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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, bei dem gasförmiger Kraftstoff
durch Direkteinspritzung in den/die Brennraum/Brennräume eingeführt wird,
sowie ein Betriebsverfahren zum Steuern des Einspritzdrucks des
gasförmigen
Kraftstoffs in Reaktion auf vorbestimmte Betriebszustände für einen
derartigen Motor.
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Hintergrund der Erfindung
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Sogenannte
Motoren mit Kompressionszündung
verwenden Verdichtungsverhältnisse,
die wesentlich höher
sind als bei Gleichraumprozess- (fremdgezündeten) bzw. Otto-Motoren. Eigenschaften
von Motoren mit Kompressionszündung,
wie beispielsweise Direkteinspritzung, höhere Verdichtungsverhältnisse
und ungedrosselte Lufteinlasssysteme, erlauben eine effizientere
Kraftstoffverbrennung, höhere
Leistung und einen geringeren Kraftstoffverbrauch auf einer Energiegrundlage,
verglichen mit fremdgezündeten
Motoren. Die bekanntesten Motoren mit Kompressionszündung sind
Dieselmotoren. In vielen Ländern
jedoch wird es für
die Hersteller von Dieselmotoren erforderlich, um in Zukunft den
schon von der Regierung angekündigten
Standards zu genügen,
an den heutzutage verkauften Motoren Verbesserungen vorzunehmen,
um Motoremissionen an Verbrennungsprodukten, wie beispielsweise
NOx und Partikel- bzw. Feinstaubteilchen, zu senken. Es wird erwartet,
dass derartige Verbesserungen zusätzliches Gerät erfordern
und intelligentere elektronische Mo torsteuerungen, um Technologie
zu implementieren wie beispielsweise eine Abgasrückführung, neue Verbrennungsstrategien
und eine Nachbehandlung. Einige dieser Technologien könnten den Wirkungsgrad
verglichen mit dem heutiger Motoren reduzieren und könnten die
Verwendung von Kraftstoff mit geringem Schwefelanteil erfordern,
der in der Herstellung teurer ist und in beiden Fällen die
zukünftigen
Betriebs- und Kapitalkosten erhöhen.
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Gasförmige Kraftstoffe
wie beispielsweise Erdgas, reines Methan, Ethan, verflüssigtes
Erdgas, leichter entzündbare
Kohlenwasserstoffderivate, Wasserstoff und Gemische dieser Kraftstoffe
können als
Ersatz für
Dieselkraftstoff verwendet werden über ein Modifizieren herkömmlicher
Dieselmotoren. Gasförmige
Kraftstoffe werden hier allgemein definiert als Kraftstoffe, die
unter Atmosphärendruck
und 0 Grad Celsius gasförmig
sind. Während
flüssige
Kraftstoffe, wie beispielsweise Diesel, unter sehr hohen Drucken eingespritzt
werden, um den Kraftstoff zu zerstäuben bzw. atomisieren, können gasförmige Kraftstoffe
in den Brennraum eines Motors mit geringeren Drucken eingespritzt
werden, da keine zusätzliche
Energie erforderlich ist für
die Zerstäubung
des Kraftstoffs.
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Ein
Vorteil des Ersetzens eines Dieselkraftstoffs durch einen gasförmigen Kraftstoff
besteht darin, dass ein gasförmiger
Kraftstoff gewählt
werden kann, der reiner als Dieselkraftstoffe verbrennt, so dass
die heutzutage wünschenswerten
Eigenschaften von Dieselmotoren, nämlich hoher Wirkungsgrad und
hohes Drehmoment, erhalten werden können, ohne dass so viel Technologie
in Bezug auf die Reduzierung der Motoremission erforderlich wäre.
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Ein
anderer Vorteil von gasförmigen
Kraftstoffen besteht darin, dass derartige Kraftstoffe als Ressource
weiter auf der Welt verbreitet sind und die Menge von nachgewiesenen
Reserven an Erdgas ist viel größer im Vergleich
zu den nachgewiesenen Ölreserven.
Auf vielen Märkten
der Welt ist Erdgas im Vergleich zu Dieselkraftstoff basierend auf
einem Energieäquivalent
billiger.
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Gasförmige Kraftstoffe
können
auch von erneuerbaren Quellen stammen, wie beispielsweise Ab- bzw.
Entlüftungsgasen
von Müllhalden
und Abwasserkläranlagen.
Wasserstoff kann mit Elektrizität hergestellt
werden, die über
erneuerbare Quellen erzeugt wird, wie beispielsweise über Windkraft
und hydroelektrische Dämme.
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Es
sind jedoch einige Modifikationen in Bezug auf einen herkömmlichen
Dieselmotor erforderlich, damit gasförmige Kraftstoffe Dieselkraftstoff
ersetzen können.
Bei einem Dieselmotor zündet
die durch die mechanische Verdichtung des Kraftstoff- und Luftgemischs
erzeugte Wärme
automatisch die flüssige
Dieselkraftstoffcharge bei oder nahe dem Ende des Verdichtungs-
bzw. Kompressionshubs des Kolbens. Unter den selben Bedingungen
werden gasförmige
Kraftstoffe wie beispielsweise Erdgas nicht zuverlässig selbst
zünden.
Demgemäß sind ohne
Neugestaltung von Motoren zum Vorsehen der Bedingungen, die notwendig
sind, um einen gasförmigen
Kraftstoff selbstzuzünden
und um einen gasförmigen
Kraftstoff in einem herkömmlichen
Motor mit dem selben Verdichtungsverhältnis zu verbrennen, gewisse
zusätzliche
Vorrichtungen erforderlich, um die Zündung des gasförmigen Kraftstoffs
zu unterstützen,
wie beispielsweise eine heiße
Oberfläche, die über eine
Glühkerze
vorgesehen wird oder eine Kraftstoffeinspritzdüse zum Einführen eines Hilfs kraftstoffs.
Der Hilfskraftstoff kann eine kleine Menge an Dieselkraftstoff sein,
wobei die Selbstzündung
des Hilfskraftstoffs die Zündung
des gasförmigen
Kraftstoffs auslöst.
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Eines
der Probleme mit der Direkteinspritzung gasförmiger Kraftstoffe in einen
Brennraum eines Verbrennungsmotors ist, dass gewisse Variationen
in Bezug auf die Menge an Kraftstoff vorliegen können, die von einem Vorgang
zu dem nächsten Vorgang
eingespritzt wird. Dies liegt daran, dass bei einem gasbetriebenen
Motor mehrere Variablen vorliegen, welche die Menge an eingespritztem
Kraftstoff beeinflussen können.
Einige dieser Variablen sind kein Faktor bzw. Problem bei herkömmlichen dieselbetriebenen
Motoren oder falls sie es sind, ist es ein Faktor unterschiedlichen
Ausmaßes.
Beispielsweise kann sich der Druck im Inneren des Zylinders von
Hub zu Hub leicht verändern,
und da es wünschenswert
ist, den Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff niedriger als den herkömmlichen Einspritzdruck für Dieselkraftstoff
zu halten, können
die Variationen bzw. Änderungen
des Drucks im Inneren des Zylinders größeren Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit
der Kraftstoffmenge haben. Auch aufgrund der geringeren Massendichte
der gasförmigen
Kraftstoffe kann die Ventilnadel für ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff
einen größeren Endoberflächenbereich
haben als bei einem Einspritzventil für Dieselkraftstoff, wobei der
Druck im Inneren des Zylinders einen größeren Einfluss auf die Bewegung
der Nadel eines Einspritzventils für gasförmigen Kraftstoff haben kann.
Auch können Änderungen
der Kraftstofftemperatur die Massendichte gasförmiger Kraftstoffe beeinflussen
und führen
eine Variable ein, die Änderungen
bezüglich
der Menge an Kraftstoff bewirken kann, die von einem Einspritzvorgang
zum nächsten
eingespritzt wird. 1 ist ein Graph der Standardabweichung
der tatsächlich
zugeführten
Menge an Kraftstoff gegen die Dauer eines Einspritzvorgangs für ein Einspritzventil
für gasförmige Kraftstoffe.
Die Dauer eines Einspritzvorgangs wird hier auch als "Impulsbreite" bezeichnet. Dieser Graph
zeigt, dass die Schwankung in der Menge des eingespritzten Kraftstoffs
im allgemein zunimmt bei Abnahme der Impulsbreite, wobei die Schwankung scharf
bzw. steil ansteigt, wenn einmal die Impulsbreite unter einen gewissen
Punkt gefallen ist. Die tatsächlichen
Werte für
Achsen auf diesem Graph sind weder gezeigt, noch sind sie wichtig,
da die tatsächlichen
Werte unterschiedlich für
unterschiedliche Motorsysteme und Ventilausgestaltungen sein können. Der
Effekt ist jedoch wesentlich und es wird angenommen, dass er allgemeingültig ist.
Schwankungen in Bezug auf die Menge an eingespritztem Kraftstoff
kann Ineffizienzen bewirken und, falls diese schwerwiegend sind,
können
derartige Schwankungen eine instabile Verbrennung bewirken. Demgemäß besteht
bei gasbetriebenen Motoren eine Notwendigkeit für ein Betriebsverfahren, das
die Schwankungen in Bezug auf die Menge an eingespritztem Kraftstoff
reduziert.
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Ein
anderes Problem im Zusammenhang mit gasbetriebenen Motoren besteht
darin, dass aufgrund geringerer Massendichte von gasförmigen Kraftstoffen
und falls der Einspritzdruck konstant gehalten wird, eine Verlängerung
der Impulsbreite unter Hochlastbedingungen erforderlich sein kann,
um die gewünschte
Menge an Kraftstoff einzuspritzen. Unter Hochlastbedingungen und
bei gasförmigen
Kraftstoffen kann der Wirkungsgrad des Motors reduziert sein, falls
die Impulsbreite zu lang ist.
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Falls
ein Motor eine Abgasrückführung (EGR)
verwendet, die eine bekannte Technik zum Zwecke der Reduzierung
von Emissionen an NOx ist, ist des weiteren einer der Effekte hoher
EGR-Raten derjenige, dass sie die Verbrennungsrate bzw. -geschwindigkeit
verlangsamt. Ein Vorteil der Verwendung gasförmiger Kraftstoffe mit EGR
besteht darin, dass die Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe weniger
Feinstaubteilchen bzw. Partikelteilchen erzeugt, und dies bedeutet,
dass weniger Feinstaubteilchen zum Brennraum mit dem zurückgeführten Abgas
zurückgeführt wird,
was höhere
EGR-Raten erlaubt. Zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung werden "große" Mengen an EGR als
EGR-Raten angesehen, die höher
als 15% liegen, und mit einem gasbetriebenen Motor ist es möglich, sogar
größere EGR-Raten
im Bereich von 30% bis 40% unter Hochlastbedingungen zu fahren.
Demgemäß besteht
eine Notwendigkeit, die Verbrennungsstrategie bei gasförmigem Kraftstoff
zu modifizieren, um die durch große EGR-Raten und die geringere
Massendichte von gasförmigen
Kraftstoffen bewirkte langsamere Verbrennungsrate bzw. -geschwindigkeit
zu kompensieren, insbesondere wenn der Motor bei hoher Last und hoher
Geschwindigkeit betrieben wird, wenn eine längere Kraftstoffeinspritzimpulsbreite
besonders problematisch sein kann.
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Während gezeigt
wurde, dass durch das direkte Einspritzen eines gasförmigen Kraftstoffs
in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors eine Möglichkeit
eröffnet
wird, der Ausgangsleistung, Performance und dem Wirkungsgrad eines
herkömmlichen Dieselmotors
gerecht zu werden, gibt es mehrere Faktoren, welche gasbetriebene
Motoren unterschiedlich zu herkömmlichen
dieselbetriebenen Motoren machen und diese Unterschiede erfordern
Betriebsverfahren, die unterschiedlich sind zu denjenigen, wie sie
für her kömmliche
Dieselmotoren entwickelt wurden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist ein Betriebsverfahren für
einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das umfasst:
Zuführen eines
gasförmigen
Kraftstoffs zu einem Kraftstoffeinspritzventil, wobei der Druck
des gasförmigen
Kraftstoffs innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils definiert ist
als Einspritzdruck für
gasförmigen Kraftstoff;
während eines
Verdichtungs- bzw. Kompressionshubs des Motors, direktes Einspritzen
des gasförmigen
Kraftstoffs in den Brennraum durch die Kraftstoffeinspritzdüse;
Bestimmen
eines Werts für
mindestens einen vorgewählten
Motorparameter aus Motorbetriebszuständen und Befehlen, dass ein
Einspritzdruck für
den gasförmigen
Kraftstoff einen vorbestimmten Zielwert annimmt, der in Verbindung
steht mit dem vorbestimmten Wert des wenigstens einen vorgewählten Motorparameters;
und
Messen des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff und Einstellen
der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite zum Zwecke des Korrigierens
von Unterschieden zwischen vorbestimmten Zielwerten und dem gemessenen
Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff, und dabei die gewünschte
Massenmenge an gasförmigem
Kraftstoff einzuspritzen, wie sie von einem Motorkennfeld bestimmt
wird.
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Wenigstens
einer der vorgewählten
Motorparameter kann der Motorzustand, die Motorlast, die Motorgeschwindigkeit
bzw. -umdrehung, die Kraftstoffleistentemperatur oder der Druck
in dem Zylinder sein. Ein Motor kann in mehreren Motorzuständen betrieben
werden und ein Zielwert für
den Kraftstoffeinspritzdruck kann mit jedem der Motorzustände oder mit
einem Satz von Motorzuständen
in Verbindung gebracht werden. Beispielsweise kann ein vorbestimmter
niederer Druck als der Zielwert definiert werden, wenn der Motor
in einem Leerlauf- oder Zusatzlastzustand arbeitet und ein vorbestimmter
normaler Druck, der höher
ist als der vorbestimmte niedere Druck, kann als Zielwert für den Kraftstoffeinspritzdruck
definiert werden, wenn der Motor startet bzw. durchdreht oder in
einem Primärlastzustand
ist oder wenn der Primärlastzustand
an einer Schwelle niederer Last vorbeigelangt.
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Das
Betriebsverfahren umfasst vorzugsweise ferner das Aufrechterhalten
eines Verhältnisses von
Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff zu Druck im Zylinder, das groß genug ist, um zu einem Kraftstoffstrahl
zu führen,
der von dem Kraftstoffeinspritzventil austritt und wenigstens etwas
gasförmigen
Kraftstoff umfasst mit einer Geschwindigkeit, welche die Schallgeschwindigkeit
innerhalb des Brennraums überschreitet.
Das gewünschte
Druckverhältnis
ist ein Faktor, der berücksichtigt
werden sollte bei der Entscheidung in Bezug auf den Wert für den Zielwert
des niederen Drucks.
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Nach
dem offenbarten Verfahren und wenn dem Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff
befohlen wird, geringer zu werden, schränkt die Steuereinheit die Rate
in Bezug auf das Reduzieren des Drucks ein, so dass der Einspritzdruck
für gasförmigen Kraftstoff
verringert werden kann, ohne den gasförmigen Kraftstoff in die Atmosphäre abzulassen. Für den offenbarten,
gasbetriebenen Motor ist die Rate bzw. Geschwindigkeit des Verringerns
des Einspritzdrucks für
gasförmigen
Kraftstoff eine Funktion der Rate, mit welcher der gasförmige Kraftstoff
von dem Motor verbraucht wird. Dies liegt daran, dass es nicht praktisch ist,
unter Hochdruck befindliches Gas zurück zu dem Speicherbehälter zu
führen.
Bei einem kryogenen System würde
dies dem verflüssigten
Kraftstoff zuviel Wärme
zuführen.
Bei einem System mit komprimiertem Gas können Zeiten vorliegen, bei
denen der Speicherdruck höher
ist als der Einspritzdruck.
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Das
Verfahren kann den Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff unter Verwendung
eines Negativratenbegrenzers verringern. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der Negativratenbegrenzer betrieben unter Verwendung eines
geschlossenen Regelkreises, um den Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff
um vorbestimmte Inkremente zu erniedrigen, bis ein Zieldruck erreicht
ist. Noch bevorzugter können
die vorbestimmten Inkremente basierend auf gemessenen Verbrauchsraten
von gasförmigem
Kraftstoff ausgewählt
werden, so dass die Rate bzw. Geschwindigkeit der Druckerniedrigung abhängt von
der Fähigkeit,
dass der Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff reduziert wird, ohne dass irgend ein gasförmiger Kraftstoff
in die Atmosphäre abgelassen
wird. Der Negativratenbegrenzer kann einen Begrenzungsalgorithmus
für die
Negativrate umfassen, der in eine elektronische Motorsteuerung oder
eine anwendungsspezifische elektronische Schaltung programmiert
wird.
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Das
Verfahren zum Erniedrigen des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff umfasst bevorzugt
das Unterbrechen der Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs an eine
Kraftstoffleiste, welche das Kraftstoffeinspritzventil versorgt,
bis der Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff auf einen gewünschten
der vorbestimmten Werte abfällt.
Die Zufuhr von gasförmigem
Kraftstoff an die Kraftstoffleiste kann angehalten werden durch
Schließen
eines Ventils, das im Zu sammenhang mit einer Kraftstoffzufuhrleitung
steht. Alternativ kann die Zufuhr an gasförmigem Kraftstoff an die Kraftstoffleiste
verlangsamt werden durch Regulierung eines Drucksteuerventils oder
durch Abschalten eines Kompressors oder einer Pumpe, der/die verwendet
wird, um den gasförmigen Kraftstoff
dem Kraftstoffeinspritzventil zuzuführen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren das Befehlen, dass der Einspritzdruck für den gasförmigen Kraftstoff
zu einem mehrerer diskreter, vordefinierter Drucke wird in Reaktion
auf gemessene Motorparameterwerte, wobei die Motorparameter einen
Motorzustand und/oder eine Motorlast und/oder eine Motorgeschwindigkeit
bzw. – umdrehung
und/oder eine Kraftstoffleistentemperatur und/oder einen Druck im
Zylinder umfassen. Einer der vordefinierten Einspritzdrucke kann
P(niedrig) sein, der niedriger ist als ein zweiter vordefinierter Einspritzdruck
P(normal). Das Verfahren kann den Befehl bzw. das Anordnen umfassen,
dass der Einspritzdruck für
den gasförmigen
Kraftstoff P(niedrig) wird, wenn der Motor in einem Leerlaufzustand
betrieben wird oder bei einem Punkt auf einem Motorkennfeld, der
unterhalb einer vordefinierten Niedriglastschwelle liegt und den
Befehl, dass der Einspritzdruck für den gasförmigen Kraftstoff P(normal) wird,
wenn dem Motor eine Last auferlegt wird oder wenn der Motor bei
einem Punkt auf einem Motorkennfeld betrieben wird, der oberhalb
der vordefinierten Niedriglastschwelle liegt. Das Verfahren kann
ferner einen dritten vordefinierten Einspritzdruck P(hoch) umfassen,
der höher
als P(normal) ist. Mit diesem dritten vordefinierten Einspritzdruck
P(hoch) kann das Verfahren ferner den Befehl umfassen, dass der
Einspritzdruck für
den gasförmigen
Kraftstoff P(hoch) wird, wenn der Motor bei einem Punkt auf dem
Motorkennfeld oberhalb einer vorbe stimmten Hochlastschwelle betrieben
wird. Der Druck P(niedrig) ist vorzugsweise ein Druck, bei dem eine gewünschte Menge
an gasförmigem
Kraftstoff in den Brennraum über
das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt werden kann mit einer
Kraftstoffeinspritzimpulsbreite, die größer oder gleich einer vorbestimmten
minimalen Impulsbreite ist, wenn der Motor in einem Leerlaufzustand
betrieben wird.
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Das
Betriebsverfahren kann ferner das Rückführen eines Teils von Abgasen
von einem Motorzyklus umfassen zum Zwecke der Rückkehr zu dem Brennraum für einen
darauf folgenden Motorzyklus bzw. -hub. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
und wenn der Motor bei einem Punkt auf dem Motorkennfeld oberhalb
der vorbestimmten Hochlastschwelle betrieben wird, kann rückgeführtes Abgas
bis zu 15% der Masse der Gase ausmachen, die in den Brennraum während eines
Ansaugtaktes eingeführt
wird.
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Bei
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Verfahren ferner das Einspritzen eines Hilfskraftstoffes
in den Brennraum zum Auslösen
der Zündung
des gasförmigen
Kraftstoffs. Um die Abänderungen
zu reduzieren, die an einem herkömmlichen
Zylinderkopf eines Motors vorgenommen werden müssten, kann bei derartigen
Ausführungsbeispielen
ein einzelnes Kraftstoffeinspritzventil betätigt werden, um sowohl den
Hilfskraftstoff wie auch den gasförmigen Kraftstoff in den Brennraum
einzuführen.
Wenn der Hilfskraftstoff und der gasförmige Kraftstoff fluidmäßig voneinander
in dem Kraftstoffeinspritzventil isoliert sind, um eine separate und
unabhängig
Einspritzung der beiden Kraftstoffe in dem Brennraum zu ermöglichen,
ist es bevorzugt, den Druck des gasförmigen Kraftstoffs und den Druck
des Hilfskraftstoffs zu regulieren, um ein Druckdifferenti al zwischen
dem gasförmigen
Kraftstoff und dem Hilfskraftstoff zu reduzieren, bevor jeder der
Kraftstoffe dem Kraftstoffeinspritzventil zugeführt wird. Der Druck des gasförmigen Kraftstoffs
ist vorzugsweise negativ in Bezug auf den Druck des Hilfskraftstoff
vorbelastet, um zu verhindern, dass der gasförmige Kraftstoff in den Hilfskraftstoff
leckt oder in Flüssigkeitsdichtungen,
die mit flüssigem
Hilfskraftstoff geladen sind.
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Das
Verfahren zum Regulieren des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff kann das
Befehlen umfassen, dass der Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff vorbestimmte
Zieldrucke für
vorbestimmte Betriebspunkte auf dem Motorkennfeld annimmt und das
Berechnen von Zieldrucken für
Betriebspunkte zwischen den vorbestimmten Betriebspunkten über eine
Interpolation.
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Das
offenbarte Betriebsverfahren kann ferner das Definieren der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite für vorbestimmte
Betriebspunkte auf dem Motorkennfeld umfassen und das Berechnen
der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite für Betriebspunkte zwischen den
vorbestimmten Betriebspunkten über
eine Interpolation(en). Das Verfahren kann ferner das Aufrechterhalten
einer Kraftstoffeinspritzimpulsbreite umfassen, die nicht kleiner
ist als eine vorbestimmte minimale Impulsbreite für alle Betriebspunkte
auf einem Motorkennfeld.
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Es
ist ein Verbrennungsmotorsystem offenbart, das Komponenten bzw.
Bauteile umfasst, die miteinander zusammenwirken, um einen gasförmigen Kraftstoff
in einen Brennraum einzuführen,
wo er verbrannt werden kann. Das offenbarte Verbrennungsmotorsystem
umfasst:
- a. ein Kraftstoffzufuhruntersystem,
das eine Vorrichtung zum Steuern des Drucks des gasförmigen Kraftstoffs
umfasst und eine Kraftstoffleiste zur Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs;
- b. ein Kraftstoffeinspritzventil, das betriebsmäßig mit
der Kraftstoffleiste verbunden ist, wobei der gasförmige Kraftstoff
bei einem befohlenen Einspritzdruck für den gasförmigen Kraftstoff von dem Kraftstoffzufuhruntersystem
zu dem Kraftstoffeinspritzventil geleitet und in den Brennraum über eine
Kraftstoffeinspritzventildüse
geleitet werden kann, die in dem Brennraum angeordnet ist;
- c. eine Steuereinheit, die betrieben werden kann, um:
- i. einen Wert für
wenigstens einen vorgewählten Motorparameter
aus Motorbetriebszuständen bzw.
-bedingungen zu bestimmen;
- ii. einen Zielwert für
den Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff zu bestimmen, der in Verbindung steht mit dem vorbestimmten
Wert des wenigstens einen vorgewählten
Motorparameters;
- iii. der Vorrichtung zum Steuern des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff
zu befehlen, den Druck für
den gasförmigen
Kraftstoff auf den Zielwert zu erniedrigen oder zu erhöhen, falls
der Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff nicht gleich dem Zielwert ist; und
- iv. ein Öffnen
und Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils zu befehlen, um die Kraftstoffeinspritzimpulsbreite
einzustellen zum Zwecke der Korrektur von Unterschieden zwischen
dem gemessenen Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff und dem vorbestimmten Zielwert.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist einer der vorgewählten
Motorparameter der Druck im Inneren des Zylinders, und die vorbestimmten
Zielwerte werden so gewählt,
dass sie ein Verhältnis
von Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff zu Druck im Inneren des Zylinders aufrechterhalten, der
hoch genug ist, um zu einem Kraftstoffstrahl zu führen, der aus
dem Kraftstoffeinspritzventil austritt und wenigstens einen gewissen
Anteil an gasförmigem
Kraftstoff mit einer Geschwindigkeit innerhalb des Brennraums umfasst,
die Schallgeschwindigkeit überschreitet.
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Das
Verbrennungsmaschinensystem umfasst bevorzugt einen Negativratenbegrenzer
bzw. Negativgeschwindigkeitenbegrenzer in Verbindung mit der Vorrichtung
zum Steuern des Drucks für
gasförmigen
Kraftstoff. Der Negativratenbegrenzer wirkt so, dass er die Rate
bzw. Geschwindigkeit der Abnahme des Drucks für gasförmigen Kraftstoff einschränkt, um
ein Ablassen des gasförmigen
Kraftstoffs an die Atmosphäre
zu verhindern. Die Steuereinheit ist vorzugsweise eine elektronische
Steuereinheit und der Negativratenbegrenzer kann einen Algorithmus
umfassen, der in die Steuereinheit oder eine anwendungsspezifische
elektronische Schaltung programmiert wird.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist die Vorrichtung zum Steuern des Drucks für gasförmigen Kraftstoff ein mit der
Kraftstoffleiste in Verbindung stehendes druckregulierendes Ventil.
Bei einem Motor, der einen Hilfskraftstoff verwendet, kann ein Dosierventil
in Verbindung mit einem Zufuhruntersystem für Hilfskraftstoff verwendet
werden, um den Druck des Hilfskraftstoffs zu steuern, und der Einspritzdruck
für gasförmigen Kraftstoff
wird in Reaktion auf den Hilfskraftstoffdruck über die Betäti gung des druckregulierenden
Ventils gesteuert. Das heißt, dass
die Steuereinheit dem druckregulierenden Ventil befehlen kann, zu
schließen,
so dass sich der Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff erniedrigen kann,
wenn gasförmiger
Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffleiste zwischen dem druckregulierenden Ventil
und dem Kraftstoffeinspritzventil von dem Motor verbraucht würde, oder
im Falle eines Motors, der einen Hilfskraftstoff verwendet, kann
die Steuereinheit indirekt das druckregulierende Ventil steuern durch
Steuern des Einspritzdrucks für
Hilfskraftstoff, beispielsweise durch Steuern eines Dosierventils
für Hilfskraftstoff.
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Das
Kraftstoffzufuhruntersystem umfasst eine Pumpe oder einen Kompressor,
die/der verwendet werden kann zur Zufuhr von unter Hochdruck befindlichem
gasförmigem
Kraftstoff an die Kraftstoffeinspritzventile. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann
die Steuereinheit so programmiert werden, dass sie der Pumpe oder
dem Kompressor befiehlt, anzuhalten, um es dem Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff
zu erlauben, sich zu erniedrigen, wenn gasförmiger Kraftstoff innerhalb
der Kraftstoffleiste zwischen der Pumpe oder dem Kompressor und
dem Kraftstoffeinspritzventil von dem Motor verbraucht wurde.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen kann
das Verbrennungsmotorsystem ferner ein Rückführgerät für Abgas umfassen, um einen
Abgasstrom, der von dem Brennraum stammt, zurück in den Brennraum zu leiten,
sowie ein EGR-Ventil
zum Regulieren der Menge an Abgas, die zurückgeführt wird.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des
Verbrennungsmotorsystems wird die Vorrichtung zum Steuern des Drucks
für gasförmigen Kraftstoff ebenfalls
so betrieben, dass sie ein Druckdifferential zwischen dem gasförmigen Kraftstoff
und dem Hilfskraftstoff innerhalb eines vorbestimmten Bereichs aufrechterhält. Die
Vorrichtung zum Steuern des Drucks für gasförmigen Kraftstoff kann eine
dombelastete Reguliereinheit umfassen, die eine Steuerkammer in
Verbindung mit der Hilfskraftstoffleiste hat.
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Bei
dem offenbarten Motorsystem steht ein Drucksensor in Verbindung
mit dem Kraftstoffeinspritzventil oder der Kraftstoffleiste zwischen
der Vorrichtung zum Steuern des Drucks für gasförmigen Kraftstoff und dem Kraftstoffeinspritzventil,
um den Druck des gasförmigen
Kraftstoffs zu messen. Bei einem Motor, der einen Hilfskraftstoff
verwendet, dessen Einspritzdruck zu dem Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff
ausgeglichen ist, kann das Motorsystem anstelle eines Drucksensors
für gasförmigen Kraftstoff
oder zusätzlich
dazu einen Drucksensor in Verbindung mit der Hilfskraftstoffleiste
verwenden. Ein Drucksensor ist erforderlich, um den tatsächlichen
Einspritzdruck zu messen, so dass eine Kraftstoffeinspritzimpulsbreite
eingestellt werden kann, um Unterschiede zwischen dem tatsächlichen
Kraftstoffeinspritzdruck und dem Zielwert für den Einspritzdruck zu kompensieren.
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Das
Verbrennungsmotorsystem kann ferner einen Sensor zum direkten Messen
des Drucks im Inneren des Zylinders umfassen oder zum Messen eines
Betriebsparameters in Verbindung mit dem Motor, aus dem der Druck
im Inneren des Zylinders indirekt bestimmt werden kann.
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Demgemäß ist es
mit dem offenbarten Verfahren und der Vorrichtung zum Steuern des
Kraftstoffeinspritzdrucks in einem gasbetriebenen Motor mir direkter
Kraftstoffeinspritzung möglich,
die Verbrennungseigenschaften zu verbessern, die Kraftstoffleistung
zu verbessern und Emissionen des Motors an NOx zu reduzieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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1 ist
ein Graph, der die Standardabweichung(en) der tatsächlich zugeführten Kraftstoffmenge
gegenüber
der Impulsbreite für
ein Einspritzventil für
gasförmigen
Kraftstoff aufträgt.
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2 ist
eine schematische Ansicht eines gasbetriebenen Verbrennungsmotorsystems
zum Steuern des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff durch Bestimmung
vorgewählter
Motorparameter aus Motorbetriebszuständen und Erhöhen oder Erniedrigen
des Kraftstoffseinspritzdrucks auf einen vorbestimmten Zielwert,
der in Verbindung steht mit dem vorbestimmten Wert der vorgewählten Motorparameter.
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3 ist
eine schematische Ansicht eines gasbetriebenen Verbrennungsmotorsystems,
bei dem das Verfahren wie bei dem Motorsystem der 2 Anwendung
finden kann, das jedoch das zusätzliche
Merkmal des Ausgleichs des Drucks für gasförmigen Kraftstoff mit dem Druck
eines Hilfskraftstoffs hat, der verwendet wird zur Unterstützung der Zündung des
gasförmigen
Kraftstoffs. Bei dieser Anordnung werden der Hilfskraftstoff und
der gasförmige
Kraftstoff in den Brennraum über
ein duales Kraftstoffeinspritzventil eingeführt, das ein separates und unabhängiges Einspritzen
der Hilfs- und gasförmigen Kraftstoffe
erlaubt.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das beispielhaft die Logik darstellt, die bei
einem Verfahren zum Steuern des Drucks für einen gasförmigen Kraftstoff Verwendung
findet.
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5 ist
eine graphische Darstellung der Motorleistung (Pferdestärke) zur
Motorumdrehung (UPM) und zeigt beispielhaft eine Niedriglastschwelle und
eine Hochlastschwelle, die Bereiche auf dem Motorkennfeld definieren,
wenn einem Motor unterschiedliche Betriebszustände befohlen werden.
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6 ist
eine graphische Darstellung des Kraftstoffeinspritzdrucks gegen
die Zeit und zeigt beispielhaft den Effekt des offenbarten Verfahrens, wenn
einem Motor unterschiedliche Betriebszustände befohlen werden.
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Detaillierte Beschreibung des/der bevorzugten
Ausführungsbeispiels(e)
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Die 2 und 3 zeigen
schematische Ansichten zweier Anordnungen eines gasbetriebenen Verbrennungsmotorsystems.
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Bezugnehmend
auf 2 stellt das Verbrennungsmotorsystem 200 ein
Ausführungsbeispiel
dar, bei dem der gasförmige
Kraftstoff als komprimiertes Gas gespeichert wird. Das Verbrennungsmotorsystem 200 umfasst
im allgemeinen ein Kraftstoffzufuhruntersystem 210, ein
Kraftstoffeinspritzuntersystem 240 und eine Motorsteuereinheit 250.
Jedes dieser Untersysteme wird detaillierter unten beschrieben, wie
auch die Art und Weise beschrieben wird, wie sie miteinander zusammenarbeiten,
um einen gasförmigen Kraftstoff
in einen Brennraum einzuführen,
wo er verbrannt werden kann.
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Da
gasförmige
Kraftstoffe typischerweise nicht bei derselben Temperatur und demselben Druck
wie herkömmliche
flüssige
Kraftstoffe, wie Dieselkraftstoffe, selbstzünden, und um den allgemeinen
Aufbau herkömmlicher
Dieselmotoren, einschließlich
des Verbrennungsverhältnisses,
beizubehalten, kann eine Zündunterstützungsvorrichtung vorgesehen
sein, um die Zündung
gasförmiger
Kraftstoffe zu unterstützen.
Beispielsweise kann eine Zündunterstützungsvorrichtung
ein Hilfskraftstoff-Einspritzventil zum Einspritzen eines selbstzündenden
Hilfskraftstoffs sein, um die Zündung
des gasförmigen
Kraftstoffs auszulösen,
oder eine heiße Oberfläche, die über eine
Zündkerze
vorgesehen wird, wie beispielsweise eine durchgehend betreibbare
Glühkerze.
In dem Ausführungsbeispiel
der 2 führt
das Kraftstoffzufuhruntersystem 210 gasförmigen Kraftstoff
nur dem Motor zu, so dass die Zündunterstützungsvorrichtung
ein separates Hilfskraftstoffzufuhrsystem oder eine Zündkerze
(nicht gezeigt) umfassen kann.
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Das
Kraftstoffzufuhruntersystem 210 umfasst einen Speichertank 211,
einen Kompressor 212, eine Kraftstoffzufuhrleitung 213,
einen Speicherbehälter 214,
ein Druckregulierventil 215, einen Drucksensor 216 und
eine Kraftstoffleiste 217. Der Speichertank 211 ist
ein druckbemessener Behälter
zum Speichern des gasförmigen
Kraftstoffs unter Druck. Gasförmige
Kraftstoffe werden typischerweise unter hohem Druck gespeichert,
um die Kraftstoffdichte zu erhöhen,
so dass weniger Raum erforderlich ist, um den Kraftstoff an Bord
eines Fahrzeugs zu speichern bzw. zu lagern. Unterschiedliche Gerichtsbarkeiten
haben unterschiedliche Vorschriften bzw. Gesetze hinsichtlich des
zulässigen
maximalen Speicherdrucks, wobei die Gerichtsbarkeit, wo der Motor
eingesetzt wird, den maximal erlaubten Kraftstoffspeicherdruck beschränkt haben
kann. Ein maximaler Kraftstoffspeicherdruck zwischen 3000 psi und
5000 psi ist bei der gegenwärtig
verfügbaren Technologie
praktisch. Es gibt bekannte technische Barrieren in Bezug auf die
Verwendung noch höherer Drucke,
obgleich wirtschaftliche Faktoren ebenfalls Berücksichtigung finden sollten.
Beispielsweise können
wirtschaftliche Nachteile in Verbindung mit dem zusätzlichen
Gewicht eines Druckbehälters
verbunden sein, der für
einen höheren
Maximaldruck ausgelegt ist, die Herstellkosten und die Kosten zum
Befördern
eines schwereren Speicherbehälters
an Bord eines Fahrzeugs könnten
einen Einfluss auf die wirtschaftliche Machbarkeit haben, der den
wirtschaftlichen Wert überschreitet,
der erzielt wird durch die zusätzliche
Kraftstoffspeicherkapazität
von unter höheren
Drucken gespeicherten Gasen.
-
Das
Druckregulierventil 215 ist vorzugsweise über die
Steuereinheit 250 elektronisch steuerbar, um den Kraftstoffeinspritzdruck
in der Kraftstoffleiste 217 zu reduzieren durch Einschränken des
Kraftstoffstroms durch das Regulierventil 215 und Bewirken
eines größeren Druckabfalls über dem
Regulierventil 215, oder falls eine große Abnahme bzw. Erniedrigung
des Kraftstoffeinspritzdrucks erforderlich ist, durch vollständiges Schließen des
Druckregulierventils 215, wobei ein Verbrauch an gasförmigem Kraftstoff
in der Kraftstoffleiste 217 durch den Motor einen Abfall
des Kraftstoffeinspritzdrucks bewirkt. Falls eine Zunahme des Kraftstoffeinspritzdrucks
erforderlich ist, so kann umgekehrt die Steuereinheit 250 das
Druckregulierventil 215 in eine vollständig geöffnete Stellung steuern und
dem Kom pressor 212 befehlen, anzulaufen, falls er in einem
Ruhemodus ist, oder mit höherer
Geschwindigkeit zu arbeiten im Falle eines Kompressors mit Regelantrieb.
-
Das
Kraftstoffeinspritzuntersystem 240 umfasst ein Kraftstoffeinspritzventil 241,
das in einem Zylinderkopf 242 montiert ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 241 umfasst
eine Düse 243,
die eine Spitze umfasst, die innerhalb des Brennraums 244 angeordnet
ist und durch die gasförmiger
Kraftstoff direkt in den Brennraum 244 eingespritzt werden
kann. Der Brennraum 244 ist definiert durch den Zylinderkopf 242,
einen Zylinder 245 und einen Kolben 246. Der Zylinderkopf 242 deckt
das oberste Ende des Zylinders 245, gegenüber dem
Kolben 246, ab, wodurch ein Speicherdruck zugelassen wird,
so dass die Gerichtsbarkeit, in der der Motor verwendet wird, den maximal
zulässigen
Kraftstoffspeicherdruck beschränken
kann. Ein maximaler Kraftstoffspeicherdruck zwischen 3000 psi und
5000 psi ist mit gegenwärtig
verfügbarer
Technologie praktisch. Es gibt keine bekannten technischen Hürden bei
der Verwendung noch höherer
Drucke, obgleich wirtschaftliche Faktoren auch in Betracht gezogen
werden sollten. Beispielsweise können
wirtschaftliche Nachteile bestehen im Zusammenhang mit dem zusätzlichen
Gewicht eines Druckbehälters,
der für
einen höheren Maximaldruck
ausgelegt ist, die Herstellkosten und die Kosten zum Mitführen eines
schwereren Speicherbehälters
an Bord eines Fahrzeuges könnten
einen Einfluss auf die wirtschaftliche Machbarkeit haben, der den
wirtschaftlichen Wert überschreitet, der
erzielbar ist durch die zusätzliche
Kraftstofflagerkapazität
von unter höheren
Drucken gespeicherten Gasen.
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Das
Druckregulierventil 215 ist vorzugsweise über die
Steuereinheit 250 zum Reduzieren des Kraftstoffeinspritzdrucks
in der Kraftstoffleiste 217 elektronisch steuerbar durch
Einschränken
des Kraftstoffstroms durch das Regulierventil 215 und das
Bewirken eines größeren Druckabfalls über dem
Regulierventil 215, oder falls eine große Erniedrigung des Kraftstoffeinspritzdrucks
erforderlich ist, durch vollständiges
Schließen
des Druckregulierventils 215, wobei ein Verbrauch an gasförmigem Kraftstoff
in der Kraftstoffleiste 217 durch den Motor einen Abfall
des Kraftstoffeinspritzdrucks bewirkt. Falls umgekehrt eine Zunahme
des Kraftstoffeinspritzdrucks erforderlich ist, kann die Steuereinheit 250 das
Druckregulierventil 215 in eine vollständig geöffnete Stellung steuern und
dem Kompressor 212 befehlen, anzulaufen, falls er in einem
Ruhemodus ist, oder, im Falle eines Kompressors mit Regelantrieb,
mit höherer
Geschwindigkeit bzw. Umdrehung zu arbeiten.
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Das
Kraftstoffeinspritzuntersystem 240 umfasst das Kraftstoffeinspritzventil 241,
das in dem Zylinderkopf 242 montiert ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 241 umfasst
die Düse 243,
die eine Spitze umfasst, die innerhalb des Brennraums 244 angeordnet ist,
und durch die gasförmiger
Kraftstoff direkt in den Brennraum 244 eingespritzt werden
kann. Der Brennraum 244 ist definiert durch den Zylinderkopf 242,
den Zylinder 245 und den Kolben 246. Der Zylinderkopf 242 deckt
das oberste Ende des Zylinders 245, gegenüber dem
Kolben 246, ab, der innerhalb des Zylinders 245 hin-
und herbewegbar ist, um die untere Grenze des Brennraums 244 zu
definieren. Eine Kolbenstange 248 verbindet den Kolben 246 mit einer
Kurbelwelle 248.
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Die
Steuereinheit 250 ist so programmierbar, dass sie Befehlssignale
an den Kompressor 212, den Druckregulie rer 215 und
das Kraftstoffeinspritzventil 241 sendet. Die dem Kompressor 212 und
dem Druckregulierer 215 zugesandten Befehlssignale können verwendet
werden, um den Einspritzdruck für den
gasförmigen
Brennstoff zu erhöhen
oder zu erniedrigen. An das Kraftstoffeinspritzventil 214 gesandte
Befehlssignale können
verwendet werden, um das Kraftstoffeinspritzventil zu öffnen und
zu schließen,
wobei der zeitliche Ablauf dieser Vorgänge die Impulsbreite bestimmt.
Falls das Kraftstoffeinspritzventil 241 Teilhub- und Hubsteuerungsfähigkeiten
aufweist, kann zudem das Befehlssignal von der Steuereinheit 250 den
Grad des Hubs (den linearen Versatz des Ventilteils, das versetzbar
ist, um das Ventil zu öffnen
und zu schließen)
diktieren, zusätzlich
zur Verabreichung eines Signals, wie schnell das Ventil geöffnet und
geschlossen wird.
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Die
Motorsteuereinheit 250 empfängt Daten in Bezug auf die
Motorbetriebszustände
von dem Verbrennungsmotorsystem 200. Aus diesen Daten bestimmt
die Steuereinheit einen Wert für
wenigstens einen vorgewählten
Motorparameter. Entsprechend dem Steuerverfahren, werden einer oder
mehrere Motorparameter vorgewählt
und die Steuerstrategie zur Erhöhung
oder Erniedrigung des Drucks für
den gasförmigen
Kraftstoff basiert auf dem Wert des/der vorgewählten Parameter(s). Die vorgewählten Motorparameter
können
den Motorzustand, die Motorlast, die Motorgeschwindigkeit bzw. -umdrehung,
die Kraftstofftemperatur in der Kraftstoffzufuhrleitung 213 und/oder
der Kraftstoffleiste 217 und den Druck im Inneren des Zylinders
beinhalten. Entsprechend der Einstellung des Motors wird der Wert
eines oder mehrerer dieser Parameter bestimmt und basierend auf
derartigen Werten befiehlt die Steuereinheit 250 die Erhöhung oder
Erniedrigung des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff auf einen
vorbestimmten Zielwert, der in Verbindung steht mit dem vorbestimmten
Wert des einen oder der mehreren vorgewählten Parameter.
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Beispielsweise
kann eine auf den Motorzuständen
basierende Steuerstrategie für
den Kraftstoffdruck einen ersten Zieldruck für die Kraftstoffeinspritzung
zuordnen, wenn der Motor in einem Leerlaufzustand oder einem Abtriebs-
bzw. Kraftübertragungszustand
arbeitet, in dem der Motor eine relativ kleine Leistung an eine
zusätzliche
Vorrichtung abgibt. Arbeitet der Motor in einem anderen Motorzustand,
kann ein zweiter Zieldruck für
die Kraftstoffeinspritzung zugeordnet werden, wobei der zweite Zieldruck
für die
Kraftstoffeinspritzung höher
ist als der erste Zieldruck für
die Kraftstoffeinspritzung.
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Auch
empfängt
die Steuereinheit 250 ein Signal von dem Drucksensor 216,
das den Druck des gasförmigen
Kraftstoffs in der Kraftstoffleiste 217 angibt. Eine Eigenschaft
des offenbarten Verfahrens besteht darin, dass der Kraftstoffeinspritzdruck
sehr schnell erhöht
werden kann, dass jedoch bei einem Befehl zum Erniedrigen des Kraftstoffeinspritzdrucks der
tatsächliche
Kraftstoffeinspritzdruck unterschiedlich zu dem Zieleinspritzdruck
sein kann, bis als Folge des Kraftstoffverbrauchs beim Betrieb des
Druckregulierventils 215 der Druck abfällt. Demgemäß nutzt die Steuereinheit 250 das
Drucksignal von dem Drucksensor 216, um den tatsächlichen
Kraftstoffleistendruck zu erfassen und Einstellungen an der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite
vorzunehmen, um den Unterschied zwischen dem gemessenen Kraftstoffleistendruck
und dem Zieleinspritzdruck zu korrigieren, so dass die gewünschte Massenmenge
an gasförmigem
Kraftstoff, die über
ein Motor kennfeld bestimmt wird, die Menge ist, die tatsächlich eingespritzt
wird.
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Bezugnehmend
auf 3 stellt das Verbrennungsmotorsystem 300 ein
Ausführungsbeispiel
dar, bei dem der gasförmige
Kraftstoff als verflüssigtes Gas
gespeichert wird und welches den gasförmigen Kraftstoff und einen
Hilfskraftstoff durch eine gemeinsame Kraftstoffeinspritzventilanordnung 340 in
einen Brennraum einspritzt, wie dies detaillierter unten beschrieben
wird.
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Das
Verbrennungsmotorsystem 300 umfasst im allgemeinen ein
Kraftstoffabgabeuntersystem 310, ein Hilfskraftstoffabgabeuntersystem 320,
ein Kraftstoffeinspritzuntersystem 340 und eine Motorsteuereinheit 350.
Jedes dieser Untersysteme wird detaillierter unten beschrieben,
zusammen mit einer Beschreibung der Art und Weise, in welcher diese miteinander
zusammenwirken, um einen gasförmigen
Kraftstoff in einen Brennraum einzuführen, wo er verbrannt werden
kann.
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Das
Untersystem 310 zur Abgabe von gasförmigem Kraftstoff umfasst einen
Speichertank 311, eine Pumpe 312, eine Kraftstoffzufuhrleitung 313,
einen Verdampfer 314, einen Speicherbehälter 315, einen Drucksensor 316,
eine Kraftstoffleiste 317 und ein Druckregulierventil 318.
Gasförmige
Kraftstoffe wie beispielsweise Erdgas und Wasserstoff können in
verflüssigter
Form bei kryogenen Temperaturen gespeichert werden. Thermisch isolierte
Behälter zum
Speichern verflüssigter
Gase bei kryogenen Temperaturen sind wohlbekannt. Demgemäß kann der
Speichertank 311 ein doppelwandiger, vakuumisolierter Behälter sein,
der zur Verwendung bei Fahrzeugen ausgestaltet ist. Wie in 3 gezeigt,
kann die Pumpe 312 einen Ansaugeinlass haben, der im Inneren
des kryogenen Raums des Speichertanks 311 angeordnet ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Pumpe 312 in dem kryogenen Raum eingetaucht sein,
wobei sich eine Antriebswelle von ihr erstreckt und mit einer Antriebseinheit
verbunden ist, die außerhalb
des kryogenen Raums angeordnet ist.
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Das
Abgabeuntersystem 230 für
den Hilfskraftstoff umfasst einen Speichertank 321, ein
Dosierventil 322, eine Pumpe 323, eine Hilfskraftstoffleiste 324,
ein Rückschlag- bzw. Sperrventil 325,
einen Drucksensor 326 und eine Hilfskraftstoffleitung 327.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
steuert das Dosierventil 322 den Hilfskraftstoffdruck in
der Hilfskraftstoffleiste 324 über ein Steuern der Menge des
Hilfskraftstoffs, der der Pumpe 323 zugeführt wird,
die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine
Kolbenpumpe ist, die mit regelbarem Kraftstoffstrom betrieben werden
kann. Die Hilfskraftstoffleitung 327 endet abschließend bei
der Steuerkammer des Druckregulierventils 318. Demgemäß ist der Hilfskraftstoff
in der Hilfskraftstoffleitung 327 statisch, jedoch wird
der Hilfskraftstoffdruck über
die Hilfskraftstoffleitung 327 dem Druckregulierventil 318 kommuniziert.
Der Hilfskraftstoffdruck in der Steuerkammer des Druckregulierventils 318 bewegt
ein Ventilteil in dem Druckregulierventil 318 in eine offene
oder geschlossene Stellung zum Ausgleich des Drucks des gasförmigen Kraftstoffs
in der Leiste 317 für
gasförmigen
Kraftstoff mit dem Druck des Hilfskraftstoffs in der Leiste 324 für Hilfskraftstoff.
Eine Feder in der Steuerkammer kann verwendet werden, um den Druck
für gasförmigen Kraftstoff
negativ vorzubelasten und zu verhindern, dass gasförmiger Kraftstoff
in den Hilfs kraftstoff leckt. Über
diese Anordnung wird der Druck für
gasförmigen
Kraftstoff über
den Druck für
Hilfskraftstoff gesteuert. Wenn dem Kraftstoffeinspritzdruck befohlen
wird, sich zu erniedrigen, begrenzt die Steuereinheit die Rate bzw.
Geschwindigkeit, mit welcher der Hilfskraftstoffdruck erniedrigt wird
auf eine Rate, die abgestimmt werden kann durch Erniedrigen des
Drucks für
gasförmigen
Kraftstoff, was erreicht wird durch Schließen des Druckregulierventils 318 und
Erlauben, dass der gasförmige Kraftstoff
in der Kraftstoffleiste 317 verbraucht wird, um dabei zu
bewirken, dass sich der Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff erniedrigt.
Demgemäß erfasst
bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
die Steuereinheit 350 die Rate bzw. Geschwindigkeit des Verbrauchs
von gasförmigem
Kraftstoff durch den Motor und befiehlt dem Dosierventil 322 für Hilfskraftstoff,
mit derselben Rate bzw. Geschwindigkeit den Hilfskraftstoffdruck
zu erniedrigen.
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Das
Druckregulierventil 318 kann beispielsweise ein dombelastetes
Regulierventil, wie beispielsweise ein kolben- oder membranbetätigtes Drucksteuerventil,
sein.
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In
der Beschreibung des Ablaufdiagramms der 4 unten,
ist das Verfahren zur Benutzung eines Negativratenbegrenzers offenbart,
wobei der Hilfskraftstoffeinspritzdruck und der Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff
um vorbestimmte, inkrementale Schritte reduziert werden können mit
einer Rate bzw. Geschwindigkeit, die für einen Motor kalibriert ist,
so dass der Druck für
gasförmigen
Kraftstoff reduziert werden kann, ohne dass jeglicher gasförmiger Kraftstoff
zur Atmosphäre
abgelassen bzw. entlüftet
wird. Mit einer Steuerstrategie, die einen konstanten Wert für die inkrementalen
bzw. stufenweisen Schritte verwendet, die durch den Negativratenbegrenzer
diktiert werden, wird eine Größe der Schritte ausgewählt, so
dass für
alle Raten bzw. Geschwindigkeiten eines Kraftstoffverbrauchs der
Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff reduziert werden kann, ohne irgendeinen gasförmigen Kraftstoff
abzulassen. Dies bedeutet, dass die Größe der Schritte über Bereich
auf dem Motorkennfeld bestimmt wird, wo sich die geringste Last
und Geschwindigkeit findet und folglich wird der Druck für gasförmigen Kraftstoff nicht
so schnell wie möglich
erniedrigt, wenn der Motor in anderen Bereichen des Motorkennfelds
arbeitet, wo Last und Geschwindigkeit höher sind. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen,
wie oben erwähnt, kann
ein anspruchsvolleres Verfahren verwendet werden, bei dem die Steuereinheit 350 die
Rate bzw. Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher der gasförmige Kraftstoff
verbraucht wird, und stellt die Größe der inkrementalen Schritte
ein, welche die Steuereinheit befiehlt, um dabei die Rate bzw. Geschwindigkeit
zu erhöhen
oder zu erniedrigen, mit welcher die Einspritzdrucke von Hilfs-
und gasförmigen
Kraftstoffen in Reaktion auf den Kraftstoffverbrauch des Motors geändert werden.
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Bei
dem in 3 dargestellten Motorsystem liegen zwei Drucksensoren 316 und 326 vor.
Da jedoch der Einspritzdruck für
Hilfskraftstoff zu dem Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff ausgeglichen ist,
ist lediglich ein Drucksensor erforderlich zum Implementieren des
Verfahrens und jeder der beiden gezeigten Drucksensoren kann ohne
den anderen Verwendung finden. Zumindest ein Drucksensor ist erforderlich,
da bei dem Befehl, den Kraftstoffeinspritzdruck zu erniedrigen,
mit dem offenbarten Verfahren zum Einschränken der Rate bzw. Geschwindigkeit,
mit welcher der Kraftstoffeinspritzdruck erniedrigt werden kann,
kann der tatsächliche
Kraftstoffleistendruck höher
sein als der Zielkraftstoffeinspritzdruck. Demgemäß ist einer
der Drucksensoren 316 oder 326 erforderlich, so
dass der tatsächliche Kraftstoffleistendruck
gemessen und die Steuereinheit 350 die Kraftstoffeinspritzimpulsbreite
einstellen kann, so dass die korrekte Menge an Kraftstoff in den Brennraum
eingespritzt wird.
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Das
Kraftstoffeinspritzuntersystem
340 umfasst ein Kraftstoffeinspritzventil
341,
das in einem Zylinderkopf
342 montiert ist. Das Kraftstoffeinspritzventil
341 umfasst
eine Düse
343,
die eine Spitze umfasst, die innerhalb des Brennraums
344 angeordnet
ist und durch die gasförmiger
Kraftstoff und Hilfskraftstoff direkt in den Brennraum
344 eingespritzt werden
kann. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst das Kraftstoffeinspritzventil
341 separate Kraftstoffdurchgänge und
Ventilteile für
den gasförmigen
Kraftstoff und den Hilfskraftstoff, um ein separates und unabhängiges Einspritzen
der gasförmigen
Kraftstoffe und Hilfskraftstoffe zu erlauben. Beispielsweise offenbart
das ebenfalls innehabende
US-Patent Nr. 6,761,325 mit
dem Titel
"Dual
Fuel Injection Valve And Method of Operating A Dual Fuel Injection
Valve",
das in seiner Gesamtheit hier durch Bezugnahme beinhaltet ist, eine
für diese
Anwendung geeignete, kombinierte Kraftstoffeinspritzventilanordnung.
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Der
Brennraum 344 ist definiert durch den Zylinderkopf 342,
den Zylinder 345 und den Kolben 346. Der Zylinderkopf 324 deckt
das oberste Ende des Zylinders 345, gegenüber dem
Kolben 346, ab, der innerhalb des Zylinders 345 hin-
und herbewegbar ist, um die untere Grenze des Brennraums 344 zu definieren.
Die Kolbenstange 348 verbin det den Kolben 346 mit
einer Kurbelwelle 348.
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Zusätzlich zu
Daten in Bezug auf den Kraftstoffleistendruck, die erhältlich sind
von wenigstens einem der Drucksensoren 316 und 326,
kann die Motorsteuereinheit 350 andere Daten von dem Verbrennungsmotorsystem 300 empfangen,
einschließlich einige
oder alle der folgenden: Daten betreffend die tatsächliche
Motorlast, erforderliche Motorlast, Motorgeschwindigkeit bzw. -umdrehung,
Druck im Inneren des Zylinders und Kraftstofftemperatur bei der Kraftstoffleiste 317.
Die Steuereinheit 350 ist so programmierbar, dass sie Befehlssignale
an die Pumpe 312, das Dosierventil 322 für Hilfskraftstoff
und das Kraftstoffeinspritzventil 341 sendet, um Korrekturen an
Befehlssignalen basierend auf der Abweichung von gemessenen Daten
gegenüber
erwarteten Werten vorzunehmen.
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In
den dargestellten Beispielen, wie sie in den 2 und 3 gezeigt
sind, sind ein oder mehrere Einlassventile in dem Zylinderkopf 242, 342 montiert
und können
betrieben werden, um zu öffnen und
zu schließen
zwecks Ladung des Brennraums 244, 344 mit Luft
und rückgeführtem Abgas
von einer Einlassleitung. Ein oder mehrere Auslassventile sind in
dem Zylinderkopf 242, 342 montiert und betätigbar, um
zu öffnen
und zu schließen,
so dass Verbrennungsprodukte von dem Brennraum 244, 344 zu
einer Auslassleitung abgelassen werden können.
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Die 4 und 5 stellen
zusammen ein Verfahren zum Steuern des Einspritzdrucks für gasförmigen Kraftstoff
dar unter Verwendung dreier diskreter Zieleinspritzdrucke, von denen
jeder mit einem diskreten Bereich eines Motorkennfelds in Verbindung
steht.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Steuerlogik zur Erhöhung oder Erniedrigung des
Einspritzdrucks für
gasförmigen
Kraftstoff darstellt unter Verwendung eines Negativratenbegrenzers
zur Einstellung der Rate bzw. Geschwindigkeit, mit welcher der Druck
für gasförmigen Kraftstoff
erniedrigt wird, so dass der Druck für gasförmigen Kraftstoff reduziert werden
kann, ohne gasförmigen
Kraftstoff an die Atmosphäre
abzulassen. Der Prozess beginnt mit dem Sammeln von Daten in Bezug
auf Motorbetriebszustände.
Dann bestimmt die Steuereinheit, ob der Motor gegenwärtig in
einem Niedriglastzustand, einem Hochlastzustand oder einem Zwischenlastzustand arbeitet,
der zwischen dem Niedrig- und
Hochlastzustand liegt.
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Falls
die Steuereinheit einen Niedriglastzustand erfasst, bestimmt die
Steuereinheit, ob der Kraftstoffdruck gleich dem Druck P(niedrig)
ist. Falls ja, so ist der Regelkreis beendet und es sind keine Einstellungen
in Bezug auf den Kraftstoffeinspritzdruck erforderlich. Ist der
Kraftstoffeinspritzdruck nicht gleich P(niedrig), so befiehlt die
Steuereinheit dem Kraftstoffzufuhruntersystem, den Druck um einen
inkrementalen Betrag gleich P(Stufe) zu erniedrigen. P(Stufe) ist
definiert als die Kleinere bzw. Verminderte Differenz zwischen dem
gemessenen Einspritzdruck und dem Zieleinspritzdruck und einem vorbestimmten
Inkrement, das für
den Motor kalibriert ist, so dass der Druck für gasförmigen Kraftstoff abfallen
kann, ohne dass eine Abfuhr bzw. ein Entlüften stattfindet.
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Falls
die Steuereinheit einen Hochlastzustand erfasst, befiehlt dann die
Steuereinheit dem Kraftstoffzufuhruntersystem, den Kraftstoffeinspritzdruck
auf P(hoch) zu erhöhen
oder wenn sich der Einspritzdruck schon auf P(hoch) befindet, befiehlt die
Steuereinheit einfach dem Kraftstoffzufuhruntersystem, den Einspritzdruck
auf P(hoch) zu halten.
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Wenn
die Steuereinheit weder einen Niedriglastzustand noch einen Hochlastzustand
feststellt, bestimmt dann die Steuereinheit, dass ein Zwischenlastzustand
vorliegt und die Steuereinheit überprüft, ob der
Druck größer ist
als der normale Zieldruck P(normal). Falls ja, so befiehlt dann
die Steuereinheit dem Kraftstoffzufuhrsystem, den Einspritzdruck
um P(Schritt) zu erniedrigen. Falls der Kraftstoffdruck kleiner
ist als der Normaldruck P(normal), befiehlt dann die Steuereinheit
dem Kraftstoffzufuhrsystem, den Einspritzdruck auf P(normal) zu
erhöhen.
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Eine
allgemeine Eigenschaft des offenbarten Verfahrens ist es, dass bei
einem Befehl zum Erhöhen
des Einspritzdrucks, dies im wesentlichen unverzögert erfolgen kann durch Betätigung eines
Druckregulierventils unter dem Befehl der Steuereinheit, solange
eine Reserve an unter Hochdruck befindlichem, gasförmigem Kraftstoff
stromaufwärts
des Druckregulierers vorhanden ist, die beispielsweise in einem
Speicherbehälter
gespeichert ist. Erfolgt jedoch ein Befehl, dass der Einspritzdruck
erniedrigt wird, so wird dem Kraftstoffdruck erlaubt, mit einer Rate
bzw. Geschwindigkeit abzufallen, die ein Abführen bzw. Entlüften von
unter Hochdruck befindlichem, gasförmigem Kraftstoff verhindert.
Als Folge dessen kann der tatsächliche
Einspritzdruck während
des Abfallzeitraums höher
sein als der Zieleinspritzdruck, was erfordert, dass die Steuereinheit
Einstellungen bezüglich
der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite vornimmt, um Korrekturen für den höheren Druck
vorzunehmen.
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Wie
oben beschrieben, kann auf eine Anzahl von Motorbetriebszuständen aus
einem Motorkennfeld Bezug genommen werden bei der Bestimmung des
Zieleinstelldrucks für
Kraftstoff. Bei diesem Beispiel und wie in 5 gezeigt,
sind zwei der Motorbetriebszustände,
die verwendet werden, um den Zieleinspritzdruck zu bestimmen, die
Motorleistung und Motorgeschwindigkeit bzw. -umdrehung. Anstelle
der Motorleistung kann man diese ersetzen durch einen anderen Motorparameter,
wie beispielsweise das Drehmoment und obgleich die Gestalt des Kennfelds
unterschiedlich sein kann, kann das Verfahren unter Verwendung der
selben Prinzipien angewandt werden.
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Befindet
sich der Motor im Leerlauf oder unter Niedriglastbedingungen, so
ist weniger Kraftstoff erforderlich und der Kraftstoffdruck wird
erniedrigt, um eine Zunahme der Kraftstoffeinspritzimpulsbreite zu
erlauben. Wie oben in Bezug auf 1 festgehalten
wurde und wenn die Kraftstoffeinspritzimpulsbreite zu kurz ist,
kann dies zu mehr Schwankung bzw. Variabilität in Bezug auf die tatsächliche
Menge an Kraftstoff führen,
die von einem Einspritzvorgang zu dem nächsten eingespritzt wird, was
dazu führen kann,
dass zuviel Kraftstoff im Rahmen eines Einspritzvorgangs eingespritzt
wird und nicht genug oder überhaupt
kein Kraftstoff bei einem anderen Einspritzvorgang eingespritzt
wird, mit der Folge einer instabilen Verbrennung. Ein vorbestimmter
Zieldruck P(niedrig) wird ausgewählt,
so dass, wenn sich der Motor im Leerlauf befindet, die Kraftstoffeinspritzimpulsbreite
länger
sein kann als die minimale Impulsbreite PWmin, die in 1 gezeigt
ist. Dieses Verfahren erlaubt eine stabile Verbrennung unter Leerlauf
oder Niedriglastbedingungen bei einem gasbetriebenen Motor, bei spielsweise,
wenn ein Fahrzeug steht oder einen Hügel abwärts fährt.
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Einige
Motoren können
betrieben werden, wobei das Motorkennfeld unterteilt ist in genau
zwei Lastbereiche, wobei die Niedriglastschwelle die Grenze zwischen
den beiden Bereichen vorsieht. Für derartige
Motoren liefert ein vorbestimmter Zieldruck P(normal) einen wünschenswerten
Einspritzpunkt für alle
Betriebspunkte auf dem Motorkennfeld oberhalb der Niedriglastschwelle.
Das heißt,
unter Hochlast und Hochgeschwindigkeitsbedingungen, wenn mehr Kraftstoff
erforderlich ist und bei Einspritzdruck P(normal), kann die gewünschte Menge
an Kraftstoff mit einer Kraftstoffeinspritzimpulsbreite eingespritzt werden,
die nicht zu lang ist. Beispielsweise kann eine Impulsbreite, die
zu lang ist, zu zuviel Kraftstoff führen, der später eingespritzt
wird während
des Arbeitshubs, wobei dessen Verbrennung weniger zu der/dem von
dem Motor erzeugten Leistung und Drehmoment beiträgt und wobei
mehr Kraftstoff unverbrannt hinterlassen bleiben kann, was den Wirkungsgrad
des Motors mindert. Am anderen Ende des Bereichs, wo der Motor an
einem Punkt auf dem Motorkennfeld in der Nähe der Niedriglastschwelle betrieben
wird und wenn weniger Kraftstoff erforderlich ist, ist es wichtig,
dass der Einspritzdruck P(normal) nicht so hoch ist, dass er die
Kraftstoffeinspritzimpulsbreite unterhalb die minimale Impulsbreite PWmin
reduziert.
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Es
ist schwierig, einen zweiten diskreten Kraftstoffeinspritzdruck
P(normal) zu wählen,
der für alle
Motorbetriebspunkte oberhalb der Niedriglastschwelle geeignet ist,
wobei mehr Zieleinspritzdrucke für
Kraftstoff spezifiziert und in Verbindung gebracht werden können mit
unter schiedlichen Betriebsbereichen, die durch zusätzliche
Schwellen definiert werden. Die Anzahl an Schwellen und Zieleinspritzdrucken
für Kraftstoff
ist eine Funktion der Betriebseigenschaften des Motors, wie beispielsweise
die Betriebsbereiche für
Last und Geschwindigkeit bzw. Umdrehung. Der Vorteil des Änderns des
Kraftstoffeinspritzdruckes für
unterschiedliche Betriebspunkte auf dem Motorkennfeld ist für gasförmige Kraftstoffe wichtiger
im Vergleich zu flüssigen
Kraftstoffen, da gasförmige
Kraftstoffe eine viel geringere Massendichte im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen
haben.
-
Bei
einem Betriebspunkt nahe dem Hochlastende eines Bereiches und falls
der erforderliche Druck zum Einspritzen der gewünschten Menge an Kraftstoff
mit einer Impulsbreite, die zu einer wirkungsvollen Verbrennung
und der gewünschten
Leistungs- und Drehmomentabgabe führt, ein ungeeigneter Druck
am unteren Ende des Bereichs nahe der Niedriglastschwelle ist, was
zu einer Impulsbreite unterhalb der minimalen Impulsbreite PWmin
führt,
sollte eine zweite Schwelle und ein anderer Zieleinspritzdruck verwendet
werden. In dem dargestellten Beispiel der 4 und 5,
ist ein dritter vorbestimmter Zieleinspritzdruck P(hoch) spezifiziert
und wird in Verbindung gebracht mit einem Hochlastbereich 506, der
durch eine Hochlastschwelle 505 definiert ist. Es ist selbstverständlich,
dass durch Anwendung der hier offenbarten Prinzipien die Anzahl
definierter Betriebsbereiche und dazugehöriger, diskreter Zieleinspritzdrucke,
für die
speziellen Eigenschaften eines speziellen Motors bestimmt werden
kann.
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Testdaten,
die gesammelt wurden von einem Cummins ISX 450 hp Motor,
der ausgestattet war mit den offenbarten Zufuhruntersystemen für gasförmigen Kraftstoff
und Hilfskraftstoff und gemäß dem offenbarten
Verfahren betrieben wurde, haben gezeigt, dass eine stabile Verbrennung
schwer mit einem konstanten Kraftstoffeinspritzdruck erreichbar
war. Wurden das offenbarte Verfahren und die Vorrichtung auf diesen
Motor angewandt, so wurde eine stabile Verbrennung erreicht, wobei
die Leistung, Performance und die Energieeffizienz des Motors im
wesentlichen mit denjenigen eines herkömmlichen Dieselmotors, jedoch
mit geringeren Emissionen von NOx und Feinstaub, übereinstimmten.
Es wurden Testdaten von Motoren dieses Typs gesammelt, die in Testzellen und
in Testfahrzeugen installiert waren, die auf der Straße gefahren
wurden. Bei diesem Motor war es möglich, genau zwei diskrete
Zieleinspritzdrucke zu verwenden, die basierend auf einem erfassten
Motorzustand ausgewählt
wurden. War beispielsweise der Motorzustand ein Leerlauf oder der
Zustand eines Abtriebs, wenn lediglich Hilfslasten auferlegt waren,
so befahl die Steuereinheit dann einen niedrigeren Zieleinspritzdruck
als den normalen Zieleinspritzdruck, den die Steuereinheit befahl,
wenn der Motor Lasten unterworfen wurde im Zusammenhang mit der
Funktion des Motors als Antriebsmotor zur Bewegung des Fahrzeugs
und einem Anlasszustand, wenn der Motor gestartet wird. Für diesen
Motor konnte ein normaler Zieleinspritzdruck gefunden werden, der über einen
breiten Bereich von Motorbetriebspunkten geeignet war und eine Steuerstrategie mit
zwei Zielkraftstoffeinspritzdrucken erlaubt.
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Während von
tatsächlichen
Motortests erhaltene Daten zeigen, dass es möglich ist, einen Motor mit
nur zwei diskreten Zieleinspritzdrucken zu betreiben, sind mit einem
gasbetriebenen Motor mehrere Faktoren zusätzlich zu der geringen Dichte
der gasförmigen
Kraftstoffe vorhanden, die es wünschenswert
erscheinen lassen, drei oder mehr Betriebsbereiche zu spezifizieren.
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Mit
einem direkteinspritzenden, gasbetriebenen Motor des hier offenbarten
Typs wird gasförmiger Kraftstoff
direkt in den Brennraum eingespritzt, jedoch ist der Einspritzdruck
geringer als die Kraftstoffeinspritzdrucke, die bei herkömmlichen
Dieselmotoren verwendet werden und eine zusätzliche Energie zum Zerstäuben bzw.
Atomisieren des Kraftstoffs erfordern. Daher kann es ein Faktor
sein, dass beim Hochlastbetriebsbereich Drucke im Zylinderinneren mit
höheren
Spitzen die Motorleistung beeinflussen können, falls der Einspritzdruck
für gasförmigen Kraftstoff
nicht erhöht
wird, um ein Verhältnis
zwischen Kraftstoffeinspritzdruck und Druck im Inneren des Zylinders
beizubehalten, was dazu führt,
dass zumindest ein gewisser Anteil des gasförmigen Kraftstoffs in dem Kraftstoffstrahl
Schallgeschwindigkeit überschreitet.
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Da
gasförmige
Kraftstoffe im Vergleich zu herkömmlichen
Dieselkraftstoffen im allgemeinen reiner verbrennen, ist es ein
anderer Faktor, dass größere Anteile
an rückgeführtem Abgas
verwendet werden können,
da sich weniger Feinstaub in dem Abgas des Motors befindet. Größere Raten
bzw. Geschwindigkeiten in Bezug auf die Rückführung von Abgas können dabei
helfen, um weiter die Erzeugung von NOx zu reduzieren, jedoch ist
es ein Seiteneffekt dessen, dass dies auch die Verbrennungsrate
bzw. -geschwindigkeit verlangsamt. Für gasbetriebene Motoren, die
den Vorteil größerer Raten
bzw. Geschwindigkeiten rückgeführten Abgases
nutzen und bei hochlastigen Hochgeschwindigkeitsbedingungen, wo,
verglichen mit anderen Betriebspunkten eine größere Menge an Kraftstoff erforderlich
ist, kann es demgemäß wünschenswert
sein, den Kraftstoffeinspritzdruck zu erhöhen, und die Verbrennungsrate
zu beschleunigen und den entgegengesetzten Effekt zu kompensieren,
der durch hohe Niveaus an rückgeführtem Abgas
bewirkt wird.
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5 wurde
schon erwähnt
in obigem Bezug auf 4. 5 zeigt
einen Graphen, der die Motorleistung gegen die Motorumdrehung aufträgt. Die
normalen Betriebsbedingungen für
den Motor sind begrenzt durch die maximale Nennleistung und die
maximale Nennumdrehung und die Betriebsbedingungen innerhalb dieser
Grenzen sind in den Niedriglastbereich 502, den Zwischenlastbereich 504 und
den Hochlastbereich 506 unterteilt. Eine Linie 503,
die hier als Niedriglastschwelle definiert wird, trennt den Niedriglastbereich 502 von
dem Zwischenlastbereich 504. Eine Linie 505, die
hier als Hochglastschwelle definiert wird, trennt den Hochlastbereich 506 von
dem Zwischenlastbereich 504.
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Bezugnehmend
auf 6 ist der Einspritzdruck für gasförmigen Kraftstoff gegen die
Zeit aufgetragen, um den Effekt des offenbarten Verfahrens in Bezug
auf den Druck für
gasförmigen
Kraftstoff darzustellen, wenn einem Motor unterschiedliche Betriebszustände befohlen
werden. Bei t0 befindet sich der Motor im Leerlauf und der Druck
für gasförmigen Kraftstoff
wird bei P(niedrig) gehalten. Bei t1 wird eine Last auferlegt und
die Steuereinheit des Motors erfasst, dass sich der Motor nicht
mehr im Leerlauf befindet, woraufhin die Motorsteuereinheit die
Zunahme des Drucks für
gasförmigen
Kraftstoff auf P(normal) befiehlt. Bei t2 gelangt der Motor wieder
in den Leerlauf zurück
und die Motorsteuereinheit erfasst wieder eine Änderung in Bezug auf die Motorbetriebszustände. Der
Negativratenbegrenzer steuert die Erniedrigung des Drucks für gasförmi gen Kraftstoff,
indem er eine Reihe von inkrementalen Druckreduzierungen befiehlt,
bis der Druck für
gasförmigen
Kraftstoff auf P(niedrig) reduziert ist oder bis die Steuereinheit
erfasst, dass sich der Motor nicht mehr im Leerlauf befindet. Bei
t3 wird wieder eine Last auferlegt, die eine Zunahme des Drucks
für gasförmigen Kraftstoff
auf P(normal bewirkt. Bei t4 wird dem Motor eine hohe Last auferlegt,
beispielsweise wenn ein Fahrzeug eine steile Neigung erklimmt. Die Motorsteuereinheit
erfasst, dass der Motor bei einem Punkt auf dem Motorkennfeld oberhalb
eines vordefinierten Hochlastschwelle arbeitet, und es erfolgt der Befehl,
dass der Druck für
gasförmigen
Kraftstoff auf P(hoch) erhöht
wird. Bei t5 fällt
die Last unter den Hochlastschwellwert und dies wird von der Motorsteuereinheit
erfasst, woraufhin diese befiehlt, dass der Druck für gasförmigen Kraftstoff
erniedrigt bzw. reduziert wird auf P(normal) und der Negativratenbegrenzer
bestimmt die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit welcher der Druck erniedrigt
wird, um ein Ablassen bzw. Entlüften
gasförmigen
Kraftstoffs zu verhindern. Bei t6 erfasst die Motorsteuereinheit,
dass sich der Druck für
gasförmigen
Kraftstoff bei P(normal) befindet und dass der Motor immer noch
unter Last steht, jedoch unterhalb der Hochlastschwelle, so dass
der Druck für
gasförmigen
Kraftstoff bei P(normal) beibehalten bleibt.
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Während spezielle
Elemente, Ausführungsbeispiele
und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben
wurden, ist es selbstverständlich,
dass die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist, da Abänderungen
von dem Durchschnittsfachmann vorgenommen werden können, ohne
von dem Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere
im Lichte der vorstehenden Lehren.
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Zusammenfassung
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Ein
Motorbetriebsverfahren und ein direkt einspritzender gasbetriebener
Motor spritzen direkt einen gasförmigen
Kraftstoff in einen Brennraum während
eines Kompressionshubs ein, gleichen über Befehle einen Einspritzdruck
für gasförmigen Kraftstoff
einem Zielwert an, der bestimmt ist als Funktion wenigstens eines
vorgewählten
Motorparameters, messen den tatsächlichen
Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff und stellen die Kraftstoffeinspritzimpulsbreite ein,
um Unterschiede zwischen dem Zielwert und dem tatsächlichen
Einspritzdruck für
gasförmigen
Kraftstoff zu korrigieren und dabei die gewünschte Massenmenge an gasförmigem Kraftstoff einzuspritzen,
wie sie aus einem Motorkennfeld bestimmt wird (3).