DE102023115410A1

DE102023115410A1 - Arbeitsfahrzeugantriebssystem mit kohlenstoffarmen kraftstoffmischungen

Info

Publication number: DE102023115410A1
Application number: DE102023115410.9A
Authority: DE
Inventors: Danan Dou; Craig W. Lohmann; Taner Tuken; Daniel Nehmer; Barbara E. Goodrich
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2022-06-14
Filing date: 2023-06-13
Publication date: 2023-12-14
Also published as: US20230407807A1

Abstract

Ein Antriebssystem für ein Arbeitsfahrzeug umfasst eine Ansauganlage zum Ansaugen von Ladeluft; eine Kraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank umfasst, der eine kohlenstoffarme Kraftstoffmischung lagert; einen Motor, der dazu ausgelegt ist, eine Mischung aus der Ladeluft und der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen, zu entzünden und zu verbrennen; eine nachgeschaltet positionierte Abgasanlage zum Empfangen von Abgasen von dem Motor während der Verbrennung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung; mindestens einen Abgassensor, der an oder nahe der Abgasanlage positioniert ist; und eine Steuerung. Die Steuerung ist dazu ausgelegt, eine ursprüngliche Angabe einer Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen; Betriebsparameter mit Feedforward-Anpassungen basierend auf der ursprünglichen Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu implementieren; Feedback von dem mindestens einen Abgassensor bezüglich der Betriebsbedingungen zu empfangen; und die Betriebsparameter basierend auf dem Feedback anzupassen.

Description

Diese Anmeldung ist eine nicht vorläufige Anmeldung von vorläufiger US-Patentanmeldung 63/366.364 , eingereicht am 14. Juni 2022, die hierin unter Bezugnahme eingegliedert ist, und beansprucht Priorität für diese.
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf Arbeitsfahrzeuge, und insbesondere auf Arbeitsfahrzeugantriebssysteme und -verfahren.
Schwere Arbeitsfahrzeuge, wie sie z.B. in der Bau-, Landwirtschafts- und Forstindustrie verwendet werden, umfassen in der Regel ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor. Solche Motoren können Fremdzündungsmotoren oder Selbstzündungsmotoren sein, die fossile Kraftstoffe verwenden, um einen gewünschten Wirkungsgrad und gewünschte Leistungseigenschaften für die entsprechenden Arbeiten bereitzustellen. Diese Kraftstoffe können jedoch unerwünschte Emissionen verursachen.
Die Offenbarung beinhaltet ein Arbeitsfahrzeug und ein Antriebssystem, die mit einer Mischung aus kohlenstoffarmen Kraftstoffen, wie z. B. Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₆O), Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂), betrieben werden.
In einem Aspekt wird ein Antriebssystem für ein Arbeitsfahrzeug bereitgestellt. Das Antriebssystem umfasst eine Ansauganlage, die dazu ausgelegt ist, Ladeluft anzusaugen; eine Kraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank umfasst, der dazu ausgelegt ist, eine kohlenstoffarme Kraftstoffmischung zu lagern; einen Motor, der mehrere Kolben-Zylinder-Sätze umfasst, die dazu ausgelegt sind, eine Mischung aus der Ladeluft und der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen, zu entzünden und zu verbrennen; eine nachgelagerte Abgasanlage, um Abgase von dem Motor während der Verbrennung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen; mindestens einen Abgassensor, der an oder nahe der Abgasanlage positioniert ist; und eine Steuerung, die mit dem mindestens einen Abgassensor, der Ansauganlage, der Kraftstoffanlage und dem Motor gekoppelt ist. Die Steuerung ist dazu ausgelegt: eine ursprüngliche Angabe einer Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen; Betriebsparameter mit Feedforward-Anpassungen basierend auf der ursprünglichen Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu implementieren; Feedback von dem mindestens einem Abgassensor bezüglich der Betriebsbedingungen zu empfangen; und die Betriebsparameter basierend auf dem Feedback von dem mindestens einen Abgassensor anzupassen.
In einem Beispiel für das Antriebssystems ist mindestens ein Kraftstoffsensor an oder nahe dem Kraftstofftank der Kraftstoffanlage positioniert.
In einem Beispiel für das Antriebssystem basiert die ursprüngliche Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung auf Informationen von dem mindestens einen Kraftstoffsensor, der an oder nahe dem Kraftstofftank der Kraftstoffanlage positioniert ist.
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist der mindestens eine Kraftstoffsensor ein Dichtesensor.
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist der mindestens eine Kraftstoffsensor ein Leitfähigkeitssensor.
In einem Beispiel für das Antriebssystem basiert die ursprüngliche Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung auf Informationen von dem mindestens einen Abgassensor.
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist die Steuerung dazu ausgelegt, die Ansauganlage, die Kraftstoffanlage und den Motor in einem mageren Verbrennungsmodus zu betreiben.
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist der Motor ein Selbstzündungsmotor.
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100).
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Methanol (CH₃OH) und Biodiesel (B100).
In einem Beispiel für das Antriebssystem ist der Motor ein Fremdzündungsmotor, wobei die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) ist.
In einem Beispiel für das Antriebssystem umfasst der mindestens eine Abgassensor einen Kohlendioxid (CO₂) -Sensor, der in oder nahe der Abgasanlage angeordnet ist.
In einem Beispiel für das Antriebssystem umfasst der mindestens eine Abgassensor einen Sauerstoff (O₂) -Sensor, der in oder nahe der Abgasanlage angeordnet ist.
In dem Antriebssystem umfasst der mindestens eine Abgassensor einen Stickoxid (No_x) - Sensor, einen Sauerstoff (O₂) -Sensor und einen Kohlendioxid (CO₂) -Sensor, die an oder nahe der Abgasanlage positioniert sind.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren für den Betrieb eines Antriebssystems mit einer Ansauganlage, einer Kraftstoffanlage mit einer kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung, einem Motor und einer Abgasanlage bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bestimmen, an einer Steuerung, einer ursprünglichen Angabe einer Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung; das Implementieren, durch die Steuerung, von Betriebsparametern für die Kraftstoffanlage, die Ansauganlage und den Motor mit Feedforward-Anpassungen basierend auf der ursprünglichen Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung; das Empfangen, an der Steuerung, von Feedback von dem mindestens einen Abgassensor bezüglich der Betriebsbedingungen; und das Anpassen der Betriebsparameter basierend auf dem Feedback von dem mindestens einen Abgassensor.
In einem Beispiel für das Verfahren umfasst das Antriebssystem ferner den mindestens einen Kraftstoffsensor, der an oder nahe dem Kraftstofftank der Kraftstoffanlage positioniert ist, und das Bestimmen der ursprünglichen Angabe einer Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung umfasst das Bestimmen der ursprünglichen Angabe basierend auf den Informationen von dem mindestens einen Kraftstoffsensor.
In einem Beispiel für das Verfahren ist der mindestens eine Kraftstoffsensor ein Dichtesensor und/oder ein Leitfähigkeitssensor.
In einem Beispiel für das Verfahren ist die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) und/oder eine Kraftstoffmischung aus Methanol (CH₃OH) und Biodiesel (B100) und/oder eine Kraftstoffmischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂).
In einem Beispiel für das Verfahren umfasst der mindestens eine Abgassensor einen Stickoxid (No_x) -Sensor und/oder einen Sauerstoff (O₂) -Sensor und/oder einen Kohlendioxid (CO₂) -Sensor, die an oder nahe der Abgasanlage positioniert sind.
In einem Beispiel für das Verfahren umfasst das Verfahren ferner das Befehlen, mit der Steuerung, des Betriebs gemäß einem erwarteten stöchiometrischen A/F-Verhältnis; das Bestimmen eines resultierenden A/F-Verhältnisses; das Vergleichen des resultierenden A/F-Verhältnisses mit dem erwarteten stöchiometrischen A/F-Verhältnis, um die Bestimmung der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu beurteilen.
Die Details einer oder mehrerer Ausführungsformen werden in den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung unten dargelegt. Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.

1 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines beispielhaften Arbeitsfahrzeugs in Form eines Traktors, wobei ein Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann;
2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Antriebssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Antriebssystems, wie z. B. des in 2 gezeigten Systems, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.

In den verschiedenen Zeichnungen geben gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente an.
Im Folgenden werden eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen des offenbarten Antriebssystems und -verfahrens, wie in den oben kurz beschriebenen beigefügten Figuren der Zeichnungen gezeigt, beschrieben. Durch einen Fachmann können verschiedene Modifikationen der beispielhaften Ausführungsformen in Betracht gezogen werden. Die vorliegende Besprechung kann sich manchmal auf die beispielhafte Anwendung eines Antriebssystems in einem Traktor konzentrieren, das offenbarte Antriebssystem ist jedoch auf andere Arten von Arbeitsmaschinen und/oder andere Arten von Motorsystemen anwendbar.
Arbeitsfahrzeuge können Antriebssysteme umfassen, die in der Regel Dieselmotoren aufweisen, um Drehmoment in verschiedensten Anwendungen, wie z. B. Fernlastern, Traktoren, landwirtschaftlichen oder Baufahrzeugen, Übertagebauausrüstung, nicht elektrischen Lokomotiven, stationären Energiegeneratoren und dergleichen, zu erzeugen. Obwohl solche Motoren vorteilhafte Energie- und Leistungseigenschaften aufweisen können, können Motoren auf Basis von Diesel, Benzin, oder anderen Arten von fossilen Kraftstoffen unerwünschte Emissionen erzeugen.
Im Gegensatz zu Diesel, Benzin und anderen herkömmlichen fossilen Kraftstoffen können andere, weniger weit verbreitete Kraftstoffe, wie z. B. Ethanol (C₂H₆O), Biodiesel (B100), Methanol (CH₃OH), Methan (CH₄), Wasserstoff (H₂) und Mischungen davon sowohl bezüglich der Beschaffung als auch bezüglich der Emissionen Vorteile haben. Insbesondere kann eine Kraftstoffmischung aus einem Alkohol (z. B. Ethanol (C₂H₆O) oder Methanol (CH₃OH)) und Biodiesel (B100) oder aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) gebildet werden. Im Allgemeinen sind Ethanol (C₂H₆O) oder Methanol (CH₃OH) und Biodiesel (B100) flüssige Kraftstoffmischungen; und Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) sind gasförmige Kraftstoffmischungen. Beispiele für Biodiesel würden Fettsäuremethylester oder Fettsäureethylester umfassen. Kraftstoffmischungen, die Ethanol oder Methanol enthalten, können in einigen Fällen Wasser enthalten, abhängig von der Lagerungstrockenheit des Ethanols oder Methanols, das zur Bildung der Mischung verwendet wird, da Ethanol und Methanol hydrophiler sind als reiner Diesel oder reines Benzin. In einigen Fällen können Ethylen, Ethan oder Propan anstelle von Methan (CH₄) verwendet werden, insbesondere, wenn ein solcher Kraftstoff über einen Niederdrucktank oder direkt über eine Rohrleitung für stationäre Anwendungen bereitgestellt wird.

Insgesamt werden diese Kraftstoffe (z. B. Ethanol (C₂H₆O), Methanol (CH₃OH), Biodiesel (B100), Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) als kohlenstoffarme Kraftstoffe betrachtet, die jegliche Kraftstoffe mit geringerer Kohlenstoffauswirkung über den gesamten Lebenszyklus umfassen (z. B. nicht nur unter Berücksichtigung der Emissionen von dem Verbrennungsprozess, sondern zusätzlich durch Beschaffungs-, Raffinierungs- und/oder Abfallprozesse) als jene aus herkömmlichem Diesel. Individuell können solche Kraftstoffe Herausforderungen aufweisen, jedoch können die Kraftstoffe als Mischung Verbrennungs- und Emissionseigenschaften aufweisen, die einander ergänzen. Daher kann es vorteilhaft sein, eine Mischung als Kraftstoffquelle zu verwenden, selbst wenn das Mischungsverhältnis je nach Marktregion, Saisonalität und Kraftstoffverfügbarkeit variieren kann. Die Eigenschaften solcher Kraftstoffe und traditionellerer Kraftstoffe sind in Tabelle 1 unten zusammengefasst. Tabelle 1

Kraftstoff	Niedriger Brennwert (MJ/kg)	Stöchiometrisches A/F-Verhältnis	CO₂ % im Abgas bei Stöchiometrie	Cetanzahl	Oktanzahl	Molverhältnis Kraftstoffaustritt
Diesel	42,7	14,5	20,5 %	45	Nicht anwendbar	0
Erneuerbarer Diesel	44	14,9	19,6 %	80	Nicht anwendbar	0
B100	36,7	12,5	21,0 %	50	Nicht anwendbar	0,12
DME	29	9	19,2 %	55	<20	0,5
Ethanol	27	9,0	19,2 %	12	113	0,5
Benzin	42,9	14,5	20,5 %	Nicht anwendbar	87	0
Propan	46,3	15,6	18,1 %	<10	104	0
Methanol	19,6	6,4	18,5 %	5	119	1
CH₄	50	17,2	15,1 %	Nicht anwendbar	110	0
H₂	121	34,3	0,0 %	Nicht anwendbar	130	0

Im Gegensatz zu Diesel, der frei von Sauerstoff ist, und ein relativ konstantes H/C-Verhältnis und eine relativ konstante Dichte aufweist, enthalten kohlenstoffarme Kraftstoffe variierende Verhältnisse von Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff und variierende Dichten, sowie einen variierenden Energiegehalt und Eigenschaften, die sich auf die Verbrennung auswirken. Daher können konventionelle Systeme durch Variationen der Kraftstoffmischung Probleme mit der Verbrennungsstabilität haben, und die Leistungsabgabe kann nicht ausreichend stabil sein, und die daraus resultierenden Emissionen können ein Problem darstellen. Daher sollte während des Betriebs mit kohlenstoffarmen Kraftstoffmischungen ein wirksames Management der Verbrennung und der Emissionen berücksichtigt werden.
In der hierin beschriebenen Offenbarung können die Antriebssysteme und -verfahren Strategien zur Steuerung der Verbrennung implementieren, um sowohl die Motorleistung als auch die Emissionen einer Kraftstoffmischung zu berücksichtigen. Außerdem können die Antriebssysteme und -verfahren Emissionssteuerstrategien aufweisen, um die Emissionsprobleme für eine solche Kraftstoffmischung weiter zu berücksichtigen. Insbesondere können Antriebssysteme und -verfahren solche Steuervorgänge durch Verwenden verschiedener Sensoren oder anderer Quellen implementieren, um eine ursprüngliche Angabe der Bestandteile der Kraftstoffmischung und eine Feedforward-Strategie zu bestimmen, um die gewünschten Zünd- und Verbrennungseigenschaften bereitzustellen, während die Verwendung der kohlenstoffarmen Kraftstoffe ermöglicht wird, die wünschenswertere Kosten und/oder geringere Emissionen, einschließlich weniger Kohlendioxid (CO₂), Stickoxide (NOx) und andere unerwünschte Emissionen, aufweisen können. Eine solche Implementierung kann für neue Motorausführungen, für bestehende Motorausführungen und für angebotene Nachrüstsätze für im Einsatz befindliche Motoren gelten.
Die Feedforward-Steuerstrategie kann auf Kraftstoffmischungen aus kohlenstoffarmen Kraftstoffen in verschiedenen Verbrennungsmodi angewendet werden, einschließlich einer mageren Verbrennung, wobei der Kraftstoffenergiegehalt und das Wasserstoff / Kohlenstoff (C) / Sauerstoff-Verhältnis insbesondere unter Berücksichtigung unterschiedlicher Verbrennungseigenschaften, wie z. B. Selbstzündungstemperatur, Zündverzug, unterschiedliche stöchiometrische Luft-Kraftstoff (Air-Fuel, A/F) -Verhältnisse und Klopfgrenzen, variieren können. Beispiele für solche Kraftstoffmischungen sind Ethanol (C₂H₆O)/Biodiesel (B100), Methanol (CH₃OH)/Biodiesel (B100) und Methan (CH₄)/Wasserstoff (H₂).
Wie oben vorgestellt, können die hierin beschriebenen Antriebssysteme und -verfahren ein Feedforward-Steuerschema umfassen. Ein Steuersystem, das nur Feedforward-Verhalten aufweist, reagiert auf sein Steuersignal in einer vordefinierten Weise, ohne auf die Reaktion der Last zu reagieren; und es steht im Gegensatz zu einem System, das sich auf Feedback verlässt, um die Eingabe anzupassen. Mit anderen Worten, in einem Feedforward-System ist die Anpassung der Steuervariablen nicht fehlerbasiert, sondern die Anpassung basiert stattdessen auf dem Wissen über den Prozess in der Form eines mathematischen Modells des Prozesses, und dem Wissen über oder Messungen von Prozessstörungen. In der Praxis sollte in dem Feedforward-Steuerschema das externe Befehls- oder Steuersignal verfügbar sein, und die Auswirkung der Ausgabe des Systems auf die Last sollte bekannt sein. Mit der Feedforward-Steuerung werden die Störungen gemessen und berücksichtigt, noch bevor sie das System beeinflussen können.
Anhand dieser Strategie werden die gewünschten Parameter für die Steuerung der Verbrennung bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten bestimmt und optimiert, um die Kraftstoffeffizienz zu maximieren und Emissionen zu reduzieren. Insbesondere kalibrierte Parameter, wie z. B. Kraftstoffmenge, Beginn der Einspritzung, gewünschtes Luft-Kraftstoff (A/F) -Verhältnis und EGR-Rate und dergleichen, werden als End-of-Line-Kalibrierungsparametertabellen in einer Steuerung gespeichert.
Zusätzlich zu der Feedforward-Strategie können das Antriebssystem und -verfahren Emissionsinformationen von einem Stickoxid (No_x) -Sensor und/oder einem Sauerstoff (O₂) - Sensor und/oder einem Kohlendioxid (CO₂) -Sensor berücksichtigen, die an oder nahe der Abgasanlage positioniert sind. Solche Emissionsinformationen können als Feedback verwendet werden, um die Betriebsparameter zu verfeinern.
Daher, und wie unten detaillierter beschrieben, werden Steuer- und Diagnoseverfahren bereitgestellt, um die Motorverbrennung und die Emissionen dieser Kraftstoffmischungen ordnungsgemäß zu steuern. Solche Steuer- und Diagnoseverfahren können über Antriebssysteme hinweg für unterschiedliche Mischungen kohlenstoffarmer Kraftstoffe angewendet werden, einschließlich der Reaktion auf Änderungen der Kraftstoffmischungen durch dynamische Anpassung der Verbrennungsrezepturen und der Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Steuerung der Nachbehandlung. Solche Steuer- und Diagnoseverfahren können z. B. auf eine Kraftstoffmischung anwendbar sein, die zwei Kraftstoffe mit stark unterschiedlichen Cetanzahlen für einen Selbstzündungsmotor enthält, wie in dem Fall von Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100). In dem Fall einer Methan (CH₄)/Wasserstoff (H₂) - Mischung hat Wasserstoff (H₂) einen geringeren Zündenergiebedarf, und ist anfälliger für Vorzündung durch heiße Stellen im Zylinder als Methan (CH₄). Abhängig von den Wasserstoff (H₂) -Mischungsverhältnissen können die Luft-Kraftstoff (A/F) -Verhältnisse, die EGR und der Zündzeitpunkt entsprechend angepasst werden.
In einem Beispiel kann das Antriebssystem einen Leitfähigkeitssensor umfassen, um den Kraftstoffgehalt zu beurteilen. Im Allgemeinen können Leitfähigkeitssensoren Leitfähigkeitsunterschiede zwischen Kraftstoffbestandteilen verwenden, um die Zusammensetzung zu bestimmen. In einem weiteren Beispiel kann das Antriebssystem einen Dichtesensor umfassen, um den Kraftstoffgehalt zu beurteilen. Während des Betriebs können der Steuerung solche Informationen über die Zusammensetzung der Kraftstoffmischung bereitgestellt werden, um die Einspritzqualitäten des Kraftstoffs in einer Feedforward-Weise anzupassen, um den Energiegehalt der Kraftstoffmischung zu korrigieren und die angestrebte Leistungsabgabe zu liefern.
Zusätzlich können verschiedene Arten von Sensoren Eigenschaften, wie z. B. die in Tabelle 1 aufgeführten, verwenden, um die Zusammensetzung einer Kraftstoffmischung zu beurteilen und/oder die Leistung solcher Mischungen zu verbessern. Da z. B. bei der Verbrennung von Wasserstoff (H₂) kein Kohlendioxid (CO₂) entsteht, ist die Kohlendioxid (CO₂) -Konzentration in dem Abgas einer Methan (CH₄)- und Wasserstoff (H₂) - Kraftstoffmischung ein Hinweis darauf, wieviel Methan (CH₄) sich in der Kraftstoffmischung befindet. Als ein weiteres Beispiel hat Ethanol (C₂H₆O) ein molares Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von 0,5 und eine sehr niedrige Cetanzahl (z. B. weniger als 5) mit niedrigerem Heizwert, während Biodiesel (B100) eine hohe Cetanzahl (z. B. mehr als 50) und einen höheren Heizwert als Ethanol (C₂H₆O) aufweist. Wenn Ethanol (C₂H₆O) mit Biodiesel (B100) gemischt wird, hängt der Zündverzug stark von der Biodiesel (B100) -Konzentration ab. Wenn die relative Menge an Biodiesel (B100) in der Mischung zunimmt, wird der daraus resultierende Kraftstoff als Kraftstoff mit hohem Cetanwert mit einem kürzeren Zündverzug und einer niedrigeren Selbstentzündungstemperatur arbeiten als sauberes Ethanol (C₂H₆O). Umgekehrt verringert die Mischung von Biodiesel (B100) und Ethanol (C₂H₆O) die Viskosität von reinem Biodiesel (B100), und senkt somit potenziell den Trübungspunkt, was ein Verstopfen des Filters oder Gelieren des reinen Biodiesels (B100) im kalten Winter verhindern kann. Die Selbstzündung von Ethanol (C₂H₆O) erzeugt geringe Stickoxide (NOx), die Verbrennung von reinem Biodiesel (B100) erzeugt jedoch hohe Stickoxide (NOx). Die Mischung der beiden ist komplementär, und erzeugt einen Kraftstoff, der die Nachteile der jeweiligen sauberen Kraftstoffe vermeidet. Zusätzlich hat Biodiesel (B100) eine exakte und hohe Verdampfungstemperatur, was vorteilhaft in Bezug auf die Sicherheit einer Mischung aus Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) sein kann (z. B. hat Biodiesel (B100) eine Verdampfungstemperatur von über 300°C, und der Siedepunkt von Ethanol (C₂H₆O) liegt bei 78°C). Der niedrige Siedepunkt von Ethanol (C₂H₆O) weist auch darauf hin, dass die Luft-Kraftstoff-Steuerung eines Kraftstoffs, der Ethanol (C₂H₆O) enthält, durch die Verdampfung von Ethanol (C₂H₆O) im Kurbelgehäuse bei einer geschlossenen Kurbelgehäusesystemgestaltung, die für Ethanol (C₂H₆O) -Kraftstoffe wahrscheinlich erforderlich ist, beeinflusst werden kann. Um die Mischung aus Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) effektiv zu verwalten, kann die Motorsteuerung die Verbrennungsparameter entsprechend den Mischungsverhältnissen von Biodiesel (B100) in Ethanol (C₂H₆O) anpassen. Eine Möglichkeit dafür besteht darin, einen Dichtesensor an dem Kraftstofftank zu verwenden, der auf der Dichtedifferenz zwischen Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) basiert. Alternativ kann ein handelsüblicher flexibler Kraftstoffsensor für Ethanol (C₂H₆O) verwendet werden, um die Ethanol (C₂H₆O) -Konzentration zu bestimmen. Es könnten auch andere Flüssigkeitssensoren angewendet werden. Infolgedessen funktionieren Motorsteuerstrategien so, dass sie Einspritzqualität, Einspritzzeit, Ladedruck und Verdünnungsverhältnis anpassen, um die Leistungsabgabe und die Emissionen von der Kraftstoffmischung effektiv zu verwalten. Insgesamt können Einspritzqualität und Verbrennungsparameter angepasst werden, um die angestrebte Leistung zu liefern, die Verbrennung und die Emissionssteuerung ordnungsgemäß zu verwalten.
Mit Bezug auf 1 werden in einigen Ausführungsformen offenbarte Antriebssysteme und -verfahren durch Verwenden einer Kraftstoffmischung aus kohlenstoffarmen Kraftstoffen (z. B. Kombinationen aus Methanol (CH₃OH), Ethanol (C₂H₆O), Biodiesel (B100), Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂)) implementiert, wie unten detaillierter beschrieben. In dem dargestellten Beispiel werden solche Antriebssysteme und -verfahren mit einem Arbeitsfahrzeug 100, das als Traktor verkörpert ist, implementiert. In anderen Beispielen können die offenbarten Systeme und Verfahren in andere Arten von Fahrzeugen oder Maschinen implementiert werden, einschließlich stationäre Antriebssysteme und Fahrzeuge in der Landwirtschafts-, Forst- und/oder Bauindustrie.
Wie gezeigt, kann angenommen werden, dass das Arbeitsfahrzeug 100 einen Hauptrahmen oder ein Chassis 102, eine Antriebsanordnung 104, eine Bedienerplattform oder -kabine 106, ein Antriebssystem 108 und eine Steuerung 110 umfasst. Wie es typisch ist, umfasst das Antriebssystem 108 einen Verbrennungsmotor, der zum Vortrieb des Arbeitsfahrzeugs 100 verwendet wird, was von der Steuerung 110 gesteuert und angesteuert und mit der an dem Chassis 102 befestigten Antriebsanordnung 104 basierend auf Befehlen von einem Bediener in der Kabine 106 implementiert wird und/oder in der Steuerung 110 automatisch erfolgt.
Wie nachstehend beschrieben, kann das Antriebssystem 108 eine Anzahl von Systemen und Komponenten zur Ermöglichung verschiedener Aspekte des Betriebs umfassen. Der Motor des Antriebssystems 108 kann ein Fremdzündungsmotor oder ein Selbstzündungsmotor sein, abhängig von der Art der Kraftstoffmischung, wie unten beschrieben. Der Motor kann eine Kraftstoffmischung aus zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten verwenden, die durch eine Kraftstoffanlage bereitgestellt werden, wie oben vorgestellt und unten detaillierter beschrieben. Andernfalls kann das Antriebssystem 108 eine Luftansauganlage umfassen, um Luft bereitzustellen, die mit dem Kraftstoff vermischt und in dem Motor verbrannt wird, sowie gegebenenfalls zusätzliche Systeme, wie z. B. Turbolader und/oder Abgasanlagen. Obwohl hierin nicht gezeigt oder detaillierter beschrieben, kann das Arbeitsfahrzeug 100 jegliche Anzahl zusätzlicher oder alternativer Systeme, Teilsysteme und Elemente umfassen. Weitere Einzelheiten des Antriebssystems 108 werden unten bereitgestellt.
Wie angemerkt, umfasst das Arbeitsfahrzeug 100 die Steuerung 110 (oder mehrere Steuerungen) zur Steuerung eines oder mehrerer Aspekte des Betriebs, und in einigen Ausführungsformen zur Ermöglichung der Implementierung des Antriebssystems 108, einschließlich verschiedener Komponenten und Steuerelemente, die mit der Verwendung einer Kraftstoffmischung aus Alkohol und Biodiesel (B100) oder Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) in Zusammenhang stehen, wie unten beschrieben. Es kann angenommen werden, dass die Steuerung 110 eine Fahrzeugsteuerung und/oder eine Antriebssystemsteuerung oder -teilsteuerung ist. In einem Beispiel kann die Steuerung 110 mit Verarbeitungsarchitektur, wie z.B. einem Prozessor und einem Speicher, implementiert werden. Zum Beispiel kann der Prozessor die hierin beschriebenen Funktionen basierend auf Programmen, Anweisungen und Daten, die in dem Speicher gespeichert sind, implementieren.
Somit kann die Steuerung 110 als eine oder mehrere Rechenvorrichtungen mit zugehörigen Prozessorvorrichtungen und Speicherarchitekturen, als eine oder mehrere festverdrahtete Rechenschaltungen, als eine programmierbare Schaltung, als eine hydraulische, elektrische oder elektrohydraulische Steuerung oder anderweitig ausgelegt sein. Die Steuerung 110 kann dazu ausgelegt sein, verschiedene Rechen- und Steuerfunktionen in Bezug auf das Arbeitsfahrzeug 100 (oder andere Maschinen) auszuführen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 110 dazu ausgelegt sein, Eingabesignale in verschiedenen Formaten (z. B. als hydraulische Signale, Spannungssignale, Stromsignale usw.) zu empfangen, und Befehlssignale in verschiedenen Formaten (z. B. als hydraulische Signale, Spannungssignale, Stromsignale, mechanische Bewegungen usw.) auszugeben. Die Steuerung 110 kann mit verschiedenen anderen Systemen oder Vorrichtungen des Arbeitsfahrzeugs 100 (oder anderer Maschinen) in elektronischer, hydraulischer, mechanischer oder anderer Kommunikation stehen. Zum Beispiel kann die Steuerung 110 mit verschiedenen Aktuatoren, Sensoren und anderen Vorrichtungen innerhalb (oder außerhalb) des Arbeitsfahrzeugs 100, einschließlich jeglicher unten beschriebener Vorrichtungen, in elektronischer oder hydraulischer Kommunikation stehen. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 110 dazu ausgelegt sein, Eingabebefehle von einem Bediener zu empfangen, und über eine Mensch-Fahrzeug-Bedienerschnittstelle, die Interaktion und Kommunikation zwischen dem Bediener, dem Arbeitsfahrzeug 100 und dem Antriebssystem 108 ermöglicht, mit einem Bediener zusammenzuwirken.
In einigen Beispielen kann das Arbeitsfahrzeug 100 ferner verschiedene Sensoren umfassen, die so funktionieren, dass sie Informationen über das Arbeitsfahrzeug 100 und/oder die umliegende Umgebung sammeln. Solche Informationen können der Steuerung 110 zur Beurteilung und/oder Berücksichtigung für den Betrieb des Antriebssystems 108 bereitgestellt werden. Als Beispiele können die Sensoren arbeitende Sensoren umfassen, die mit den hierin beschriebenen Fahrzeugsystemen und Komponenten in Zusammenhang stehen, einschließlich Motor- und Getriebesensoren; Kraftstoff- und/oder Luftsensoren; Temperatur-, Strömungs- und/oder Drucksensoren; und Batterie- und Leistungssensoren, von denen einige unten beschrieben werden. Solche Sensor- und Bedienereingaben können durch die Steuerung 110 zur Bestimmung eines Betriebszustands (z. B. einer Last, einer Anforderung oder einer Leistungsanforderung) und als Reaktion darauf zum Erzeugen entsprechender Befehle für die verschiedenen Komponenten des unten beschriebenen Antriebssystems 108, insbesondere für die Kraftstoff-, Luft- und Abgasanlagen zur Verwendung der gemischten kohlenstoffarmen Kraftstoffe, verwendet werden. Zusätzliche Informationen bezüglich des Antriebssystems 108 werden unten bereitgestellt.
Nun wird auf 2 Bezug genommen, bei der es sich um eine schematische Veranschaulichung des Antriebssystems 108 zur Bereitstellung von Energie für das Arbeitsfahrzeug 100 von 1 handelt, obwohl die hierin beschriebenen Eigenschaften auf eine Vielzahl von Maschinen anwendbar sein können. Die Konfiguration von 2 ist lediglich ein Beispiel für das Antriebssystem 108, und beispielhafte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können in anderen Konfigurationen bereitgestellt werden.
Wie oben vorgestellt, kann das Antriebssystem 108 mit einer Steuerung 110 gesteuert werden, die einen Prozessor 112 umfasst, der Anweisungen implementiert, die in Speicher 114 gespeichert sind, basierend auf verschiedenen Eingaben, einschließlich Bedienerbefehlen und/oder Sensoreingaben bezüglich der Betriebsbedingungen. Im Allgemeinen kann die Steuerung 110 jegliche der hierin beschriebenen Funktionen implementieren. Wie oben erwähnt, kann das Arbeitsfahrzeug 100, das Antriebssystem 108 und/oder das Steuergerät 110 eine oder mehrere Bedienerschnittstellen 116 zur Steuerung verschiedener Aspekte des Arbeitsfahrzeugs 100, einschließlich des Antriebssystems 108, umfassen oder anderweitig mit diesen zusammenarbeiten. Solche Bedienerschnittstellen 116 können eine Drosselklappe umfassen, die dazu ausgelegt ist, eine Last auf den Motor 120 des Antriebssystems 108 anzulegen. Zusätzliche Bedienerschnittstellen 116 können verschiedene Arten von Eingabevorrichtungen und/oder Anzeigen umfassen.
Wie oben ebenso vorgestellt, umfasst das Antriebssystem 108 einen Motor 120, der dazu ausgelegt ist, eine Mischung aus Luft von einer Luftansauganlage 130 und Kraftstoff von einer Kraftstoffanlage 150 zur Erzeugung von Leistung für den Vortrieb und verschiedene andere Systeme zu verbrennen, wobei Abgas erzeugt wird, das durch eine Abgasanlage 170 aufgenommen wird. Wie nach einer kurzen Beschreibung anderer Aspekte des Antriebssystems 108 unten detaillierter beschrieben, kann die Steuerung 110 den Motor 120, die Luftansauganlage 130, die Kraftstoffanlage 150 und die Abgasanlage 170 gemäß einem oder mehreren Steuermodi ansteuern, einschließlich eines stöchiometrischen Steuermodus und eines mageren Steuermodus, in dem die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse so manipuliert werden, dass die gewünschten Leistungs- und Emissionseigenschaften bereitgestellt werden.
Wie ebenfalls oben angemerkt, wird dem Motor 120 durch die Luftansauganlage 130 selektiv Luft zur Verbrennung bereitgestellt. Die Luftansauganlage 130 umfasst in diesem Beispiel eine Luftansaugleitung 132 und einen Ansaugkrümmer 134. Die Luftansauganlage 130 leitet Frischluft oder Umgebungsluft als Ladeluft durch die Luftansaugleitung 132. In diesem Beispiel kann der Ansaugkrümmer 134 die Ladeluft und zusätzlich Kraftstoff von der Kraftstoffanlage 150 empfangen, sodass die Luft und der Kraftstoff gemischt werden, bevor sie in den Motor 120 geleitet werden. In anderen Beispielen kann ein separater Mischer bereitgestellt werden, und/oder der Kraftstoff kann direkt in den Motor 120 eingespritzt werden. In einem Beispiel wird die Mischung aus Kraftstoff und Luft in die Kolben-Zylinder-Sätze 122 des Motorblocks 124 geleitet, um sie zu entzünden. Die daraus resultierenden Verbrennungsprodukte treiben die mechanische Ausgabe des Motors 120 an.
In einem Beispiel kann die Luftansauganlage 130 einen Filter 136 (oder eine andere Vorrichtung zur Behandlung der Ansaugluft) umfassen, der auf oder nahe Luftansaugleitung 132 positioniert ist, um die Ansaugluft zu filtern. Außerdem kann eine Drosselklappe 138 bereitgestellt werden, um den Luftstrom durch die Luftansauganlage 130 basierend auf Befehlen von der Steuerung 110 zu steuern, wie unten detaillierter beschrieben. In einem Beispiel kann die Luftansauganlage 130 einen Ladeluftkühler 140 umfassen, um die Temperatur der Ladeluft zu reduzieren (z. B. insbesondere die komprimierte Ladeluft von der Turboladeranlage 190, wie unten beschrieben). In diesem Beispiel ist der Ladeluftkühler 140 dazu ausgelegt, die Ladeluft in die Nähe der Kühlluft (oder einer anderen Art von Kühlmittel) zu leiten, sodass die Wärme von der Ladeluft auf die Kühlluft übertragen wird. Es können auch andere Kühl- oder Wärmeaustauschmechanismen bereitgestellt werden. Wie erwähnt, wird die Ansaugluft über den Ansaugkrümmer 134 in den Motor 120 geleitet. Wie nachfolgend beschrieben, kann die Ansaugluft in dem Ansaugkrümmer 134 mit Kraftstoff gemischt werden, während in anderen Beispielen der Kraftstoff und die Ansaugluft in einer separaten Komponente und/oder in den Kolben-Zylinder-Sätzen 122 des Motors gemischt werden können.
Wie oben beschrieben, ist die Kraftstoffanlage 150 dazu ausgelegt, eine kohlenstoffarme Kraftstoffmischung für den Motor 120 bereitzustellen. In einem Beispiel ist die Kraftstoffanlage 150 dazu ausgelegt, eine Mischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) als Kraftstoff zu liefern. Im Allgemeinen kann die Kraftstoffmischung aus jeglichem Verhältnis von Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) gebildet werden, einschließlich der Verhältnisse von ca. 1% Methan (CH₄) zu 99% Wasserstoff (H₂), ca. 99% Methan (CH₄) zu 1% Wasserstoff (H₂) und jeglicher Verhältnisse dazwischen. In einem weiteren Beispiel ist die Kraftstoffanlage 150 dazu ausgelegt eine Mischung aus Alkohol (z. B. Methanol (CH₃OH) oder Ethanol (C₂H₆O)) und Biodiesel (B100) als Kraftstoff zu liefern. Im Allgemeinen kann die Kraftstoffmischung aus jeglichem Verhältnis von Alkohol und Biodiesel (B100) gebildet werden, einschließlich eines Verhältnisses von ca. 1% Alkohol zu 99% Biodiesel (B100), von ca. 99% Alkohol zu 1% Biodiesel (B100) und jeglicher Verhältnisse dazwischen.
In einem Beispiel kann die Kraftstoffmischung in einem Kraftstofftank 152 gelagert werden. Typischerweise kann die Kraftstoffmischung in gasförmiger oder flüssiger Form in dem Kraftstofftank 152 gelagert werden, die durch die Kraftstoffanlage 150 von dem Tank zu dem Ansaugkrümmer 134 geleitet wird, um sich mit der Ansaugluft von der Luftansauganlage 130 zu mischen. Obwohl nicht gezeigt, können zusätzliche Komponenten, einschließlich Steuerventile, Pumpen und dergleichen bereitgestellt werden.
Im Allgemeinen kann der Motor 120 jegliche Art von Motor sein, der die Kraftstoffmischung der Kraftstoffanlage 150 verwendet. Zum Beispiel ist der Motor 120 ein Fremdzündungsmotor oder ein Selbstzündungsmotor, abhängig von der Kraftstoffmischung und der Gesamtkonfiguration und -Anordnung. Der Motor 120 kann jegliche Anzahl oder Konfiguration von Kolben-Zylinder-Sätzen 122 in einem Motorblock 124 aufweisen. In der veranschaulichten Implementierung ist der Motor 120 ein Reihenmotor 3 (I-3), der drei Kolben-Zylinder-Sätze 122 definiert, obwohl andere Konfigurationen, einschließlich vier und sechs Kolben-Zylinder-Sätze bereitgestellt werden können. Zusätzlich zu jenen, die unten beschrieben werden, kann der Motor 120 jegliche geeigneten Merkmale umfassen, wie z.B. Kühlsysteme, Peripheriegeräte, Antriebsstrangkomponenten, Sensoren usw.
In einem Beispiel umfasst jeder der Kolben-Zylinder-Sätze 122 einen Kolben, der innerhalb des Zylinders angeordnet ist, um dazwischen einen Brennraum zu erzeugen, sodass eine Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders dazu dient, die Gasströmung in den Brennraum hinein und aus dem Brennraum heraus zu ermöglichen; das Gas innerhalb des Brennraums zu komprimieren, um Zündung (zum Beispiel über Funken oder Kompression) und Verbrennung zu ermöglichen; und durch die Verbrennungsprodukte angetrieben zu werden, um die resultierende mechanische Leistung von dem Verbrennungsprozess auf eine Kraftmaschine des Motors 120 zu übertragen. Typischerweise ist ein Ansaugventil so angeordnet, dass es eine Ansaugöffnung öffnet und schließt, um Ansauggas in den Brennraum einzulassen; und ein Abgasventil ist so angeordnet, dass es eine Abgasöffnung öffnet und schließt, damit Gas aus dem Brennraum heraus in die Abgasanlage 170 strömen kann.
Das durch den Verbrennungsprozess des Motors 120 erzeugte Abgas kann durch die Abgasanlage 170 empfangen werden, die einen Abgaskrümmer 172 zum Empfangen und Verteilen des Abgases von den Kolben-Zylinder-Sätzen 122 umfasst. Mindestens ein Teil des Abgases wird von dem Abgaskrümmer 172 in eine Abgasleitung 174 aus dem Arbeitsfahrzeug 100 heraus geleitet. Wie schematisch gezeigt, kann das Abgas durch eine oder mehrere Abgasbehandlungskomponenten, 176, 178, 180, die an oder nahe der Abgasleitung 174 angeordnet sind, hindurchströmen. Im Allgemeinen können solche Abgasbehandlungskomponenten 176, 178 und 180 so funktionieren, dass sie das durch sie hindurch strömende Abgas behandeln, um unerwünschte Emissionen zu reduzieren, basierend auf Befehlen von der Steuerung 110. In einem Beispiel kann die Abgasbehandlungskomponente 176 ein Partikelfilter und/oder eine Katalysatorkomponente sein; die Abgasbehandlungskomponente 178 kann eine Katalysator- oder eine Reduktionsmitteleinspritzungskomponente sein; und die Abgasbehandlungskomponente 180 kann ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR, -System) sein, das ein System auf Vanadium-Basis (V-SCR) oder ein System auf Kupferbasis (Cu-SCR) umfasst. In einem Beispiel kann die Katalysatoreinspritzungskomponente 178 einen Katalysator (z. B. ähnlich DEF) oder ein Reduktionsmittel einspritzen, das in das Abgas eingespritzt wird, um mit den Abgasbestandteilen (Wärme und Wasser) in dem Abgas zu Ammoniak zu reagieren, und Stickoxide (NOx) werden anschließend durch Ammoniak in dem SCR-System 180 zu Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) reduziert, die in die Atmosphäre freigesetzt werden können. Effektiv können die Abgasbehandlungskomponenten 176, 178 und 180 insgesamt oder einzeln als Dreiwege-Katalysator betrachtet werden, um Schadstoffe, einschließlich Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid (CO), zu bekämpfen, und Stickoxide (NOx) in relativ harmlose Komponenten, wie z. B. Wasser (H₂O), Stickstoff (N₂) und Kohlendioxid (CO₂) zu reduzieren.
In einigen Beispielen kann das Vorhandensein von Wasserstoff (H₂) in der Kraftstoffmischung und dem anschließendem Abgas die Katalysatoraktivität fördern, da Wasserstoff (H₂) relativ einfach zu oxidieren ist, und ferner zusätzliche Wärme erzeugt, um die Oxidation von Methan (CH₄) zu unterstützen. Somit erleichtert Wasserstoff (H₂) nicht nur eine vollständigere Verbrennung von Methan (CH₄) in dem Motor 120, sondern unterstützt auch die Oxidation von Methan (CH₄) in dem Abgasstrom, um die Anspringtemperatur eines Methan (CH₄) -Oxidationskatalysators sowohl bei stöchiometrischen als auch bei mageren Verbrennungsmodi effektiv zu reduzieren. Die Dreiwege-Katalysatoranlage, die durch eine oder mehrere der Abgasbehandlungskomponenten 176, 178, 180 gebildet wird, fungiert als Oxidationskatalysator und oxidiert Emissionen effizient. Während der stöchiometrischen Verbrennung bei relativ geringen Lasten können die Stickoxide (NOx) am Motorausgang relativ hoch sein, und eine günstige Abgastemperatur in dem Bereich von 400-550°C aufweisen, um die Emissionen durch die Abgasbehandlungskomponenten 176, 178, 180 wirksam zu begrenzen; und wenn das Antriebssystem 108 bei hohen Lasten zu einer mageren Verbrennung übergeht, bleibt die Abgastemperatur in dem Bereich von 350-500°C, um eine effektive Reduzierung der Stickoxide (NOx) durch die Abgasbehandlungskomponenten 176, 178, 180 (insbesondere ein SCR) zu erreichen. Die Wirksamkeit der Reduktion von Stickoxiden (NOx) durch Ammoniak in dem SCR nimmt ab, sobald die Temperatur 500°C übersteigt.
Es können andere Anordnungen bereitgestellt werden, und ein oder mehrere der Abgasbehandlungskomponenten 176, 178, 180 können entfallen. Zusätzliche Details über den Betrieb der Abgasbehandlungskomponenten 176, 178, 180 werden unten bereitgestellt.
Das Antriebssystem 108 kann ferner eine Turboladeranlage 190 umfassen, die jeweils mindestens Abschnitte aufweisen können, die auch als Teil (oder anderweitig in Zusammenwirkung mit) der Luftansauganlage 130 und/oder der Abgasanlage 170 betrachtet werden können. In einigen Beispielen kann die Turboladeranlage 190 entfallen.
Der Turboladeranlage 190 funktioniert im Allgemeinen so, dass die Menge an Luft, die anschließend in den Motor 120 geleitet wird, erhöht wird, um einen verbesserten Motorwirkungsgrad und eine verbesserte Leistungsabgabe zu erreichen. In einem Beispiel umfasst die Turboladeranlage 190 eine Turbine 192, die einen Teil (z. B. den ersten Teil) des Abgases empfängt, wie oben vorgestellt. Die Turboladeranlage 190 umfasst ferner einen Kompressor 194, der durch die Turbine 192 angetrieben wird. Der Kompressor 194 funktioniert so, dass die Umgebungs- oder Ladeluft, die über die Luftansaugleitung 132 in die Luftansauganlage 130 eintritt, verdichtet wird. Im Allgemeinen kann die Turbine 192 eine Turbine mit variabler Turboladergeometrie, eine Turbine mit Wastegate (WG) -Turbolader, eine Turbine mit fester Turboladergeometrie, eine elektrisch gesteuerte oder unterstützte Turboladerturbine und/oder jegliche andere geeignete Art von Turboladerturbine sein. Obwohl nicht gezeigt, kann die Turboladeranlage 190 ferner eine zweite Turbine umfassen, die den Teil (z. B. den zweiten Teil) des Abgases empfängt, nachdem das Abgas durch die Turbine 192 strömt, und einen zweiten Kompressor, der durch die zweite Turbine angetrieben wird, um die Ansaugluft vor dem Kompressor 194 zu verdichten.
Obwohl nicht gezeigt, kann auch eine EGR-Anlage bereitgestellt werden. Die EGR-Anlage ist im Allgemeinen dazu ausgelegt, mindestens einen ersten Teil des Abgases aus dem Motor heraus und dann zurück in die Luftansauganlage des Motors zur Verbrennung zu leiten.
Im Allgemeinen kann jegliche Art von Sensor zur Ermöglichung des Betriebs des Antriebssystems 108 bereitgestellt werden, einschließlich der beispielhaften Sensoren 200a-200i, die schematisch in 2. dargestellt sind. Solche Sensoren 200a-200i können dazu ausgelegt sein, der Steuerung 110 gemessene oder abgeleitete Eigenschaften des Antriebssystems 108 Zur Berücksichtigung im Betrieb des Antriebssystems 108 bereitzustellen. Einer oder mehrere der Sensoren 200a-200i können entfallen, und/oder zusätzliche Sensoren können bereitgestellt werden.
Die Sensoren 200a-200d können als Kraftstoffsensoren betrachtet werden, die innerhalb oder nahe der Kraftstoffanlage 150 positioniert sind. Insbesondere können ein oder mehrere Kraftstofftanksensoren 200a bereitgestellt werden, um verschiedene Eigenschaften der Kraftstoffmischung zu bestimmen, einschließlich Menge, Qualität und/oder dergleichen.
In einigen Beispielen kann der Kraftstofftanksensor 200a Angaben über die Bestandteile der Kraftstoffmischung bereitstellen. Als ein Beispiel kann der Kraftstofftanksensor 200a ein Schallgeschwindigkeitssensor sein, der die relativen Mengen an Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) in dem Kraftstoff bestimmt, obwohl andere Arten von Sensoren für diesen Zweck bereitgestellt werden können.
Als ein weiteres Beispiel kann der Kraftstofftanksensor 200a ein Sensor sein, der Informationen sammelt, die es der Steuerung 110 ermöglichen, Kraftstoffeigenschaften zu bestimmen oder auf andere Weise abzuleiten, einschließlich des Vorhandenseins und der Menge an Ethanol (C₂H₆O), um z. B. wiederzugeben, dass die Mischung eine Ethanol (C₂H₆O) und Wasserstoff (H₂) -Mischung ist, und der relativen Mengen. Wie oben erwähnt, kann der Kraftstofftanksensor 200a Messungen der Flüssigkeitsdichte oder Leitfähigkeit bereitstellen. Insbesondere kann eine Dichtemessung von Sensor 200a ein Verhältnis von Ethanol (C₂H₆O) relativ zu dem Biodiesel (B100) bestimmen. Außerdem können Leitfähigkeitsmessungen von Sensor 200a eine Angabe über das Verhältnis von Ethanol (C₂H₆O) relativ zu Biodiesel (B100) basierend auf Leitfähigkeitsunterschieden von Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) bereitstellen. Im Allgemeinen kann die Genauigkeit solcher Messung innerhalb von ca. 5% des nominalen Ethanol (C₂H₆O) -Gehalts liegen. Zusätzlich zu der Identifizierung von Ethanol (C₂H₆O) als Bestandteil können solche Messungen von Sensor 200a auch zusätzlich angeben, ob das Ethanol (C₂H₆O) mit Wasser verdünnt wurde.

Beispielhafte Zusammensetzungen und Informationen zur elektrischen Leitfähigkeit, von denen die Zusammensetzung der Kraftstoffmischung abgeleitet werden kann, sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2

	Einheit	Luft	Diesel	CH ₄	CH ₃ OH/CH ₄ O	CH ₃ CH ₂ OH	Wasser
ChxOy+(x/2+2-y)/2 O₂ = CO₂+x/2H₂O					Methanol	Ethanol
X	Anzahl	0	1,85	4	4	3
Y	Anzahl	0	0	0	1	0,5
Molgewicht Kraftstoff (g/Mol)			13,85	16	32,0	23,0
Luft/Kraftstoff			14,5	17,17	6,4	9,0
O₂ Gewichts-%	%	23%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
N₂ Gewichts-%	%	76,7%	71,75%	72,48%	66,39%	69,00%
H₂O Gewichts-%	%	0%	7,76%	12,38%	15,12%	11,79%
CO₂ Gewichts-%	%	0%	20%	15%	18%	19%
Molgewicht Luft (g/Mol)		28,93
Leitfähigkeit PikoSiemens/m			0,3		3,80E+06	1,3E+05	1,00E+09

Beispielhafte Dichteinformationen, von denen die Zusammensetzung der Kraftstoffmischung abgeleitet werden kann, sind in Tabelle 3 wiedergegeben. Tabelle 3

Kraftstoff bei 25°C° Dichte (kg/l)

Diesel 0,850

Erneuerbarer Diesel 0,780

Benzin 0,741

B100 0,880

Methanol 0,803

Ethanol 0,790

Wasser 1,000
Die Kraftstoffanlage 150 kann ferner Kraftstoffsensoren 200b, 200c, 200d umfassen, die verschiedene zusätzliche Eigenschaften des Kraftstoffs messen oder auf andere Weise ableiten, einschließlich Kraftstofftemperatur, Kraftstoffdruck und Kraftstoffdurchfluss.
Die Sensoren 200e, 200f, 200g können als Abgassensoren betrachtet werden, die in oder nahe der Abgasanlage 170 positioniert sind, um verschiedene Eigenschaften des Abgases zu bestimmen oder auf andere Weise abzuleiten. In dem dargestellten Beispiel können ein oder mehrere Sensoren 200e nach dem Motor 120 zwischen der Turbine 192 und der Abgasbehandlungskomponente 176 positioniert sein; ein oder mehrere Sensoren 200f können zwischen der Abgasbehandlungskomponente 176 und der Abgasbehandlungskomponente 178 positioniert sein; und ein oder mehrere Sensoren 200g können nach der Abgasbehandlungskomponente 180 nahe der Abgasleitung 174 positioniert sein. Zum Beispiel können die Abgassensoren 200e, 200f und 200g Kohlendioxid (CO₂) - Sensoren, Wasser (H₂O) -Sensoren, Sauerstoff (O₂) -Sensoren, Stickoxid (NOx) -Sensoren und/oder Temperatursensoren sein.
In einigen Beispielen können einer oder mehrere der Abgassensoren 200e, 200f, 200g Informationen sammeln, die zur Bestimmung der Bestandteile der Kraftstoffmischung verwendet werden können. Insbesondere können die Abgassensoren 200e, 200f und 200g Messungen von Kohlendioxid (CO₂) und Sauerstoff (O₂) umfassen, die eine Mischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) angeben können.
In einigen Beispielen, insbesondere bei stöchiometrischen Verbrennungsmodi (z. B. λ=1), kann ein oder mehrere der Abgassensoren 200e, 200f, 200g ein Sauerstoff (O₂) -Sensor am Motorabgas sein, der ein Feedback-Signal zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bereitstellt. Bei einem mageren Verbrennungsmodus (z. B. λ>1) resultiert die Verbrennung jedoch darin, dass überschüssiger Sauerstoff (O₂) in dem Abgas vorhanden ist. In solchen Beispielen kann die Steuerung 110 den Luftstrom beurteilen, um das Luft-Kraftstoff (A/F) - Verhältnis des Motors auf einen gewünschten Wert zu regeln. Der Luftstrom kann mit einem Luftmassenmesser an dem Motoreinlass und einem Sauerstoff (O₂) -Sensor mit großem Messbereich an dem Abgas bestimmt werden. In anderen Beispielen kann der Luftstrom basierend auf einem Drehzahldichteverfahren berechnet werden, bei der Ladedruck, Motordrehzahl und Hubraum mit einer Korrektur der Luftdurchsatzeffizienz der Zylinder verwendet werden. In jedem Fall können das gewünschte Luft-Kraftstoff (A/F) -Verhältnis und die gewünschte Leistungsabgabe durch die Steuerung der Kraftstoffqualität durch eine Feedforward-Steuerstrategie erreicht werden. Zusätzlich bilden Frischluftstrom und Kraftstoffstrom den Abgasstrom, der zur Steuerung der Nachbehandlung und zur Bestimmung der geeigneten DEF-Dosierungsrate für SCR-Reaktionen zusammen mit den Messwerten der Stickoxid (NOx) -Konzentration von einem Stickoxid (NOx) -Sensor im Abgas verwendet wird.
Ein oder mehrere Sensoren 200h können Motorsensoren sein, die in oder nahe dem Motor 120 positioniert sind, um verschiedene Arten von Motoreigenschaften zu bestimmen. Zusätzlich können ein oder mehrere Sensoren 200i Luftstromsensoren sein, die in oder nahe der Luftansauganlage 130 positioniert sind, um verschiedene Arten von Ansauglufteigenschaften zu bestimmen.
Wie oben vorgestellt, kann die Steuerung 110 den Betrieb des Motors 120 und andere Aspekte des Antriebssystems 108 sowie verschiedene andere kooperierende Systeme und Komponenten steuern. Insbesondere kann die Steuerung 110 den Betrieb der Luftansauganlage 130, der Kraftstoffanlage 150 und der Abgasanlage 170 selektiv steuern, um unter allen geeigneten Bedingungen die gewünschten Zünd-, Verbrennungs- und Emissionseigenschaften in dem Motor 120 bereitzustellen. Im Allgemeinen kann die Steuerung 110 (1) mit verschiedenen Aspekten des Antriebssystems 108 in Kommunikation stehen, um Informationen über den Betrieb des Antriebssystems 108 zu sammeln, und eine Modifizierung und/oder Aufrechterhaltung eines solchen Betriebs zu implementieren oder zu steuern. Zum Beispiel kann die Steuerung 110 Parameter, wie z. B. Kraftstoffmenge, Einspritzbeginn und das gewünschte Luft-Kraftstoff (A/F) -Verhältnis und die gewünschte EGR-Rate, steuern.
Wie oben vorgestellt, kann die Steuerung 110 insbesondere die Luftansauganlage 130, die Kraftstoffanlage 150 und die Abgasanlage 170 gemäß einem oder mehreren Steuermodi, einschließlich eines stöchiometrischen Steuermodus, steuern, wobei ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft und Kraftstoff in den Motor 120 (z. B. λ=1) eingespritzt wird; eines mageren Steuermodus, wobei eine Luftmenge, die größer als eine stöchiometrische Menge für die entsprechende Kraftstoffmenge ist (oder eine Kraftstoffmenge bereitstellt, die kleiner als eine stöchiometrische Menge für die entsprechende Luftmenge ist), in den Motor 120 (z. B. λ>1) eingespritzt wird; und/oder in einigen Fällen eines fetten Steuermodus, wobei eine Luftmenge, die kleiner als eine stöchiometrische Menge für die entsprechende Kraftstoffmenge ist (oder eine Kraftstoffmenge bereitstellt, die größer als eine stöchiometrische Menge für die entsprechende Luftmenge ist), in den Motor 120 (z. B. λ<1) eingespritzt wird. Ganz allgemein können magere Verhältnisse verglichen mit stöchiometrischen Verhältnissen in überschüssigem verbleibendem Sauerstoff (O₂), höheren thermodynamischen Wirkungsgraden und geringeren Abgastemperaturen resultieren; und fette Verhältnisse können in unverbranntem Kraftstoff, niedrigeren Temperaturen und einem geringeren Wirkungsgrad resultieren. Die Werte der stöchiometrischen, mageren und fetten Verhältnisse können basierend auf den bestimmten Kraftstoff-Luft-Zusammensetzungen variieren. Zusätzlich zu dem Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann die Steuerung 110 ferner Aspekte der Abgasanlage 170 steuern, um Emissionsprobleme, insbesondere in dem mageren Steuermodus, zu berücksichtigen.
Wie zuvor beschrieben und nachfolgend detaillierter ausgearbeitet, kann die Steuerung 110 zur Bestimmung und/oder anderweitigen Ableitung von Eigenschaften von Kraftstoffmischungen arbeiten, Feedforward-Mechanismen basierend auf den Eigenschaften der Kraftstoffmischungen anwenden, und solche Steuerparameter basierend auf Informationen von den Abgassensoren 200e, 200f, 200g modifizieren. Zusätzlich können in einigen Beispielen die Sensoren 200a-200i und/oder die Steuerung 110 diagnostisch arbeiten, um Annahmen oder Schätzungen über die Eigenschaften der Kraftstoffmischung und/oder andere Betriebsparameter zu bestätigen. Insbesondere kann die Steuerung 110 den Betrieb in einem stöchiometrischen Steuermodus steuern; und bei Betrieb in dem stöchiometrischen Steuermodus können die Sensoren 200a-200i Informationen über den Luftstrom sammeln, die von einem Luftstrommesser erfasst oder basierend auf der Drehzahldichte berechnet werden, wenn der Sauerstoffgehalt am Motorausgang bei Null liegt, wie durch einen Sauerstoffsensor im Abgas angegeben, um das aktuelle oder tatsächliche A/F-Verhältnis zu bestimmen. Das A/F-Verhältnis kann mit dem stöchiometrischen A/F-Verhältnis für die Eigenschaften der geschätzten oder abgeleiteten Kraftstoffmischung verglichen werden, um die bestimmten Eigenschaften der Kraftstoffmischung zu bestätigen oder zu korrigieren. Tatsächlich ermöglichen solche Diagnostiken bei dem stöchiometrischen Verhältnis dem Steuergerät 110, die Berechnungen über die Kraftstoffmischung regelmäßig oder gelegentlich zu „prüfen“, indem bestätigt wird, dass der beabsichtigte stöchiometrische Betrieb tatsächlich bei einem stöchiometrischen Verhältnis arbeitet.
Das in 2 dargestellte Antriebssystem 108 ist lediglich ein Beispiel für ein Antriebssystem, das eine kohlenstoffarme Kraftstoffmischung auf eine Weise verwenden kann, um den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit bezüglich Zündung, Verbrennung und/oder Emissionen zu verbessern, wie unten unter Bezugnahme auf 3 detaillierter beschrieben. Es können andere Konfigurationen von Antriebssystemen bereitgestellt werden.
Der Betrieb des Antriebssystems 108 wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 beschrieben, das ein beispielhaftes Betriebsverfahren 210 darstellt, das durch die Steuerung 110 und andere Aspekte des Antriebssystems 108 von 2 implementiert werden kann. In der Beschreibung von 3 unten wird zusätzlich auf 2 Bezug genommen.
In einem Schritt 212 wird nach dem Beginn des Betriebs eine ursprüngliche Angabe über die Zusammensetzung des Kraftstoffs beurteilt und/oder bestimmt. Zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung können verschiedene Mechanismen implementiert werden.
Insbesondere kann der Kraftstofftanksensor 200a Angaben über die Bestandteile der Kraftstoffmischung bereitstellen. Wie oben erwähnt, kann der Kraftstofftanksensor 200a ein Sensor sein, der es der Steuerung 110 ermöglicht, Kraftstoffeigenschaften zu bestimmen oder auf andere Weise abzuleiten, einschließlich des Vorhandenseins und der Menge von Ethanol (C₂H₆O), um z. B. wiederzugeben, dass die Mischung eine Ethanol (C₂H₆O) und Wasserstoff (H₂) -Mischung ist, und der relativen Mengen. Wie oben erwähnt, kann sich der Kraftstofftanksensor 200a auf Messungen der Flüssigkeitsdichte oder Leitfähigkeit verlassen, um die Eigenschaften der Kraftstoffmischung weiter abzuleiten und/oder zu bestimmen. In weiteren Beispielen kann der Kraftstofftanksensor 200a ein Schallgeschwindigkeitssensor sein.
In einigen Beispielen können einer oder mehrere der Abgassensoren 200e, 200f, 200g auch Informationen sammeln, die zur Bestimmung der Bestandteile der Kraftstoffmischung verwendet werden können. Insbesondere können die Abgassensoren 200e, 200f und 200g Messungen von Kohlendioxid (CO₂) und Sauerstoff (O₂) umfassen, die eine Mischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) angeben können.
In einem weiteren Beispiel kann das Antriebssystem 108 über eine vorgegebene, standardmäßige oder von dem Bediener gewählte Kraftstoffmischung verfügen, die eine solche ursprüngliche Angabe bereitstellt, obwohl, wie unten beschrieben, das spezifische relative Verhältnis einer Kraftstoffmischung in der Praxis variieren kann. Zum Beispiel können die Ergebnisse von Schritt 212 auf der am häufigsten verwendeten oder beabsichtigten Kraftstoffmischung basieren, z. B. auf einer Mischung aus Methanol (CH₃OH) oder Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) im Verhältnis von 50%/50% (Gewichtsanteil), oder einer Mischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) im Verhältnis von 50%/50% (Gewichtsanteil). Kalibrierkarten können die ermittelten oder abgeleiteten Werte sowie die vorbestimmten oder angenommenen Werte enthalten.
Wie oben erwähnt, kann die ursprüngliche Angabe für verschiedene Arten von Kraftstoffmischungen anwendbar sein, einschließlich einer Mischung aus Alkohol (z. B. Methanol (CH₃OH) oder Ethanol (C₂H₆O)) und Biodiesel (B100), oder einer Mischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂), obwohl auch andere Arten von Mischungen bereitgestellt werden können.
In Schritt 214 implementiert die Steuerung 110 eine Reihe von Betriebsparametern. Die Betriebsparameter umfassen Feedforward-Anpassungen basierend auf der ursprünglichen Angabe der Eigenschaften der Kraftstoffmischung. Die Reihe von Betriebsparametern mit den Feedforward-Anpassungen kann Steuerbefehle, wie z. B. Kraftstoffmenge, Einspritzbeginn und gewünschtes Luft-Kraftstoff (A/F) -Verhältnis und gewünschte EGR-Rate umfassen. Im Allgemeinen können die Feedforward-Anpassungen verwendet werden, um die Kraftstoffenergie zu korrigieren, und die Kraftstoffmenge, den gewünschten Ladedruck und die Verdünnung in der Feedforward-Steuerung anzupassen.
In Schritt 216 beurteilt die Steuerung 110 einen oder mehrere Betriebssensoren, wie z. B. die Sensoren 200a-200i, die Informationen über Kraftstoffeigenschaften, Luftströmungen, Emissionsinformationen und dergleichen umfassen; und in Schritt 218 passt die Steuerung die Betriebsparameter basierend auf dem Sensor-Feedback, insbesondere von den Abgassensoren 200e-200g, an. Die Informationen von den Betriebssensoren, insbesondere von den Abgassensoren 200e-200g, werden zur Feinabstimmung oder sonstigen Korrektur der Feedforward-Anpassungen von der ursprünglichen Angabe der Eigenschaften der Kraftstoffmischung verwendet. Insbesondere stellen die Abgassensoren 200e-200g zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung der Kraftstoffmischung bereit, z. B. um Mischungsschwankungen Rechnung zu tragen.
Zum Beispiel stellen die Abgassensoren 200e-200g Eigenschaften bereit, wie z. B. Kohlendioxid (CO₂) -Konzentrationen im Abgas am Motorausgang mit einer Korrektur für Basis-Kohlendioxid (CO₂) in der Umgebung, wenn der Motor keinen Kraftstoff verbrennt. Solche Konzentrationen können mit den Feedforward-Anpassungen und den Schätzungen der Bestandteile verwendet werden, um die Kraftstoffmischung zu überprüfen, und die Verbrennungsparameter anzupassen. Die Verwendung von Sauerstoff (O₂) und Kohlendioxid (CO₂) -Sensorsignalen stellt Feedback zum Angleichen der Kraftstoffeinspritzungen und zur Anpassung der Verbrennungsrezeptur einer Alkohol und Biodiesel (B100) -Mischung bereit. Zum Beispiel ermöglicht die Verwendung von Sauerstoff (O₂) und/oder Kohlendioxid (CO₂) - Sensoren eine Steueraktion, die auf einen plötzlichen Anstieg der Ethanol (C₂H₆O) - Konzentration an dem Lufteinlass aufgrund der Verdampfung des Alkohols (z. B. Ethanol (C₂H₆O)) der Kraftstoffmischung im Kurbelgehäuse in dem Motor 120 reagiert.
Mit Bezug auf eine Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) -Mischung stellen die Abgassensoren 200e-200g Eigenschafen, wie z. B. die Messung der Kohlendioxid (CO₂) und Sauerstoff (O₂) -Konzentration in dem Abgas bereit, um ein verfeinertes Methan (CH₄)/Wasserstoff (H₂) - Mischungsverhältnis zu bestimmen. Einspritzqualität und Verbrennungsparameter können angepasst werden, um eine Zielleistung zu liefern, die Verbrennung und Emissionssteuerung der Kohlendioxid (CO₂) -Konzentrationen im Abgas am Motorausgang mit einer Korrektur für Basis-Kohlendioxid (CO₂) in der Umgebung, wenn der Motor keinen Kraftstoff verbrennt, ordnungsgemäß zu verwalten. Solche Konzentrationen können mit den Feedforward-Anpassungen und den Schätzungen der Bestandteile verwendet werden, um die Kraftstoffmischung zu überprüfen, und die Verbrennungsparameter anzupassen. Die Verwendung von Sauerstoff (O₂) und Kohlendioxid (CO₂) -Sensorsignalen stellt Feedback zur Angleichung der Kraftstoffeinspritzungen und zur Anpassung der Verbrennungsrezeptur einer Wasserstoff (H₂)- und Sauerstoff (O₂) -Mischung, sowie zur Vermeidung von Klopfen oder übermäßiger Bildung von Stickoxid (No_x) bereit.
Wie erwähnt, können die Anpassungen an der ersten Reihe von Betriebsparametern im Allgemeinen Modifizierungen an den Steuerbefehlen für Kraftstoffmenge, Einspritzbeginn, gewünschtes Luft-Kraftstoff (A/F) -Verhältnis und gewünschter AGR-Rate umfassen. Solche Anpassungen können dafür bestimmt sein, Klopfen oder übermäßige Bildung von Stickoxiden (NO_x) zu vermeiden.
Zusätzlich zu dem Feedback für die Betriebsparameter, die als Steuereingaben fungieren, können solche Informationen von den Abgassensoren 200e-200g zusätzlich als Diagnoseangaben fungieren, z. B. um Probleme mit Luft, Kraftstoffversorgung und/oder Verbrennung zu diagnostizieren und zu berücksichtigen.
Wie erwähnt, sind die hierin beschriebenen Steuer- und Diagnosemechanismen sowohl für Selbst- als auch für Fremdzündungsmotoren anwendbar. Außerdem können die Steuer- und Diagnosemechanismen auf verschiedene Verbrennungsmodi anwendbar sein. Zum Beispiel sind die Schritte 212, 214, 216 und 218 insbesondere für einen mageren Verbrennungsmodus anwendbar, wobei überschüssiger Sauerstoff (O₂) in dem Abgas vorhanden ist. In weiteren Beispielen sind die Schritte 212, 214, 216 und 218 für einen stöchiometrischen Verbrennungsmodus anwendbar. In einigen Fällen, insbesondere bei einer Kraftstoffmischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂), kann das Verfahren 210 einen oder mehrere Übergänge zwischen stöchiometrischen und mageren Modi umfassen, basierend auf Faktoren, wie z. B. Belastung und Temperatur. Zum Beispiel kann das Verfahren 210 so funktionieren, dass es bei relativ niedrigen Temperaturen und Lasten den Betrieb in einem stöchiometrischen Verbrennungsmodus steuert, und dann bei relativ hohen Temperaturen und Lasten in einen mageren Verbrennungsmodus übergeht.
In Schritt 220 bestimmt die Steuerung 110, ob das Antriebssystem 108 noch in Betrieb ist. Wenn ja, kehrt das Verfahren 212 zu Schritt 216 zurück, um die Schritte 212, 214, 216 und 218 des Verfahrens 210 zu wiederholen. Wenn nein, beendet das Steuergerät 110 den Betrieb.
Dementsprechend stellen die oben beschriebenen Antriebssysteme die Möglichkeit bereit, in einem Arbeitsfahrzeugmotor eine Mischung mit kohlenstoffarmen Kraftstoffen unter verschiedenen Bedingungen zu verwenden, indem die Bestandteile der Kraftstoffmischung beurteilt werden, ein Feedforward-Steuerschema angewendet wird, und Anpassungen basierend auf Emissionssensoren vorgenommen werden. Eine solche Anordnung ermöglicht ein Antriebssystem mit einer kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung. Insgesamt resultieren die hierin beschriebenen Antriebssysteme in einer Plattformarchitektur, die verbesserten Kraftstoffverbrauch, höhere Leistung und reduzierte kritische Schadstoffe über ein relativ großes Temperaturbetriebsfenster hinweg bereitstellen kann.
Wie ein Fachmann anerkennen wird, können bestimmte Aspekte des offenbarten Genstands als ein Verfahren, ein System (z. B. ein Arbeitsfahrzeugsteuer- oder -antriebssystem, das in einem Arbeitsfahrzeug enthalten ist) oder ein Computerprogrammprodukt verkörpert sein.
Dementsprechend können bestimmte Ausführungsformen vollständig als Hardware, vollständig als Software (einschließlich Firmware, Betriebssoftware, Mikrocode usw.) oder als Kombination von Software und Hardware (und sonstigen) -Aspekten implementiert werden. Ferner können bestimmte Ausführungsformen die Form eines Computerprogrammprodukts auf einem von einem Computer verwendbaren Speicherungsmedium, das von einem Computer verwendbaren Programmcode aufweist, der in dem Medium verkörpert ist, annehmen.
Ein computerlesbares Signalmedium kann ein verbreitetes Datensignal mit darin verkörpertem computerlesbarem Programmcode, zum Beispiel im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle, umfassen. Ein solches verbreitetes Signal kann jegliche einer Vielfalt von Formen annehmen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf elektromagnetisch, optisch oder jegliche geeignete Kombination davon. Ein computerlesbares Signalmedium kann nichtflüchtig sein, und kann jegliches computerlesbares Medium sein, das kein computerlesbares Speicherungsmedium ist, und das ein Programm zur Verwendung von oder in Verbindung mit einem Anweisungsausführungssystem, einer Anweisungsausführungseinrichtung oder einer Anweisungsausführungsvorrichtung kommunizieren, verbreiten oder transportieren kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können hierin durch Funktions- und/oder Logikblockkomponenten und verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben werden. Es versteht sich, dass solche Blockkomponenten durch jegliche Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten, die zur Durchführung der spezifizierten Funktionen ausgelegt sind, realisiert werden können. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verschiedene Komponenten integrierter Schaltungen einsetzen, z. B. Speicherelemente, Elemente digitaler Signalverarbeitung, Logikelemente, Nachschlagetabellen oder dergleichen, die eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuervorrichtungen ausführen können. Darüber hinaus werden Fachleute anerkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit jeglicher Anzahl an Systemen praktiziert werden können, und dass die Arbeitsfahrzeuge und die hierin beschriebenen Steuersysteme und -verfahren lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind.
Um der Kürze willen können herkömmliche Techniken bezüglich Arbeitsfahrzeug- und Motorbetrieb, Steuerung und andere funktionale Aspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) hierin nicht detailliert beschrieben sein. Darüber hinaus sollen die Verbindungslinien, die in den hierin enthaltenen verschiedenen Figuren gezeigt werden, beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es sollte angemerkt werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vorhanden sein können.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen, und soll keine Beschränkung der Offenbarung darstellen. Die Singularformen „ein/e/r“ und „der/die/das“, wie hierin verwendet, sollen auch die Pluralformen umfassen, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes an. Ferner versteht sich, dass die Ausdrücke „umfasst“ und/oder „umfassend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein genannter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
Wie hierin verwendet, geben Aufzählungen mit Elementen, die durch Bindewörter (z. B. „und“) getrennt werden, und denen auch die Formulierung „eines oder mehrere von“ oder „mindestens eines von“ vorangestellt ist, sofern nicht anderweitig eingeschränkt oder modifiziert, Konfigurationen oder Anordnungen an, die potenziell einzelne Elemente der Aufzählung oder jegliche Kombination davon umfassen. Zum Beispiel geben „mindestens eines von A, B und C“ oder „eines oder mehrere von A, B und C“ jeweils die Möglichkeiten von nur A, nur B, nur C oder jegliche Kombination von zwei oder mehr von A, B und C (z. B. A und B; B und C; A und C; oder A, B und C) an.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist zur Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt worden, sie soll für die Offenbarung in der offenbarten Form jedoch nicht erschöpfend oder einschränkend sein. Für den Durchschnittsfachmann sind viele Modifikationen und Variationen ersichtlich, ohne von dem Umfang und Geist der Offenbarung abzuweichen. Hierin explizit angeführte Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern, und um anderen Durchschnittsfachleuten zu ermöglichen, die Offenbarung zu verstehen, und viele Alternativen, Modifikationen und Variationen des einen oder der mehreren beschriebenen Beispiele zu erkennen. Dementsprechend liegen verschiedene andere als die explizit beschriebenen Ausführungsformen und Implementierungen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/366364 [0001]

Claims

Antriebssystem (108) für ein Arbeitsfahrzeug (100), das Folgendes umfasst: eine Ansauganlage (130), die dazu ausgelegt ist, Ladeluft anzusaugen; eine Kraftstoffanlage (150), die einen Kraftstofftank (152) beinhaltet, der dazu ausgelegt ist, eine kohlenstoffarme Kraftstoffmischung zu lagern; einen Motor (120), der mehrere Kolben-Zylinder-Sätze (122) umfasst, die dazu ausgelegt sind, eine Mischung aus der Ladeluft und der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen, zu zünden und zu verbrennen; eine Abgasanlage (170), die nachgeschaltet positioniert ist, um Abgase von dem Motor (120) während der Verbrennung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen; mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g), der an oder nahe der Abgasanlage (170) positioniert ist; und ein Steuerung (110), die mit dem mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g), der Ansauganlage (130), der Kraftstoffanlage (150) und dem Motor (120) gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist: eine ursprüngliche Angabe einer Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu empfangen; Betriebsparameter mit Feedforward-Anpassungen basierend auf der ursprünglichen Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung zu implementieren; Feedback von dem mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g) bezüglich der Betriebsbedingungen zu empfangen; und die Betriebsparameter basierend auf dem Feedback von dem mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g) anzupassen.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, das ferner mindestens einen Kraftstoffsensor (200a, 200b, 200c, 200d) umfasst, der an oder nahe dem Kraftstofftank (152) der Kraftstoffanlage (150) positioniert ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 2, wobei die ursprüngliche Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung auf Informationen von dem mindestens einen Kraftstoffsensor (200a, 200b, 200c, 200d) basiert, der an oder nahe dem Kraftstofftank (152) der Kraftstoffanlage (150) positioniert ist.
Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Kraftstoffsensor (200a, 200b, 200c, 200d) ein Dichtesensor ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Kraftstoffsensor (200a, 200b, 200c, 200d) ein Leitfähigkeitssensor ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei die ursprüngliche Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung auf Informationen von dem mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g) basiert.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (110) dazu ausgelegt ist, die Ansauganlage (130), die Kraftstoffanlage (150) und den Motor (120) in einem mageren Verbrennungsmodus zu betreiben.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der Motor (120) ein Selbstzündungsmotor ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 8, wobei die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Ethanol (C₂H₆O) und Biodiesel (B100) ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 8, wobei die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Methanol (CH₃OH) und Biodiesel (B100) ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der Motor (120) ein Fremdzündungsmotor ist, und wobei die kohlenstoffarme Kraftstoffmischung eine Kraftstoffmischung aus Methan (CH₄) und Wasserstoff (H₂) ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Abgassensor (200e, 200f, 200g) einen Kohlendioxid (CO₂) -Sensor umfasst, der in oder nahe der Abgasanlage (170) angeordnet ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Abgassensor (200e, 200f, 200g) einen Sauerstoff (O₂) -Sensor umfasst, der in oder nahe der Abgasanlage (170) angeordnet ist.
Antriebssystem (108) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Abgassensor (200e, 200f, 200g) einen Stickoxid (No_x) -Sensor, einen Sauerstoff (O₂) -Sensor und einen Kohlendioxid (CO₂) -Sensor umfasst, die an oder nahe der Abgasanlage (170) positioniert sind.
Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (108) mit einer Ansauganlage (130), einer Kraftstoffanlage (150) mit einer kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung, einem Motor (120) und einer Abgasanlage (170), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen, an einer Steuerung (110), einer ursprünglichen Angabe einer Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung; Implementieren, durch die Steuerung (110), der Betriebsparameter für die Kraftstoffanlage (150), die Ansauganlage (130) und den Motor (120) mit Feedforward-Anpassungen basierend auf der ursprünglichen Angabe der Zusammensetzung der kohlenstoffarmen Kraftstoffmischung; Empfangen von Feedback, an der Steuerung (110), von dem mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g) bezüglich der Betriebsbedingungen; und Anpassen der Betriebsparameter basierend auf dem Feedback von dem mindestens einen Abgassensor (200e, 200f, 200g).