einspritzzeitpunkt, Wastegate-Stellung, sowie eine Nominaleinstellung für das Substitutionsverhältnis ausgegeben werden. Die Nominaleinstellungen können so gewählt werden, dass der Motorbetrieb einen Leistungsbedarf erfüllt und gleichzeitig die Emissionen unterhalb des Emissionsschwellenwerts gehalten werden, wobei die Emissionssteuerung zumindest teilweise durch den AGR-Durchfluss bereitgestellt wird.
  • In einem Beispiel kann ein Ziel-Substitutionsverhältnis ermittelt werden, wobei das Ziel-Substitutionsverhältnis ein maximales Substitutionsverhältnis sein kann, das der Eingabe in den Motorkalibrierungskennfeldern und dem Motorbetriebspunkt entspricht. Die ausgegebenen Nominaleinstellungen können geeignete Einstellungen für das Anpassen des AFR bereitstellen, damit das Zielsubstitutionsverhältnis eingespritzt werden kann. Das maximale Substitutionsverhältnis kann beispielsweise auf Bedingungen basieren, zu denen das oben beschriebene maximale AFR und Motorbedingungen gehören, die auf einer Vielzahl von Parametern wie Turbodrehzahl, Zylinderspitzendruck usw. basieren.
  • Bei einer Ausführungsform kann eine AFR-Anpassung gewünscht sein, wenn die Umgebungstemperatur größer als ein Temperaturschwellenwert und die Motorleistung größer als ein Leistungsschwellenwert ist. Der Leistungsschwellenwert kann zum Beispiel die Motorleistung während des Fahrbetriebs sein. Die Motorleistung kann während der Beschleunigung, während des Streckentransports mehrerer Fahrzeuge (zum Beispiel der Fahrzeuge 108 in 1) usw. größer als der Leistungsschwellenwert sein. Der Temperaturschwellenwert kann eine Temperatur sein, die höher ist als eine frühere Durchschnittstemperatur für eine Region, die von einem Fahrzeughersteller festgelegt wurde. In einer anderen Ausführungsform kann die Temperaturschwelle eine Umgebungstemperatur sein, oberhalb derer die Wahrscheinlichkeit einer Selbstentzündung des Kraftstoffs erhöht ist. Die Motorleistung kann, wenn sie von einem Benutzer angefordert wird, höher sein als der Leistungsschwellenwert, zum Beispiel wenn eine Fahrstufenerhöhung verlangt wird. Bei einem anderen Beispiel kann die Motorleistung größer sein als der Leistungsschwellenwert, wenn der Lokomotivenverband unter hoher Last steht, zum Beispiel wenn die Lokomotive mehrere Waggons eine Steigung hinaufzieht und/oder schiebt.
  • Ist eine AFR-Anpassung gewünscht, kann das gewünschte AFR anhand der aktuellen Umgebungstemperatur und des aktuellen Umgebungsdrucks bestimmt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das gewünschte AFR anhand der Kohlenstoffemissionen (zum Beispiel COx, Kohlenwasserstoffe und andere kohlenstoffhaltige Verbrennungsnebenprodukte) und/oder NOx-Emissionen bestimmt werden. Ein hoher AFR-Wert kann beispielsweise zu hohen COx- und Kohlenwasserstoffemissionen sowie zu einem hohen Anteil an unverbranntem Kraftstoff bei der Verbrennung des Kraftstoffgemischs oder der Niederdruck-Direkteinspritzung (LPDI) führen. Ein niedriges AFR kann bei Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDI) zu einem hohen Anteil an unverbranntem Kraftstoff, hohen CO-Emissionen und hohen NOx-Emissionen führen. Hohe NOx-Emissionen können auch bei einem niedrigen AFR bei LPDI auftreten. Beispielsweise kann ein hoher AFR-Wert zu hohen CO- und Feinstaubemissionen führen, wenn der HPDI-Kraftstoff ein kohlenstoffhaltiger Kraftstoff ist.
  • Das AFR kann angepasst, zum Beispiel erhöht werden, wenn einer oder mehrere der Parameter, die sich auf das AFR auswirken, eine aktuelle Einstellung haben, die nicht bereits eine maximale Wirkung auf das AFR hat. Liegt die Motordrehzahl beispielsweise auf einer Höchstdrehzahl, kann die Motordrehzahl nicht erhöht werden, um das AFR zu erhöhen. Wenn das Wastegate vollständig geschlossen ist und der Turbolader mit maximaler Drehzahl arbeitet, kann das AFR auch nicht durch Verstellen des Wastegates oder der Turboladerdrehzahl erhöht werden.
  • Darüber hinaus kann eine Anpassung am AFR als Reaktion auf Änderungen des AGR-Durchflusses gewünscht sein. So kann beispielsweise ein Anstieg der Motortemperatur dahingehend detektiert werden, anzusteigen, was die Wahrscheinlichkeit von NOx-Emissionen erhöht. Zusätzlich oder alternativ kann der NOx-Gehalt im Motorabgas auf Grundlage eines Signals von einem Abgassensor ansteigen. In diesem Fall kann der AGR-Durchfluss erhöht werden, um die Zylinderspitzentemperaturen im Motor zu senken, wodurch die NOx-Werte im Motorabgas verringert werden können. Die an den Motor zugeführte AGR-Menge kann von der Motortemperatur, den NOx-Werten im Motorabgas und dem Spitzeninnendruck im Zylinder abhängen. Liegt beispielsweise der Spitzeninnendruck im Zylinder bei oder in der Nähe des maximal zulässigen Drucks der Motorzylinder, kann das AFR verringert werden, damit AGR an den Motor zugeführt werden kann, ohne den maximal zulässigen Druck der Zylinder zu überschreiten, während das angestrebte Substitutionsverhältnis beibehalten wird. Alternativ dazu kann, wenn eine Verringerung des AGR-Durchflusses benötigt wird, zum Beispiel aufgrund des Betriebs bei hoher Motorlast, das AFR erhöht werden, vorausgesetzt, dass wie eingangs beschrieben die Erhöhung auf Grundlage der Einstellungen der Parameter, die das AFR beeinflussen, aktiviert ist.
  • Wenn jeder der Parameter, die sich auf das AFR auswirken, auf eine Einstellung eingestellt ist, die eine Erhöhung des AFRs verhindert, und/oder eine Anpassung des AFRs als Reaktion auf Änderungen des AGR-Durchflusses nicht gefordert wird, wird das AFR nicht angepasst, und das Verfahren fährt mit Schritt 412 fort, um den Motorbetrieb unter den aktuellen Einstellungen und Bedingungen fortzusetzen. Das Verfahren kehrt zum Start zurück. Wird festgestellt, dass mindestens einer der Parameter, die sich auf das AFR auswirken, in der Lage ist, die an den Motor zugeführte Ladeluft zu erhöhen, und/oder wird die Abgasrückführung (AGR) verändert, fährt das Verfahren mit Schritt 414 fort, um das AFR anzupassen und gleichzeitig das Substitutionsverhältnis des in den Motor eingespritzten Kraftstoffgemischs zu maximieren.
  • Das eingangs beschriebene Anpassen des AFRs kann die Veränderung eines oder mehrerer Parameter umfassen, die das AFR beeinflussen. Beispielsweise kann die Motordrehzahl durch Erhöhung der Kraftstoffzufuhr und/oder Anpassung des Einspritzzeitpunkts erhöht werden, die Turboladerdrehzahl kann durch Drosselung des Abgasstroms durch das Wastegate erhöht werden, und der MAT kann durch Anpassung des AGR-Niveaus und/oder der Auslasstemperaturen des Nachkühlers oder AGR-Kühlers eingestellt werden. Der MAT kann beispielsweise durch Verringern der Kühlfluidtemperatur oder Erhöhung der Kühlmittelströmungsrate an den Nachkühler und/oder den AGR-Kühler verringert werden.
  • Das Erhöhen des AFR kann das Anpassen einer Einstellung des Turboladers derart umfassen, dass sich eine größere Luftmenge mit Diesel und Wasserstoff vermischen kann. Dem Turbolader zu signalisieren, dass er das Luftaustrittsniveau anpassen soll, um den gewünschten AFR-Wert zu erreichen, kann die Erhöhung einer Ladeluftmenge beinhalten. Die Erhöhung der Ladeluftmenge kann zumindest teilweise auf Grundlage einer oder mehrerer Motoreinstellungen ausgewählt werden. Zu den Motoreinstellungen können beispielsweise die aktuelle Abgasrückführung, der Einspritzzeitpunkt, die Einstellung des Turboladers (zum Beispiel zur Anpassung der Ladeluftmenge) und die Wastegate-Stellung gehören. Bei einer Ausführungsform können die in Schritt 402 gemessenen und/oder geschätzten Motorbetriebs- und Umgebungsbedingungen sowie die aktuellen Motoreinstellungen in eine Nachschlagetabelle oder ein Motorkalibrierungsabbildungsverfahren eingegeben werden, um den gewünschten Wert für die Erhöhung der Ladeluftmenge zu bestimmen. Die Ladeluft kann hin zu einer gewünschten Ladeluftmenge erhöht werden, die auf einem Zylinderspitzendruck, der maximalen Turboladerdrehzahl und den gewünschten Maximalemissionen basiert. Der Zylinderspitzendruck kann über einen Drucksensor im Zylinder gemessen oder anhand des Drucks und der Temperatur im Ansaugkrümmer geschätzt werden. Die maximale Turboladerdrehzahl kann auf der maximalen Gasstufe und/oder mechanischen Eigenschaften eines Verdichters und/oder einer Turbine und/oder Druck und/oder Temperatur im Ansaugkrümmer und/oder Motortemperatur und/oder Druck im Zylinder und AGR-Durchflussrate basieren. Zusätzlich oder alternativ kann eine aktuelle maximale Turboladerdrehzahl bei einem Schwellenwert für den Zylinderspitzendruck maximiert werden. Nähert sich der Zylinderspitzendruck dem Schwellenwert für den Zylinderspitzendruck, kann die derzeitige maximale Turboladerdrehzahl reduziert werden, um zu verhindern, dass der Schwellenwert für den Zylinderspitzendruck überschritten wird.
  • Das Substitutionsverhältnis kann auf Grundlage eines festgelegten Verhältnisses zwischen dem AFR und dem Substitutionsverhältnis entsprechend angepasst werden. Beispielsweise kann das Substitutionsverhältnis linear mit dem Anstieg des AFR oder nichtlinear ansteigen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Substitutionsverhältnis eine gewichtete Korrelation mit dem AFR aufweisen. Die Substitutionsrate kann relativ zu einem mehrdimensionalen Kennfeld oder einer Übertragungsfunktion angepasst werden, wobei das gewünschte Substitutionsverhältnis abhängig sein könnte von: Motordrehzahl und/oder Motorlast und/oder MAT und/oder AGR-Rate und/oder AFR und/oder anderen Motorparametern.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Substitutionsverhältnis unabhängig vom AFR eingestellt werden. Beispielsweise kann das Substitutionsverhältnis unabhängig eingestellt werden, wenn der Motor mit niedriger Leistung und/oder niedrigen Ansaugkrümmertemperaturen betrieben wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Substitutionsverhältnis unabhängig von der AFR-Einstellung angepasst werden, wenn das Substitutionsverhältnis verhältnismäßig niedrig ist (zum Beispiel näher an einem AFR, das für die Einzelverbrennung eines Kraftstoffs verwendet wird, als an dem maximalen AFR). Darüber hinaus kann es sein, dass einige Motoren keine AFR-Steuerung aufweisen, dennoch kann das Substitutionsverhältnis angepasst werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann Ammoniak zusätzlich zu oder anstelle von Wasserstoff eingespritzt werden, um die Brenngeschwindigkeit im Motor zu verringern. Die Einspritzung von Ammoniak als zusätzlicher Kraftstoff kann ähnlich wie die Einspritzung von Wasserstoff erfolgen. Beispielsweise kann das Substitutionsverhältnis von Ammoniak zu Diesel proportional zu einer AFR-Anpassung sein oder bezogen auf die AFR-Anpassung eine gewichtete Menge darstellen.
  • In Schritt 416 umfasst das Verfahren das Bestimmen, ob an einem oder mehreren Zylindern des Motors Klopfen detektiert wird. Klopfen kann durch Klopfsensoren überwacht werden, die an die Zylinder gekoppelt sind, und die Größe eines Signals, das proportional zu einem an den Zylindern beobachteten Vibrations- oder Schallpegel ist, kann an der Controller gesendet und mit einem Schwellenwert für das Klopfsignal verglichen werden. Der Schwellenwert für das Klopfsignal kann beispielsweise eine Signalgröße sein, die einem kalibrierten Vibrations-/Schallpegel entspricht, der auf Klopfen hinweist. Als weiteres Beispiel kann der Klopfschwellensignalpegel einen Signalpegel darstellen, der sich dem kalibrierten, auf Klopfen hinweisenden Pegel annähert, zum Beispiel innerhalb einer Spanne des kalibrierten, auf Klopfen hinweisenden Pegels, wodurch Anpassungen der Substitutionsrate, des Einspritzzeitpunkts und/oder des AGR-Durchflusses vorgenommen werden können, bevor Klopfen auftritt.
  • Wenn Klopfen (oder drohendes Klopfen) an einem oder mehreren Zylindern, im Folgenden als betroffene(r) Zylinder bezeichnet, detektiert wird, schreitet das Verfahren zu Schritt 418 voran, um das Substitutionsverhältnis und/oder den Einspritzzeitpunkt an dem/den betroffenen Zylinder(n) anzupassen. Beispielsweise kann der Einspritzzeitpunkt vorverlegt oder verzögert werden, um den Spitzeninnendruck und die Spitzentemperatur im Zylinder zu modifizieren, und so das Klopfen zu verringern. Das Substitutionsverhältnis kann verringert werden, um das Klopfen an dem/den betroffenen Zylinder(n) zu vermindern. Bei manchen Beispielen kann der Einspritzzeitpunkt Vorrang vor der Verringerung des Substitutionsverhältnisses haben, um ein maximal zulässiges Substitutionsverhältnis aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann das Substitutionsverhältnis des Verbrennungsgemischs abhängig von der Kraftstoffverfügbarkeit angepasst werden. An bestimmten Orten kann es sein, dass einer oder mehrere der Kraftstoffe in dem Verband schlechter verfügbar sind. Der Verbrauch eines Kraftstoffs mit schlechter Verfügbarkeit kann in einigen Beispielen reduziert werden. Der Verbrauch eines Kraftstoffs mit höherer Verfügbarkeit kann erhöht werden. Die Kraftstoffverfügbarkeit kann auf Grundlage von Rückmeldungen von mehreren Fahrzeugen und Tankstellen ermittelt werden. Die Verfügbarkeit kann auf Grundlage einer Reichweite von einem aktuellen Standort des Fahrzeugs bestimmt werden. Die Reichweite kann gleich den verbleibenden Kilometern auf Grundlage des aktuellen Kraftstoffvorrats sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann eine AGR-Strömungsrate den Einspritzzeitpunkt weiter beeinflussen. Bei einer Ausführungsform können ein erster Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und/oder ein zweiter Kraftstoffeinspritzzeitpunkt als Reaktion auf das zum Motor strömende AGR verzögert werden. Das Ausmaß der Verzögerung kann proportional zur AGR-Durchflussmenge sein. Zum Beispiel kann der Einspritzzeitpunkt als Reaktion auf die AGR-Strömung aufgrund eines Anstiegs der Ansaugkrümmertemperatur verzögert werden. In einem anderen Beispiel kann der Einspritzzeitpunkt als Reaktion auf die AGR-Strömung vorverlegt werden, da das AGR dazu beitragen kann, die Wahrscheinlichkeit des Klopfens zu verringern und die NOx-Emissionen zu reduzieren, was einen vorverlegten Einspritzzeitpunkt ermöglichen kann. So können der erste und der zweite Einspritzzeitpunkt mit zunehmender AGR-Durchflussmenge verzögert werden. So kann das Substitutionsverhältnis zusätzlich zur Anpassung des Einspritzzeitpunkts verringert werden, wenn die Änderung des Einspritzzeitpunkts allein das Klopfen nicht mindert. Das Verfahren kehrt zu Schritt 416 zurück, um zu bestätigen, ob an den verbleibenden Zylindern Klopfen detektiert wurde. Ein Zeitstrahl mit Beispielen für Anpassungen der Motoreinstellungen und den daraus resultierenden Änderungen von AFR und Substitutionsverhältnis ist in 5 dargestellt.
  • Wenn an den Zylindern kein Klopfen detektiert wird, schreitet das Verfahren zu Schritt 420 voran, um festzustellen, ob ein maximal zulässiges AFR an jedem der Zylinder erreicht ist. Zum Beispiel kann das maximal zulässige AFR für jeden Zylinder von einer maximalen Druck- und Temperaturtoleranz des Zylinders abhängen. Als weiteres Beispiel kann das maximal zulässige AFR einer maximalen Ladeluftmenge entsprechen, die dem Motor am aktuellen Betriebspunkt durch Veränderung der das AFR beeinflussenden Parameter zugeführt werden kann. Die maximale Menge an zugeführter Ladeluft kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Motordrehzahl und die Turboladerdrehzahl auf die maximale Drehzahl eingestellt sind, der Einspritzzeitpunkt so angepasst ist, dass eine maximale Erhöhung des AFR durch den Einspritzzeitpunkt ermöglicht wird, die Ladelufttemperatur eine optimale Temperatur für die Maximierung des AFR aufweist, ohne Klopfen zu verursachen, und das Wastegate geschlossen ist.
  • Wird an einem oder mehreren Zylindern das maximal zulässige AFR nicht erreicht, kehrt das Verfahren zu Schritt 414 zurück, um den Kraftstoffdurchsatz weiter zu erhöhen und das Substitutionsverhältnis zu maximieren. Wenn das maximal zulässige AFR an allen Zylindern erreicht wird, schreitet das Verfahren zu Schritt 422 voran, um die Motoreinstellungen mit den an jedem der Zylinder maximierten Substitutionsverhältnissen beizubehalten, ohne dass Klopfen auftritt. Demnach kann jeder Zylinder individuell optimiert werden, um das Wasserstoff/Diesel-Gemisch mit einem maximalen Substitutionsverhältnis zu verbrennen, während gleichzeitig die Leistungsanforderungen des Motors erfüllt werden können. Die Emissionen können niedrig gehalten werden, zum Beispiel unterhalb der Emissionsschwelle, indem ein größerer Anteil des Kraftstoffgesamtenergiegehalts des in den Motor eingespritzten Kraftstoffs durch Wasserstoff bereitgestellt wird.
  • Das Verfahren 400 kann für einzelne Zylinder des Motors, für Gruppen von Zylindern (zum Beispiel Zylinder im Zweistoffbetrieb) oder für alle Zylinder des Motors wiederholt werden. Beispielsweise können verschiedene Zylinder des Motors unterschiedliche Bedingungen aufweisen, wie etwa die Zylindertemperatur. In dieser Ausführungsform kann das Verfahren 400 individuell auf jeden Zylinder des Motors angewendet werden, um das Substitutionsverhältnis für jeden Zylinder so anzupassen, dass die Emissionen des Motors reduziert werden können.
  • Bezugnehmend auf 5 ist eine Linie 500 dargestellt, das eine oder mehrere Anpassungen der Motorbetriebsbedingungen zur Einstellung des AFR zeigt. Die Einstellungen für Turbodrehzahl, Wastegate-Position, AGR und Einspritzzeitpunkt, wie in 5 dargestellt, werden mithilfe des in 4 beschriebenen Verfahrens bestimmt, um ein Substitutionsverhältnis zu maximieren und gleichzeitig wie eingangs beschrieben ein Emissionsniveau unterhalb eines gewünschten Emissionsgrenzwerts zu halten.
  • Die Linie 510 zeigt ein Substitutionsverhältnis und die gestrichelte Linie 512 zeigt ein gewünschtes (zum Beispiel ein bestimmtes) Substitutionsverhältnis. Linie 520 veranschaulicht die Menge eines zweiten Kraftstoffs (Diesel), die an den Motor zugeführt wird. Linie 530 veranschaulicht die Menge eines ersten Kraftstoffs (Wasserstoff), der an den Motor zugeführt wird. Linie 540 veranschaulicht das Kraftstoff/Luft-Verhältnis (AFR) des Motors, wobei ein maximales AFR durch die gestrichelte Linie 545 angezeigt wird. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors kann stöchiometrisch sein und von der Stöchiometrie entlang der Ordinate nach oben hin magerer werden oder von der Stöchiometrie entlang der Ordinate nach unten hin fetter werden. Es kann sein, dass der vorliegend beschriebene Betrieb des Motors überwiegend magere Bedingungen erfordert, daher bleibt das AFR in der Grafik 540 oberhalb der Stöchiometrie. Linie 550 veranschaulicht eine Turbodrehzahl (zum Beispiel Turbolader) und die gestrichelte Linie 555 veranschaulicht eine maximale Turbodrehzahl. Linie 560 veranschaulicht eine Wastegate-Position, die entlang der Ordinate kontinuierlich zwischen geschlossen und offen variiert. Linie 570 veranschaulicht die AGR-Durchflussmenge. Linie 580 veranschaulicht den Einspritzzeitpunkt, der entlang der Ordinate zwischen früh, nominal und spät variiert. Linie 590 veranschaulicht die Ausgabe des Klopfsensors, wobei die Ausgabe des Klopfsensors ein Spannungssignal sein kann. Die gestrichelte Linie 595 deutet einen Klopfschwellenwert an, bei dem, wenn der Klopfsensorausgang gleich oder größer als die gestrichelte Linie 595 ist, ein Klopfen des Motors auftritt. Die Zeit nimmt entlang einer Abszisse von der linken zur rechten Seite der Figur zu. Die Werte für die Linien 510, 520, 530, 550 und 570 können entlang der Ordinaten höher werden.
  • Vor tl ist das Substitutionsverhältnis verhältnismäßig niedrig und entspricht einem gewünschten Substitutionsverhältnis. Das verhältnismäßig niedrige Substitutionsverhältnis führt dazu, dass dem Motor eine große Menge des zweiten Kraftstoffs (zum Beispiel Diesel) und eine geringe Menge des ersten Kraftstoffs (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt wird. Bei einer Ausführungsform kann das verhältnismäßig niedrige Substitutionsverhältnis einem Einstoffbetrieb entsprechen, bei dem der zweite Kraftstoff an den Motor zugeführt wird und der erste Kraftstoff nicht an den Motor zugeführt wird. Das AFR ist annähernd stöchiometrisch, was für die Verbrennung von Diesel allein gewünscht sein kann. Das Wastegate ist teilweise geöffnet (zum Beispiel zu 50 %), die Abgasrückführung (AGR) ist gering, die Turbodrehzahl ist niedrig, und der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt kann nominal sein. Die Amplitude der Klopfsensorausgabe ist niedrig, was darauf hindeutet, dass der Motor nicht klopft.
  • Bei t1 erhöht sich das gewählte Substitutionsverhältnis. Bei einer Ausführungsform kann ein Motorbetriebszustand von einem ersten Zustand, in dem nur der zweite Kraftstoff gewünscht ist, zu einem zweiten Zustand wechseln, in dem sowohl der erste als auch der zweite Kraftstoff gewünscht sind. So kann der Motor von einem Verbrennungsmodus mit nur einem Kraftstoff zu einem Modus mit zwei Kraftstoffen wechseln. Das Substitutionsverhältnis kann sich auf ein neues gewünschtes Substitutionsverhältnis erhöhen, wie es zum Beispiel in Schritt 408 des Verfahrens für den gegebenen Umgebungsdruck und die vorgegebene Temperatur bestimmt wurde. Im Ergebnis wird zwischen t1 und t2 die Menge des zweiten Kraftstoffs kleiner und die Menge des ersten Kraftstoffs höher.
  • Sobald der Motor vom Einzelkraftstoff-Verbrennungsmodus in den Dual-Fuel-Modus gewechselt hat, kann die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen aufgrund der Selbstzündung von Wasserstoff steigen. Da Motorklopfen den Motor mit der Zeit beeinträchtigen kann, wird ein Verfahren zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen und zur Verringerung der Emissionen gewünscht. Bei einem Beispiel kann dies, wie beim Verfahren beschrieben, durch aktives Anpassen des AFR des Motors erfolgen.
  • Zwischen t1 und t2 kann das AFR kann durch Anpassung der Motoreinstellungen aktiv angepasst werden. Die Motoreinstellungen für Turbodrehzahl, Wastegate-Position, AGR-Durchfluss und Einspritzzeitpunkt können wie eingangs beschrieben mit Hilfe eines Motorkalibrierungs-Mapping-Verfahrens, einer Nachschlagetabelle oder einem anderen Verfahren zur Bestimmung der Motoreinstellungen bestimmt werden. Die Motoreinstellungen können beispielsweise anhand der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks, des gewünschten Substitutionsverhältnisses und den Betriebsbedingungen des Motors bestimmt werden.
  • Die Turbodrehzahl kann zwischen t1 und t2 auf die maximale Turbodrehzahl ansteigen. Wenn beispielsweise das Wastegate von 50 % auf 10 % geöffnet wird, kann eine größere Abgasmenge durch die Turbine strömen, was die Verdichter- und Turbodrehzahl erhöhen kann. Bei t2 kann dann, wenn die Turbodrehzahl gleich der maximalen Turbodrehzahl ist das Verstellen bzw. Anpassen des Wastegates beendet werden. Das Wastegate kann teilweise, zum Beispiel zu 10 %, geöffnet sein. Der Luftdruck kann bei t2 gleich dem maximalen Luftdruck sein, jedoch kann sich die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen einer Klopfschwelle weiter annähern.
  • Vor t1 kann sich die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen der Klopfschwelle nähern und bei t2 kann Motorklopfen auftreten. Bei Annäherung an die Klopfschwelle kann die Ladeluftmenge erhöht werden. Es kann somit ermittelt werden, dass die derzeit vorgenommenen Motoreinstellungen, einschließlich des Substitutionsverhältnisses, nicht ausreichend sind, um die Wahrscheinlichkeit des Klopfens zu verringern. Zwischen t2 und t3 kann das Substitutionsverhältnis abnehmen, so dass es kleiner als das zuvor gewünschte Substitutionsverhältnis und größer als das Substitutionsverhältnis vor t1 ist. Das Anpassen des Substitutionsverhältnisses kann dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit des Klopfens zu verringern. Zwischen t3 und t4 können zusätzliche Anpassungen des AGR-Durchflusses und des Einspritzzeitpunkts vorgenommen werden, um die Emissionen unterhalb der Emissionsschwelle zu halten, während das Substitutionsverhältnis erhöht wird.
  • Bei t4 kann Motorklopfen abgeschwächt werden. Die aktuellen Motoreinstellungen können daher für die verbleibende Dauer des Dual-Fuel-Modus beibehalten werden. Tritt während des Dual-Fuel-Modus Motorklopfen auf, können die Motoreinstellungen weiter angepasst werden, um die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen zu verringern, wie zuvor beschrieben. Die Motoreinstellungen können auf die Nenneinstellungen zurückgesetzt werden, sobald der Motor im Einzelverbrennungsmodus ist.
  • Das AFR kann während eines Zweistoffbetriebs eines Vielstoffmotors aktiv angepasst werden. Das aktive Anpassen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und optional das Anpassen eines Substitutionsverhältnisses können die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen verringern und die Emissionen reduzieren, indem die Flammengeschwindigkeit und die Selbstzündungseigenschaften des Wasserstoffs im Kraftstoffgemisch abgeschwächt werden. In einigen Fällen kann eine Erhöhung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses (AFR) die Zündwilligkeit des Kraftstoffgemischs verringern (zum Beispiel werden der erste Kraftstoff und der zweite Kraftstoff unabhängig voneinander eingespritzt und vermischen sich unabhängig voneinander mit der Luft und im Zylinder) und Wahrscheinlichkeit und Schweregrad einer Selbstzündung verringern.
  • Eine technische Wirkung der aktiven Anpassung des AFR und optional des Substitutionsverhältnisses unter Verwendung von Motoreinstellungen, die auf dem Betriebszustand des Motors und den Umgebungsbedingungen basieren, ist eine geringere Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen und instabiler Verbrennung, was die Verschlechterung des Motors verringern kann.
  • Ein Element oder ein Schritt, der im Singular genannt wird und dem das Wort „ein/eine“ oder „eines“ vorangestellt ist, schließt die Mehrzahl dieser Elemente oder Schritte nicht aus, es sei denn, ein solcher Ausschluss ist angegeben. Darüber hinaus schließen Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ der Erfindung das Vorhandensein weiterer Ausführungsformen, die die genannten Merkmale ebenfalls aufweisen, nicht aus. Darüber hinaus können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „aufweisen“, „umfassen“ oder „beinhalten“ sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, zusätzliche solche Elemente umfassen, die diese Eigenschaft nicht aufweisen. Die Begriffe „einschließlich“ und „in denen“ werden als Klartextentsprechungen der jeweiligen Begriffe „aufweisend/umfassend“ und „wobei“ verwendet. Darüber dienen die Begriffe „erstes“, „zweite“, „drittes“ etc. lediglich als Bezeichnungen und sollen nicht dazu dienen, ihren Objekten numerische Anforderungen oder eine bestimmte Reihenfolge aufzuerlegen.
  • Die vorliegend beschriebenen Steuerungsverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nicht-übertragbaren Speicher gespeichert und vom Steuersystem, einschließlich des Controllers, in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Stellgliedern und weiterer Motorhardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen konkreten Routinen können eine oder mehrere beliebige Verarbeitungsstrategien darstellen, wie zum Beispiel ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. So können verschiedene dargestellte Aktionen, Operationen und/oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge, parallel oder in manchen Fällen auch gar nicht ausgeführt werden. Eine oder mehrere der dargestellten Aktionen, Operationen und/oder Funktionen können je nach verwendeter Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen grafisch einen Code darstellen, der in den nichtübertragbaren Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Motorsteuersystem zu programmieren ist, wo die beschriebenen Aktionen durch Ausführung der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Motor-Hardwarebauteile in Kombination mit dem elektronischen Controller aufweist.
  • Der Begriff „ungefähr/annähernd“ bedeutet, sofern nicht anders angegeben, plus oder minus fünf Prozent eines/einer bestimmten Wertes oder Spanne.
  • Die Offenbarung stellt ferner auch Unterstützung für ein Verfahren für einen Motor, bereit, das Verfahren umfassend: Vermischen einer ersten Menge eines ersten Kraftstoffs und einer zweiten Menge eines zweiten Kraftstoffs, um ein Kraftstoffgemisch zu verbrennen, das ein Kraftstoffverhältnis des ersten Kraftstoffs relativ zu dem zweiten Kraftstoff aufweist, wobei der erste Kraftstoff relativ zu dem zweiten Kraftstoff eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit aufweist, wobei das Kraftstoffgemisch ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis mit einer dritten Menge an Luft aufweist, die an den Motor zugeführt wird, und Steuern entweder einer Verbrennungsgeschwindigkeit oder einer Verbrennungsstabilität eines Verbrennungsgemischs, das aus dem Kraftstoffgemisch und der an den Motor zugeführten Luft gebildet ist, durch Ändern des Kraftstoffverhältnisses, des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses oder sowohl des Kraftstoffverhältnisses als auch des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses. In einem ersten Beispiel des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner: Steuern des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses, wobei das Steuern das Signalisieren, an einen Turboladers umfasst, um ein Luftaustrittsniveau des Turboladers zumindest teilweise auf Grundlage des Erreichens einer gewünschten Luftmenge in dem Verbrennungsgemisch relativ zu der Menge des Kraftstoffgemischs anzupassen. In einem zweiten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel beinhaltet, umfasst das Signalisieren an den Turbolader die Erhöhung einer Ladeluftmenge, wobei eine Menge, um die die Ladeluftmenge zu erhöhen ist, zumindest teilweise auf Grundlage einer oder mehrerer Motoreinstellungen ausgewählt wird, so dass, wenn die Motoreinstellungen implementiert werden, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis erhöht wird, die resultierenden Emissionen geringer sind als ein entsprechender Emissionsschwellenwert, die Wahrscheinlichkeit von Motorklopfen verringert wird und das Kraftstoffverhältnis maximiert wird. Bei einem dritten Beispiel des Verfahrens, das wahlweise eines oder beide der ersten und zweiten Beispiele umfasst, umfasst das Verfahren ferner: Steuern einer Motoreinstellung durch Einstellen eines oder mehrerer der folgenden Elemente: Niveau der Abgasrückführung, Einspritzzeitpunkt, Turboladereinstellung und Wastegate-Stellung. In einem vierten Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis dritten Beispiele umfasst, umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen gewünschter Motoreinstellungen, die zumindest teilweise auf einem oder mehreren Motormesswerten basieren, die sich auf einen Luftdruck, eine Umgebungstemperatur, eine Luftfeuchte, eine Motordrehzahl, ein Motorleistungsniveau, eine Luftverteilertemperatur und einen Luftverteilerdruck beziehen. In einem fünften Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis vierten Beispiele umfasst, umfasst das Verfahren ferner: Anpassen des Motorbetriebs zumindest teilweise als Reaktion auf eine Messung, dass die Umgebungstemperatur oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt und die Motorleistung größer als ein Leistungsschwellenwert ist. In einem sechsten Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis fünften Beispiele umfasst, umfasst das Verfahren ferner: Hinzugabe einer Menge an Abgasrückführung zu dem Verbrennungsgemisch, um eine Brenngeschwindigkeit des Verbrennungsgemischs zu verringern. In einem siebten Beispiel des Verfahrens, das wahlweise eines oder mehrere oder jedes der ersten bis sechsten Beispiele umfasst, wird die Menge des ersten Kraftstoffs als Reaktion auf eine Erhöhung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses erhöht. In einem achten Beispiel des Verfahrens, das wahlweise eines oder mehrere oder jedes der ersten bis siebten Beispiele umfasst, ist der erste Kraftstoff Wasserstoff und der zweite Kraftstoff Diesel.
  • Die Offenbarung stellt ferner Unterstützung für ein Verfahren für einen Vielstoffmotor bereit, das umfasst: Umschalten des Vielstoffmotors von einem ersten Einzelverbrennungsmodus, in dem ein Flüssigkraftstoff mit einem ersten Kraftstoff/LuftVerhältnis verbrannt wird, in einen zweiten Vielstoff-Verbrennungsmodus, in dem ein Gemisch aus Wasserstoff und dem Flüssigkraftstoff mit einem zweiten Kraftstoff/LuftVerhältnis verbrannt wird, wobei das zweite Kraftstoff/Luft-Verhältnis höher ist als das erste Kraftstoff/Luft-Verhältnis. In einem ersten Beispiel des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner: Anpassen eines Verhältnisses von Wasserstoff zu Flüssigkraftstoff in dem Gemisch bis zu einer ermittelten Klopfschwelle des Vielstoffmotors. In einem zweiten Beispiel des Verfahrens, das optional das erste Beispiel beinhaltet, basiert die ermittelte Klopfschwelle auf einer Druckanstiegsrate oder einem maximalen Zylinderdruck. Bei einem dritten Beispiel des Verfahrens, das wahlweise eines oder beide der ersten und zweiten Beispiele beinhaltet, wird bei Annäherung an die ermittelte Klopfschwelle eine Wasserstoffmenge reduziert. Bei einem vierten Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis dritten Beispiele umfasst, wird bei Annäherung an die ermittelte Klopfschwelle die Menge an Ladeluft erhöht. In einem fünften Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis vierten Beispiele umfasst, wird die Menge der Ladeluft durch Einstellen von mindestens einem der folgenden Elemente gesteuert: Abgasrückführung, Einspritzzeitpunkt, Einstellung eines Turboladers mit variabler Geometrie, Betrieb eines elektrischen Turboladers, Ventilsteuerung des Vielstoffmotors sowie Wastegate-Stellung. In einem sechsten Beispiel des Verfahrens, das wahlweise eines oder mehrere oder jedes der ersten bis fünften Beispiele beinhaltet, wird eine Brenngeschwindigkeit des Gemischs aus Wasserstoff und Flüssigkraftstoff durch Einstellen einer Menge an Abgasrückführung in Kombination mit der Menge an Ladeluft verringert, wodurch ein für die Verbrennung verfügbarer Oxidationsmittelgehalt eingestellt wird. In einem siebten Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis sechsten Beispiele umfasst, arbeitet der Vielstoffmotor mit homogener Kompressionszündung (HCCI), wenn ein erstes Kraftstoff/Luft-Verhältnis größer als ein erster Kraftstoff/Luft-Schwellenwert ist und ein erstes Substitutionsverhältnis größer als ein erster Substitutionsschwellenwert ist, und der Vielstoffmotor arbeitet mit Vorgemisch-Ladungskompressionszündung (PCCI), wenn ein zweites Kraftstoff/Luft-Verhältnis kleiner als ein zweiter Kraftstoff/Luft-Schwellenwert ist und ein zweites Substitutionsverhältnis kleiner als ein zweiter Substitutionsschwellenwert ist. In einem achten Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis siebten Beispiele umfasst, umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen einer gewünschten Motoreinstellung, die zumindest teilweise auf einem oder mehreren Motormesswerten basiert, die sich auf mindestens eines der folgenden Elemente beziehen: Luftdruck, Umgebungstemperatur, Luftfeuchte, Motordrehzahl, Motorleistung, Krümmer-Lufttemperatur und Krümmer-Luftdruck. In einem neunten Beispiel des Verfahrens, das optional eines oder mehrere oder jedes der ersten bis achten Beispiele umfasst, umfasst das Verfahren ferner: Anpassen der Motoreinstellungen, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis als Reaktion auf eine Messung, dass die Umgebungstemperatur oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt und die Motorleistung verhältnismäßig hoch ist, zu erhöhen.
  • Die Offenbarung stellt ferner Unterstützung für ein System bereit, das einen Controller mit einem oder mehreren Prozessoren aufweist, die konfiguriert sind, um als Reaktion auf eine Erhöhung eines Kraftstoff/Luft-Verhältnisses einen Motor zu veranlassen, eine erste Menge eines ersten Kraftstoffs im Verhältnis zu einer zweiten Menge eines zweiten Kraftstoffs anzupassen.
  • Bei einer Ausführungsform können das Steuersystem oder der Controller ein lokales Datensammelsystem einsetzen und maschinelles Lernen verwenden, um ableitungsbasierte Lernergebnisse zu ermöglichen. Der Controller kann aus einer Datenmenge (einschließlich der von den verschiedenen Sensoren bereitgestellten Daten) lernen und Entscheidungen treffen, indem er datengesteuerte Vorhersagen trifft und sich entsprechend der Datenmenge anpasst. Bei manchen Ausführungsformen kann das maschinelle Lernen die Durchführung einer Vielzahl von maschinellen Lerntasks durch Maschinenlernsystem umfassen, wie überwachtes Lernen, nicht-überwachtes Lernen und Verstärkungslernen. Überwachtes Lernen kann beinhalten, dass den maschinellen Lernsystemen eine Menge von Beispieleingaben und gewünschten Ausgaben vorliegt. Unüberwachtes Lernen kann beinhalten, dass der Lernalgorithmus seine Eingabe durch Verfahren 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, Anomaliedetektion und dergleichen. In Beispielen kann maschinelles Lernen eine Vielzahl mathematischer und statistischer 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. Bei bestimmten Ausführungsformen können bestimmte Algorithmen des maschinellen Lernens verwendet werden (zum Beispiel zur Lösung sowohl von eingeschränkten als auch von uneingeschränkten Optimierungsproblemen, die auf natürlicher Auswahl beruhen können). In einem Beispiel kann der Algorithmus verwendet werden, um Probleme der gemischt-ganzzahligen Programmierung zu lösen, bei denen einige Bestandteile auf ganzzahlige Werte beschränkt sind. Algorithmen und Techniken und Systeme des maschinellen Lernens können in den Bereichen computergestützte Intelligenzsysteme, Computer Vision, Natural Language Processing (NLP), Empfehlungssysteme, Verstärkungslernen, Erstellung grafischer Modelle usw. eingesetzt werden. Beispielsweise kann maschinelles Lernen für die Fahrzeugleistung und -steuerung, die Verhaltensanalyse und ähnliches verwendet werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Controller eine Policy-Engine enthalten, die eine oder mehrere Policies anwenden kann. Diese Richtlinien können zumindest teilweise auf den Merkmalen einer bestimmten Vorrichtung oder einer bestimmten Umgebung beruhen. In Bezug auf die Steuerungsrichtlinien kann ein neuronales Netz eine Reihe von umwelt- und aufgabenbezogenen Parametern als Eingabe erhalten. Das neuronale Netz kann so trainiert werden, dass es auf Grundlage dieser Eingaben eine Ausgabe erzeugt, wobei die Ausgabe eine Aktion oder eine Folge von Aktionen darstellt, die das Motorsystem ausführen kann. Dies kann nützlich sein, um zeitgleiche Anforderungen an den Motor auszugleichen. Während des Betriebs einer Ausführungsform kann eine Bestimmung erfolgen, bei der die Eingaben durch die Parameter des neuronalen Netzes verarbeitet werden, um einen Wert am Ausgangsknoten zu erzeugen, der diese Aktion als die gewünschte Aktion kennzeichnet. Diese Aktion kann in ein Signal umgesetzt werden, das den Motor in Betrieb setzt. Dies kann über Backpropagation, Feed-forward-Prozesse, geschlossene Regelschleifen oder offene Regelschleifen erreicht werden. Anstelle von Backpropagation kann das maschinelle Lernsystem des Controllers auch Evolutionsstrategien verwenden, um verschiedene Parameter des künstlichen neuronalen Netzes abzustimmen. Der Controller kann neuronale Netzarchitekturen mit Funktionen verwenden, die mit Backpropagation nicht immer lösbar sind, zum Beispiel Funktionen, die nicht konvex sind. Bei einer Ausführungsform besitzt 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 der Fahrzeugcontroller 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 sein.
  • In dieser schriftlichen Beschreibung wird die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, anhand von Beispielen offenbart, um einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuüben, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung der integrierten Verfahren. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Ausführungsformen umfassen, die dem Fachmann bekannt sind. Solche anderen Ausführungsformen sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche enthalten.

Claims (20)

  1. Verfahren für einen Motor, umfassend: Vermischen einer ersten Menge eines ersten Kraftstoffs und einer zweiten Menge eines zweiten Kraftstoffs, um ein Kraftstoffgemisch mit einem Kraftstoffverhältnis des ersten Kraftstoffs in Bezug auf den zweiten Kraftstoff zu verbrennen, wobei der erste Kraftstoff in Bezug auf den zweiten Kraftstoff eine schnellere Verbrennungsflammengeschwindigkeit aufweist, wobei das Kraftstoffgemisch ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis mit einer dritten Menge an Luft aufweist, die an den Motor zugeführt wird; und Steuern der Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder der Stabilität der Verbrennung eines Verbrennungsgemischs, das aus dem Kraftstoffgemisch und an den Motor zugeführter Luft gebildet wird, durch Ändern des Kraftstoffverhältnisses und/oder des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und/oder sowohl des Kraftstoffverhältnisses als auch des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Steuern des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses, wobei das Steuern das Signalisieren an einen Turbolader umfasst, ein Luftaustrittsniveau des Turboladers zumindest teilweise auf Grundlage des Erreichens einer gewünschten Luftmenge in dem Verbrennungsgemisch relativ zur Menge des Kraftstoffgemischs anzupassen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Signalisieren an den Turbolader das Erhöhen einer Ladeluftmenge umfasst, wobei eine Menge, um die die Ladeluftmenge zu erhöhen ist, zumindest teilweise auf Grundlage einer oder mehrerer Motoreinstellungen ausgewählt wird, so dass dann, wenn Motoreinstellungen implementiert werden, das Kraftstoff/Luft-Verhältnis erhöht wird, die resultierenden Emissionen geringer sind als ein entsprechender Emissionsschwellenwert, die Wahrscheinlichkeit des Motorklopfens verringert wird und das Kraftstoffverhältnis maximiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Steuern einer Motoreinstellung durch Anpassen von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Niveau der Abgasrückführung, Einspritzzeitpunkt, Turboladereinstellung und Wastegate-Position.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend das Bestimmen der gewünschten Motoreinstellungen zumindest teilweise auf Grundlage eines oder mehrerer Motormesswerte, die sich auf einen Luftdruck und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder eine Luftfeuchte und/oder eine Motordrehzahl und/oder ein Motorleistungsniveau und/oder eine Krümmer-Lufttemperatur und/oder einen Krümmer-Luftdruck beziehen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Anpassen des Motorbetriebs zumindest teilweise als Reaktion auf eine Messung, dass die Umgebungstemperatur oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt und die Motorleistung größer als eine Leistungsschwelle ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend das Zusetzen einer Menge an Abgasrückführung zu dem Verbrennungsgemisch, um eine Brenngeschwindigkeit des Verbrennungsgemischs zu verringern.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge des ersten Kraftstoffs als Reaktion auf eine Erhöhung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses erhöht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten Kraftstoff um Wasserstoff und bei dem zweiten Kraftstoff um Diesel handelt.
  10. Verfahren für einen Vielstoffmotor, umfassend: Umschalten des Vielstoffmotors von einem ersten Einzelverbrennungsmodus, in dem ein Flüssigkraftstoff mit einem ersten Kraftstoff/Luft-Verhältnis verbrannt wird, in einen zweiten Vielstoff-Verbrennungsmodus, in dem ein Gemisch aus Wasserstoff und dem Flüssigkraftstoff mit einem zweiten Kraftstoff/Luft-Verhältnis verbrannt wird, wobei das zweite Kraftstoff/Luft-Verhältnis höher ist als das erste Kraftstoff/Luft-Verhältnis.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Anpassen eines Verhältnisses von Wasserstoff zu Flüssigkraftstoff in dem Gemisch bis zu einer ermittelten Klopfschwelle des Vielstoffmotors.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die ermittelte Klopfschwelle auf einer Druckanstiegsrate oder einem maximalen Zylinderdruck basiert.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Menge an Wasserstoff bei Annäherung an die ermittelte Klopfschwelle reduziert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Menge an Ladeluft erhöht wird, wenn sich die ermittelte Klopfschwelle nähert.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Ladeluftmenge gesteuert wird, indem die Abgasrückführung und/oder der Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einstellung eines Turboladers mit variabler Geometrie und/oder der Betrieb eines elektrischen Turboladers und/oder die Ventilsteuerung des Vielstoffmotors und/oder die Wastegate-Position angepasst werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Brenngeschwindigkeit des Gemischs aus Wasserstoff und Flüssigkraftstoff durch Anpassen der Menge an Abgasrückführung in Kombination mit der Menge der Ladeluft verringert wird, wodurch der für die Verbrennung verfügbare Oxidationsmittelgehalt angepasst wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Vielstoffmotor unter Verwendung der homogenen Kompressionszündung (HCCI) arbeitet, wenn ein erstes Kraftstoff/LuftVerhältnis größer als ein erster Kraftstoff/Luft-Schwellenwert ist und ein erstes Substitutionsverhältnis größer als ein erster Substitutionsschwellenwert ist, und der Vielstoffmotor unter Verwendung der Vorgemisch-Ladungskompressionszündung (PCCI) arbeitet, wenn ein zweites Kraftstoff/Luft-Verhältnis kleiner als ein zweiter Kraftstoff/Luft-Schwellenwert ist und ein zweites Substitutionsverhältnis kleiner als ein zweiter Substitutionsschwellenwert ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Bestimmen einer gewünschten Motoreinstellung, die zumindest teilweise auf einem oder mehreren Motormesswerten basiert, die sich auf den barometrischen Druck und/oder die Umgebungstemperatur und/oder die Luftfeuchte und/oder die Motordrehzahl und/oder die Motorleistung und/oder die Krümmer-Lufttemperatur und/oder den Krümmer-Luftdruck beziehen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das Anpassen der Motoreinstellungen, um das Kraftstoff/Luft-Verhältnis als Reaktion auf eine Messung zu erhöhen, dass die Umgebungstemperatur oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt und die Motorleistung verhältnismäßig hoch ist.
  20. System, aufweisend einen Controller mit einem oder mehreren Prozessoren, die konfiguriert sind, um einen Motor zu veranlassen, eine erste Menge eines ersten Kraftstoffs relativ zu einer zweiten Menge eines zweiten Kraftstoffs als Reaktion auf eine Erhöhung eines Kraftstoff/Luft-Verhältnisses anzupassen.
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