-
Technisches Gebiet
-
Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und insbesondere Motoren, die derart ausgelegt sind, dass sie mit mehr als einem Kraftstofftyp laufen, wie beispielsweise Diesel und Erdgas.
-
Hintergrund
-
Dualkraftstoffmotoren sind für diverse Anwendungen bekannt, wie beispielsweise Generatoranlagen, motorbetriebene Kompressoren, motorbetriebene Pumpen, Maschinen, geländegängige Lastkraftwagen und andere. Üblicherweise sind solche Motoren stationär und laufen vor Ort. Der Betrieb solcher Motoren durch Substitution einer gewissen Menge an Schweröl, wie beispielsweise Diesel, durch einen leichteren Kraftstoff, wie beispielsweise Erdgas, Biogas, flüssiges Propangas (liquid Petroleum gas, LPG) oder andere Kraftstoffarten, die leichter verfügbar und kosteneffizienter sein können, erhöht ihre Betriebseffizienz.
-
Nichtsdestotrotz ist es oft der Fall, dass die Qualität des Sekundärkraftstoffs, der in gewissen Gegenden verfügbar ist, nicht einheitlich ist. Zum Beispiel, wenn der Sekundärkraftstoff ein Biogas ist, das in einer Gegend vor Ort erzeugt wird, oder sogar ein LPG oder ein Erdgas ist, das von einer lokalen Quelle bezogen wird, variiert der Kraftstoffbrennwert und/oder die Methanzahl dieser Kraftstoffe sicherlich mit der Zeit oder in verschiedenen Chargen des beschafften Kraftstoffs. Solche Änderungen in der Methanzahl oder im Kraftstoffbrennwert erfordern diverse Änderungen im Betrieb des Motors, wie beispielsweise der Dieselkraftstoffeinspritzmengen, des Einspritzzeitpunkts und Ähnlichem, um die Motoreffizienz beizubehalten.
-
In der Vergangenheit sind diverse Verfahren von Motorbetreibern und Motorherstellern angewandt worden, die sich mit der Schwankung in der Qualität des Kraftstoffs befassen, der vor Ort genutzt wird. Im Allgemeinen wird eine Probe aus einer Kraftstoffcharge, wie beispielsweise monatlich bei kontinuierlichen Kraftstoffquellen wie z. B. Erdgas, oder von jeder Charge an beschafftem Kraftstoff für eine Analyse entnommen. Eine typische Analyse kann in Form einer direkten Messung diverser Kraftstoffbestandteile erfolgen, was teurer und schwierig ist. Weitere existierende Herangehensweisen beinhalten die Verwendung von Gasreinigungssystemen, die schwerere Kohlenwasserstoffe in dem Kraftstoff entfernen, was ein teures Verfahren ist, oder die Verwendung von In-Situ-Gaschromatographie zum Bestimmen der Gaszusammensetzung. Diese Verfahrensweisen erfordern die Verwendung teurer und empfindlicher Ausrüstung vor Ort, periodische Kalibrierung der Ausrüstung von fachkundigem Personal und die Anwesenheit eines Bedieners zum Analysieren der fortlaufenden Ergebnisse und Anpassen des Motorbetriebs. All diese und weitere Faktoren erhöhen die Kosten und die Komplexität des Betriebs des stationären Motors.
-
Zusammenfassung
-
Die Offenbarung betrifft in einem Aspekt ein System, das einen Verbrennungsmotor aufweist, der mit einer angetriebenen Vorrichtung verbunden ist. Das System weist eine Primärkraftstoffversorgung auf, die mit dem Motor verbunden ist und einen Primärkraftstoffversorgungssensor enthält. Der Primärkraftstoffversorgungssensor ist zum Ausgeben eines Primärkraftstoffversorgungssignals ausgebildet, das eine Versorgungsrate eines Primärkraftstoffs zu dem Motor über die Primärkraftstoffversorgung anzeigt. Eine Sekundärkraftstoffversorgung ist mit dem Motor verbunden und enthält einen Sekundärkraftstoffversorgungssensor. Der Sekundärkraftstoffversorgungssensor ist zum Ausgeben eines Sekundärkraftstoffversorgungssignals ausgelegt, das eine Versorgungsrate eines Sekundarkraftstoffs an den Motor über die Sekundärkraftstoffversorgung anzeigt. Ein Leistungsausgang ist mit der angetriebenen Vorrichtung verbunden und enthält einen Ausgangsleistungssensor. Der Ausgangsleistungssensor ist zum Messen wenigstens eines Parameters, der eine Ausgangsleistung der angetriebenen Vorrichtung anzeigt, und zum Ausgeben eines Ausgangsleistungssignals ausgelegt. Eine elektronische Steuerung ist betriebsbereit mit dem Motor und dem angetriebenen Bauteil verbunden. Die elektronische Steuerung ist zum Empfangen des Primär- und Sekundärkraftstoffversorgungssignals und des Ausgangsleistungssignals und zum Bestimmen wenigstens einer Kenngröße des Sekundärkraftstoffs basierend auf dem Primär- und Sekundärkraftstoffversorgungssignal und dem Ausgangsleistungssignal eingerichtet.
-
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer Eigenschaft eines Sekundärkraftstoffs, der zum Ersetzen eines Teils eines Primärkraftstoffs während des Betriebs eines Verbrennungsmotors verwendet wird. In einer Ausführungsform ist der Motor mit einem Generator verbunden. Dieses Verfahren enthält das Betreiben des Motors und des Generators in einem vorgegebenen Zustand. Eine Primärkraftstoffströmung mit einer bekannten Eigenschaft wird dem Motor zugeführt. Die Primärkraftstoffströmung, die Ausgabe des Generators und eine Sekundärkraftstoffströmung werden gemessen. Wenigstens eine Eigenschaft des Sekundärkraftstoffs wird basierend auf der Primärkraftstoffströmung und der Ausgabe des Generators bestimmt.
-
In noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Dualkraftstoffsystem für einen Motor mit einer Motorausgangswelle, die mit einem Stromerzeuger verbunden ist, der einem Energieversorgungsnetz elektrischen Strom zuführt. Das Dualkraftstoffsystem enthält eine Primärkraftstoffversorgung, die mit dem Motor verbunden ist, und einen Primärkraftstoffversorgungssensor, der zum Ausgeben eines Primärkraftstoffversorgungssignals ausgebildet ist, das eine Versorgungsrate eines Primärkraftstoffs zu dem Motor über die Primärkraftstoffversorgung anzeigt. Eine Sekundärkraftstoffversorgung ist mit dem Motor verbunden und enthält einen Sekundärkraftstoffversorgungssensor, der zum Ausgeben eines Sekundärkraftstoffversorgungssignals ausgebildet ist, das die Versorgungsrate eines Sekundärkraftstoffs zu dem Motor über die Sekundärkraftstoffversorgung anzeigt. Ein Ausgangsleistungssensor ist mit einem Leistungsausgang des Stromerzeugers verbunden und zum Messen des elektrischen Stroms, der in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird, und zum Ausgeben eines Ausgangsleistungssignals ausgebildet. Eine elektronische Steuerung ist betriebsbereit mit dem Motor und dem Stromerzeuger verbunden. Die elektronische Steuerung ist zum Empfangen des Primär- und Sekundärkraftstoffversorgungssignals und des Ausgangsleistungssignals eingerichtet. Die elektronische Steuerung ist ferner zum Bestimmen wenigstens einer Kenngröße des Sekundärkraftstoffs basierend auf dem Primär- und Sekundärkraftstoffversorgungssignal und dem Ausgangsleistungssignal ausgebildet.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein Strukturbild eines Verbrennungsmotors, der ausgebildet ist, dass er unter Verwendung von zwei Kraftstoffversorgungen in Übereinstimmung mit der Offenbarung läuft.
-
2 ist ein Strukturbild einer Motorsteuerung in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
-
3 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Dualkraftstofftauglichkeit in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
-
Detaillierte Beschreibung
-
1 ist eine Strukturbilddarstellung eines Verbrennungsmotors 100 in Übereinstimmung mit der Offenbarung. Wie gezeigt ist, ist der Motor 100 ein stationärer Motor, der Teil einer Generatoranlage ist. Alternativ kann der Motor 100 Teil einer Maschine oder eines geländegängigen Lastkraftwagens sein und kann mit einem elektrischen Generator, der Teil eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist, einer Fluidpumpe, die Teil eines hydrostatischen Antriebssystems ist, und Ähnlichem verbunden sein. Der Motor 100 weist eine Ausgangswelle 102 auf, die mit einem Generator 104 verbunden ist. Während des Betriebs kann der Motor 100 mit einer nahezu konstanten Drehzahl laufen, jedoch mit einer veränderlichen Lastaufnahme abhängig von der Ausgabe an elektrischer Leistung oder Strom des Generators 104. Eine Steuerung 105 kann betriebsbereit mit diversen Motor- und/oder Generatorsystemen verbunden sein. Die Steuerung 105 in der dargestellten Ausführungsform enthält betriebsbereite Verbindungen mit diversen Sensoren und Systemen des Motors 100 und des Generators 104 und ist zum Empfangen von Informationen über deren Betriebsparameter als auch zum Senden von Befehlen an diverse Aktuatoren und Systeme über die Verbindungen ausgebildet.
-
Die Steuerung 105 kann eine einzelne Steuerung sein oder kann mehr als eine Steuerung enthalten, die zum Kontrollieren diverser Funktionen und/oder Merkmale des Systems eingerichtet ist. Zum Beispiel kann ein Steuerschalter, der zum Steuern des gesamten Betriebs und der gesamten Funktion der Generatoranlage verwendet wird, mit einer Motorsteuerung, die zum Steuern des Motors 100 verwendet wird, zusammenwirkend implementiert sein. In dieser Ausführungsform bedeutet der Begriff „Steuerung”, dass eine, zwei oder mehr Steuerungen enthalten sind, die mit dem Motor 100 verbunden sein können und die beim Kontrollieren diverser Funktionen und Arbeitsprozesse des Motors 100 und des Generators 104 zusammenwirken. Die Funktionsweise der Steuerung 105, obwohl in 2 für veranschaulichende Zwecke lediglich konzeptionell gezeigt ist, dass sie diverse diskrete Funktionen enthält, kann in Hardware und/oder Software ohne Bezug zu der gezeigten diskreten Funktionsweise implementiert sein. Folglich sind diverse Schnittstellen der Steuerung bezüglich Bauteilen der Generatoranlage beschrieben, die in dem Strukturbild aus 1 gezeigt ist. Solche Schnittstellen sind nicht angedacht, dass sie den Typ und die Anzahl der verbundenen Bauteile oder die Anzahl der beschriebenen Steuerungen beschränken.
-
Folglich ist die Steuerung 105 in der dargestellten Ausführungsform zum Empfangen von Informationen, die diverse Betriebsparameter des Motors 100 anzeigen, und zum Steuern diverser Betriebsparameter des Motors 100 ausgebildet, wie beispielsweise des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, zulässiger oder gewünschter Kraftstoffsubstitutionsraten abhängig von dem Betriebspunkt des Motors 100 und weiterer. Der Motor 100 kann diverse Bauteile und Systeme enthalten, wie beispielsweise Schmiersysteme und elektrische Systeme, die in 1 der Einfachheit halber weggelassen worden sind. Entsprechend der vorliegenden Offenbarung enthält der Motor 100 ein Kurbelwellengehäuse 106 mit einem oder mehreren Verbrennungszylindern 108 darin ausgebildet. Obwohl sechs Zylinder 108 in einer Reihenanordnung gezeigt sind, kann jede andere Anzahl von Zylindern verwendet werden, die in verschiedenen Anordnungen, wie beispielsweise einer „V”-Anordnung, angeordnet sind.
-
Jeder Zylinder 108 enthält einen sich auf und ab bewegenden Kolben, der einen Verbrennungsraum festlegt, der mit einem Ansaugrohr 110 und einem Abgaskrümmer 112 verbunden ist. Jeder Zylinder 108 enthält einen Direkteinspritzungsdieselinjektor 126. Die Dieselinjektoren 126 sind mit einer Quelle druckbeaufschlagten Dieselkraftstoffs verbunden, die Kraftstoff zu jedem Injektor 126 über eine Dieselkraftstoffleitung 128 leitet. Jeder Injektor 126 ist zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge Dieselkraftstoff 130 in jeden Zylinder 108 in Erwiderung auf einen geeigneten Befehl von der Steuerung 105 während des Motorbetriebs ausgebildet. Zum Beispiel kann die Steuerung 105 zum Empfangen von Zeitpunktsinformationen von dem Motor 100 ausgebildet sein, die verwendet werden, um den geeigneten Einspritzzeitpunkt für jeden Verbrennungszylinder 108 zu bestimmen.
-
Der Motor 100 enthält ferner einen Sekundärkraftstoffinjektor 114, der zum Einspritzen einer vorbestimmten Menge an Kraftstoff in das Ansaugrohr 110 eingerichtet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Sekundärkraftstoffinjektor 114 zum Beispiel ein Gaskraftstoffinjektor 114, der betriebsbereit mit einer Versorgung an gasförmigem Kraftstoff oder einem Reservoir 115 verbunden ist, das ein Tankreservoir sein kann oder alternativ eine druckregulierte Versorgung aus einer Quelle vor Ort sein kann, wie beispielsweise Biogas aus einer Mülldeponie, Erdgas aus einer Ölbohrung und Ähnlichem. Der Gaskraftstoffinjektor 114 führt eine vorbestimmte Menge an gasförmigem oder anderem Sekundärkraftstoff dem Ansaugrohr 110 zu. Der zugeführte Kraftstoff vermischt sich mit hereinströmender Luft 125, um ein Luft-/Kraftstoffgemisch zu bilden, das über Einlassventile 122 zu den Zylindern 108 gelangt.
-
Während des Betriebs gelangt ein Luft-/Kraftstoffgemisch über das Ansaugrohr 110 in jeden Zylinder 108. Dieselkraftstoff wird in jeden Zylinder 108 zu geeigneter Zeit und mit geeigneter Dauer während des Motorbetriebs eingespritzt, um ein reicheres Luft-/Kraftstoffgemisch als das, welches bereits in dem Zylinder 108 vorhanden ist, vorzusehen. Kompression dieser Mischung innerhalb des Zylinders 108 bewirkt eine Selbstentzündung des sich darin befindlichen Dieselkraftstoffs, was eine Verbrennung aller sich in dem Zylinder befindlichen brennbaren Kraftstoffe veranlasst. Dies beinhaltet den Dieselkraftstoff sowie den Sekundärkraftstoff, der vorher dem Ansaugrohr über den Sekundärkraftstoffinjektor 114 zugeführt wurde.
-
Die Selbstentzündung des Dieselkraftstoffs, der über jeden Injektor 126 eingespritzt wird, bewirkt die Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs, das in einem komprimierten Zustand in jedem Zylinder 108 vorhanden ist. Jeder Zylinder 108 ist zum gezielten Empfangen von Luft aus dem Ansaugrohr 110 ausgebildet, die einen Atmosphärendruck oder einen Druck unterhalb eines Atmosphärendrucks für einen Saugmotor aufweisen kann oder alternativ einen Überdruck bei einem Abgasturbolader oder einem aufgeladenen Motor aufweisen kann. In der dargestellten Ausführungsform kann der Motor 100 ferner einen Turbolader (nicht gezeigt) enthalten, der fluidmäßig in bekannter Anordnung zwischen dem Ansaugrohr 110 und dem Abgaskrümmer 112 angeordnet ist.
-
Während des Betriebs wird Luft von dem Ansaugrohr 110 zu jedem Zylinder 108 über einen ersten Einlassanschluss 116 bzw. einen zweiten Einlassanschluss 118 geleitet. Der erste Einlassanschluss 116 und der zweite Einlassanschluss 118 jeden Zylinders 108 kann direkt mit einem Ansaugraumvolumen 120 des Ansaugrohrs 110 verbunden sein oder kann sich alternativ von einem kombinierten Einlassanschluss (nicht gezeigt) verzweigen, der fluidmäßig in Richtung des Ansaugraumvolumens 120 geöffnet ist. Ein erstes Einlassventil 122 ist zum fluidmäßigen Abtrennen des Zylinders 108 von dem ersten Einlassanschluss 116 eingerichtet und ein zweites Einlassventil 122 ist ähnlich zum fluidmäßigen Abtrennen des Zylinders 108 von dem zweiten Einlassanschluss 118 eingerichtet. Wenn das erste und das zweite Einlassventil 122 geschlossen sind, wie beispielsweise während einer Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs in dem Zylinder 108, ist die Fluidverbindung zwischen jedem entsprechenden Zylinder 108 und dem Ansaugrohr 110 blockiert. Ähnlich lässt ein wenigstens teilweises Öffnen von entweder dem ersten und/oder dem zweiten Anlassventil 122 die Fluidverbindung des Zylinders 108 mit dem Ansaugraumvolumen 122 zu, so dass Luft 125 in den Zylinder 108 einströmen kann. Die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs in dem Zylinder 108 erzeugt Energie, die als Drehmoment auf die Ausgangswelle 102 übertragen wird, um den Generator 104 anzutreiben. Der Generator 104 ist zum Abgeben eines elektrischen Stroms über einen Ausgangsknoten 124 ausgebildet. Obwohl zwei Leitungen in dem Ausgangsknoten 124 gezeigt sind, ist jede andere geeignete Anordnung für die Erzeugung und eine Verteilung elektrischen Stroms angedacht, wie beispielsweise Mehrphasenausgänge mit mehr als zwei Leitungen.
-
Abgas, das nach der Verbrennung des Kraftstoffs aus jedem Injektor 126 mit Luft aus dem ersten und zweiten Einlassanschluss 122 innerhalb jedes Zylinders 108 verbleibt, wird in den Abgaskrümmer 112 entleert und dort gesammelt. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Zylinder 108 fluidmäßig mit einem Abgasraumvolumen 132 über zwei Abgasanschlüsse 134 verbindbar. Jeder Abgasanschluss 134 ist fluidmäßig von dem Zylinder 108 über ein entsprechendes Abgasventil 136 trennbar. Das gesammelte Abgas 138 wird aus dem Abgaskrümmer 112 entfernt. Obwohl zwei jedem Zylinder 108 entsprechende Abgasventile 136 gezeigt sind, kann ein einzelnes Abgasventil verwendet werden, das in einem einzigen Abgasanschluss pro Zylinder 108 angeordnet ist.
-
Das Motorsystem 100 und das zugehörige Generatorsystem 104 enthalten diverse Sensoren, die für die vorliegende Offenbarung relevant sind. Insbesondere ist ein Sensor 140 für elektrischen Strom, der allgemein in 1 dargestellt ist, mit dem Ausgangsknoten 124 verbunden und zum Messen eines Parameters ausgebildet, der eine Ausgabe elektrischen Stroms des Generators 104 anzeigt, wie beispielsweise eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom. Signale, die den elektrischen Strom anzeigen, der von dem Sensor 140 gemessen wird, werden an die Steuerung 105 übermittelt. Ein Dieseldurchflusssensor 142 ist mit der Diesellkraftstoffleitung 128 verbunden und zum Messen eines oder mehrerer Parameter ausgebildet, die eine Durchflussrate des Dieselkraftstoffs anzeigen, der zu den Injektoren 126 während des Betriebs des Motors 100 geleitet wird. Alternativ kann eine Bestimmung der gesamten Kraftstoffdurchflussrate an Dieselkraftstoff innerhalb der elektronischen Steuerung 105 basierend auf einer Gesamtsumme bekannter Dieseleinspritzmengen ausgeführt werden, die bei jedem Einspritzvorgang eingespritzt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Grundlage für eine Kraftstoffabgabenbestimmung auf der Basis jedes Motorhubs oder jedes Kraftstoffeinspritzvorgangs anstatt basierend auf einer Gesamtmenge bestimmt werden. Wenn der Dieseldurchflusssensor 142 verwendet wird, werden die Informationen oder Signale, die die Durchflussrate des dem Motor 100 zugeführten Dieselkraftstoffs anzeigen, entweder direkt oder indirekt an die Steuerung 105 übermittelt. Zusätzliche Sensoren können verwendet werden, wie beispielsweise Luftstrom-, Luftdruck- und/oder Sauerstoffkonzentrationssensoren (nicht gezeigt), die zum Messen von Parametern der einströmenden Luft 125 ausgebildet sind. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Motordrehzahlsensor 145 mit der Steuerung 105 verbunden und zum Ausgeben eines Signals ausgebildet, das die Motordrehzahl anzeigt, zum Beispiel wie an der Welle 102 gemessen.
-
Ein Sekundärkraftstoffdurchflusssensor 144 ist mit einer Sekundärkraftstoffversorgungsleitung 146 an einer Stelle stromabwärts eines Sekundärkraftstoffdurchflusssteuerventils 148 verbunden. In einer Ausführungsform, in der der Sekundärkraftstoff ein Gas ist, wie zum Beispiel in 1 gezeigt ist, kann das Steuerventil 148 betriebsbereit mit der Steuerung 105 verbunden sein und zum Messen der Strömung des Kraftstoffs aus dem Reservoir 115 zu dem Injektor 114 in Erwiderung auf geeignete Signale von der elektronischen Steuerung 105 ausgebildet sein. Der Sekundärkraftstoffdurchflusssensor 144 kann überall entlang der Kraftstoffleitung 146 angeordnet sein. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kraftstoffdurchflusssensor 144 stromabwärts des Steuerventils 148 angeordnet. Der Sekundärkraftstoffdurchflusssensor 144 kann jeder geeignete Typ eines digitalen oder analogen Ausgabesensors sein, der zum Ausgeben eines Signals an die elektronische Steuerung 105 ausgebildet ist, das die Massenstrom- oder Volumenstromrate eines gasförmigen Fluids anzeigt, das durch den Injektor 114 während des Motorbetriebs strömt.
-
Ein Strukturbild für eine Steuerung 200 ist in 2 gezeigt. Die Steuerung 200 kann Teil eines großen Steuerplans zum Steuern und Überwachen des Betriebs des Motors 100 sein (1). Die Steuerung 200 kann ferner in der elektronischen Steuerung 105 integriert sein und innerhalb der elektronischen Steuerung 105 arbeiten (1), so dass Eingaben und Ausgaben der Steuerung 200 Signale sind, die innerhalb der elektronischen Steuerung 105 vorhanden sind.
-
Die Steuerung 200 sieht eine zulässige Substitutionsrate 202 und einen gewünschten Dieselkraftstoffeinspritzzeitpunkt 204 während des Betriebs basierend auf diversen Eingaben vor. In der dargestellten Ausführungsform ist die Steuerung 200 zum Empfangen eines Signals 206 für elektrischen Strom, eine Primärkraftstoff- oder Dieselkraftstoffdurchflussrate 208 und eine Sekundärkraftstoff- oder Gaskraftstoffdurchflussrate 210 ausgebildet. Das Signal 206 für elektrischen Strom kann ein Signal sein, das eine Leistungsausgabe eines mit einem Motor verbundenen Generators anzeigt, wie beispielsweise der mit dem Motor 100 verbundene Generator 104, wie in 1 gezeigt. Das Signal 206 für elektrischen Strom kann durch ein Signal oder basierend auf einem Signal ausgegeben werden, das der Steuerung 105 von dem Sensor 140 für elektrischen Strom, der mit dem Ausgang 124 verbunden ist, zugeführt wird.
-
Die Dieselkraftstoffdurchflussrate 208 kann von einem geeigneten Sensor ausgegeben werden, der zum Messen der Durchflussrate an flüssigem Kraftstoff, der dem Motor zugeführt wird, in Echtzeit eingerichtet ist, wie beispielsweise der in 1 gezeigte Sensor 142. Alternativ kann die Dieselkraftstoffdurchflussrate 208 ein Signal sein, das als ein Gesamtkraftstoff berechnet ist, der von einem Kraftstoffsteuermodul (nicht gezeigt) befehligt wird, das die Injektoren 126 betreibt (1). Ähnlich kann die Gaskraftstoffdurchflussrate 210 von einem geeigneten Sensor ausgegeben werden, wie beispielsweise dem Sensor 144 (1), oder kann alternativ analytisch von einem Kraftstoffanforderungsmodul (nicht gezeigt) bestimmt werden, das den Injektor 114 in Betrieb setzt (1), um eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff dem Motor zuzuführen.
-
In der dargestellten Ausführungsform ist die Steuerung 200 ferner zum Empfangen eines Freigabesignals 212 eingerichtet. Das Freigabesignal 212 kann einfach ein diskreter Wert von Null oder Eins sein, wobei Null einen normalen Betrieb anzeigt und wobei ein Wert von 1 anzeigt, dass die Steuerung 200 sich in einem Kalibriermodus befindet, wie nachfolgend beschrieben wird.
-
In dem offenbarten System ist die Steuerung 200 vorteilhafterweise zum Anpassen gewisser Motorbetriebsparameter ausgebildet, so dass Schwankungen in der Qualität und den Kenngrößen des Sekundärkraftstoffs, in diesem Fall dem gasförmigen Kraftstoff, im Laufe der Zeit ausgeglichen werden. Insbesondere, wenn das Freigabesignal 212 anzeigt, dass die Steuerung 200 sich in einem Kalibriermodus befindet, kann der Motor in einen vorbestimmten Betriebszustand versetzt werden, so dass eine gewünschte oder zulässige Rate für eine Substitution des Primärkraftstoffs durch den Sekundärkraftstoff empirisch bestimmt werden kann. Diese Kalibrierung kann periodisch ausgeführt werden, wie beispielsweise einmal die Woche, oder jedes Mal, wenn eine neue Charge an Kraftstoff bereitgestellt wird, um sicherzustellen, dass der Motor auf einem optimalen Niveau arbeitet. Darüber hinaus kann die Anpassung der geeigneten Betriebsparameter automatisch von der Steuerung 200 ausgeführt werden, ohne dass eine spezielle Kraftstoffanalyseausrüstung und eine manuelle Anpassung der Motorbetriebsparameter nötig sind.
-
Insbesondere wenn die Steuerung 200 das Freigabesignal 212 empfängt, wird der Motor von dem geeigneten Abschnitt der Motorsteuerung (nicht gezeigt) veranlasst, mit einer vorbestimmten Motordrehzahl und bei einem vorbestimmten Lastarbeitspunkt zu laufen. Die Motordrehzahl kann zum Beispiel von dem Motordrehzahlsensor 145 gemessen werden (1), und die Belastung kann von dem Sensor 140 für elektrischen Strom gemessen werden. Der vorbestimmte Arbeitspunkt kann ein einziger Arbeitspunkt sein, der eingenommen werden kann, wenn der Generator ausgeschaltet ist, oder kann alternativ einer von vielen vorbestimmten Punkten sein, der derart ausgewählt ist, dass er so nah wie möglich an den Arbeitspunkt des Motors zu dem Zeitpunkt, bei dem der Kalibriervorgang angestoßen wird, herankommt. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 200 zum automatischen Auslösen einer Kalibrierung ausgebildet sein, wenn der Motor für eine vorbestimmte Zeitspanne bei einem konstanten Punkt gelaufen ist. In dieser Ausführungsform kann die Kalibrierung beendet werden, wenn der Motor seinen Betriebszustand ändern muss, während die Kalibrierung durchgeführt wird.
-
In der vereinfachten Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, enthält die Steuerung 200 eine Gassubstitutionsratenbestimmung 214. Die Gassubstitutionsratenbestimmung 214 ist zum Vergleichen des Signals 206 für elektrischen Strom mit der Dieselkraftstoffdurchflussrate 208 ausgebildet, um eine theoretische Gaskraftstoffdurchflussrate abzuleiten, die zusammen mit der bekannten Dieselkraftstoffdurchflussrate eine geschätzte Gassubstitutionsrate 216 vorsieht. In einer Ausführungsform kann die Gassubstitutionsratenbestimmung 214 eine Berechnung beinhalten, die basierend auf einer Energiebilanz des Motor-/Generatorsystems als ein Ganzes basiert. Mit anderen Worten, in Anbetracht der Ausgangsleistung des Systems (zum Beispiel des ausgehenden elektrischen Stroms des Generators) und in Anbetracht eines der zwei Energieeingaben (wie beispielsweise der Verbrennungsenthalpie des einströmenden Dieselkraftstoffs), kann die Bestimmung des zusätzlichen erforderlichen Energieaufwands (wie beispielsweise der Verbrennungsenthalpie des einströmenden Gaskraftstoffs) abgeschätzt werden. Diese Abschätzung kann ferner auf bekannten Leistungs- und Energieumwandlungsraten des Systems basieren.
-
Die Dieselkraftstoffdurchflussrate 208 wird auch einem Eingangsknoten eines Verteilers 218 zugeführt. Der zweite Eingangsknoten des Verteilers 218 empfängt die Gaskraftstoffdurchflussrate 210, so dass der Verteiler eine Berechnung durchführen kann, um eine aktuelle oder gemessene Gassubstitutionsrate 220 zu ermitteln, die in der dargestellten Ausführungsform als ein Verhältnis zwischen der Dieselkraftstoffdurchflussrate 208 und der Gaskraftstoffdurchflussrate 210 ausgedrückt ist.
-
Die abgeschätzte Gassubstitutionsrate 216 wird mit der gemessenen Gassubstitutionsrate 220 in einer Vergleichseinrichtung 222 zum Ermitteln einer Substitutionsratenabweichung 224 verglichen. In der dargestellten Ausführungsform berechnet die Vergleichseinrichtung 222 die Ratenabweichung 224 als einen Unterschied zwischen der geschätzten Gassubstitutionsrate 216 und der gemessenen Gassubstitutionsrate 220. Die Ratenabweichung 224 kann positiv oder negativ sein abhängig von den in einer vorangehenden Kalibrierung bestimmten Sekundärkraftstoffeigenschaften verglichen mit den aktuellen Eigenschaften des Sekundärkraftstoffs, der dem Motor während einer nachfolgenden Kalibrierung zugeführt wird.
-
Die Ratenabweichung 224 wird einer Gasbrennwertbestimmungsfunktion 225 zugeführt. Die Gasbrennwertbestimmungsfunktion 225, die in der dargestellten Ausführungsform eine Nachschlagetabelle oder eine eindimensionale Nachschlagefunktion enthält, ist zum Bestimmen eines korrigierten Gasbrennwerts 226 ausgebildet, der auf einer Korrektur zu einem vorher bestimmten Gasbrennwert basierend auf der Ratenabweichung 224 basiert. Der korrigierte Gasbrennwert 226 stimmt im Wesentlichen mit dem aktuellen Brennwert des Gases, das momentan dem Motor zugeführt wird, überein.
-
Der korrigierte Gasbrennwert 226 wird auch einer Kraftstoffbrennwert-zu-Methanzahl-Korrelationstabelle 228 zugeführt. Die Korrelationstabelle 228 gibt die Methanzahl 230 des Gases basierend auf einer vorbestimmten Korrelation oder einem vorbestimmten Verhältnis an. Die Methanzahl 230 und der korrigierte Gasbrennwert 226 werden einer Dualkraftstoffsteuerung 232 zugeführt. Die Dualkraftstoffsteuerung 232 ist zum Anpassen und Vorsehen von aktualisierten Parametern für die zulässige Substitutionsrate 202 und den Dieseleinspritzzeitpunkt 204 basierend auf dem korrigierten Gasbrennwert 226 und der geänderten Methanzahl 230 ausgebildet. In einer Ausführungsform enthält die Dualkraftstoffsteuerung 232 Nachschlagetabellen und andere Funktionen, die tabellarische Motorbetriebsparameter für die zulässige Substitutionsrate und den Dieseleinspritzzeitpunkt umfassen, die anderen Motorsteuerfunktionen zugeführt werden, die die geeignete Substitutionsrate und den geeigneten Einspritzzeitpunkt basierend auf den spezifischen Motorbetriebszuständen bestimmen, wie beispielsweise eine Motordrehzahl und -belastung.
-
Ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Dualkraftstoffmotors ist in 3 gezeigt. Das Verfahren ist für jeden Motor geeignet, der mit zwei oder mehr Kraftstoffen läuft. Das Verfahren kann eine periodische Anpassung von Kraftstoffsubstitutionsparametern basierend auf der Qualität wenigstens eines Sekundärkraftstoffs des Motors automatisch vorsehen und ohne, dass eine externe experimentelle Bestimmung der Kraftstoffqualität und eine nachfolgende manuelle Anpassung der Motorbetriebsparameter nötig ist. Es versteht sich, dass das Vermögen, die Sekundärkraftstoffkenngrößen automatisch zu bestimmen, ohne dass ein externes Testen zum Bestimmen dieser Kenngrößen nötig ist, eine beachtliche Verbesserung gegenüber den derzeit verwendeten Prozessen darstellt. Dadurch dass eine periodische Bestimmung von Kraftstoffkenngrößen automatisch durchgeführt wird und der Motorbetrieb automatisch angepasst wird, kann der Motor mit geringeren Kosten und einer höheren Effizienz betrieben werden.
-
Ein Kalibriervorgang wird bei 302 gestartet. Der Start des Kalibriervorgangs kann unter einer Vielzahl von Bedingungen erfolgen, von denen zu erwarten ist, dass sie einen messbaren Wechsel der Verbrennungseigenschaften des Sekundärkraftstoffs hervorrufen. Zum Beispiel, falls die Quelle des Sekundärkraftstoffs ein Erdgasstrom ist, der durch einen Bohr- oder Raffinerievorgang gefördert wird, kann eine Kalibrierung der Eigenschaften des Sekundärkraftstoffs periodisch durchgeführt werden, wie beispielsweise wöchentlich, um zu gewährleisten, dass mögliche Veränderungen in dem Sekundärkraftstoff erkannt werden. Alternativ, falls der Sekundärkraftstoff über Handelsquellen in Chargen bezogen wird, kann die Kalibrierung einmal für jede neue Charge an Kraftstoff, der dem Motor zugeführt wird, durchgeführt werden.
-
Wenn sich der Motor in einem Kalibriermodus befindet, werden der Motor und der Generator in einem vorbestimmten Zustand bei 304 betrieben.
-
Der vorbestimmte Zustand kann ein einziger Betriebspunkt sein oder es kann einer aus einer Vielzahl von Betriebspunkten sein, der angemessen ausgewählt ist. In dem Fall, bei dem ein einziger Betriebspunkt verwendet wird, kann der Generator zeitweise von dem elektrischen Netz, das er mit Strom versorgt, genommen werden, so dass eine vorher ausgewählte nominale Stromabgabe vorgesehen werden kann. Alternativ kann der Generator mit dem Netz verbunden bleiben und ein vorher ausgewählter Strom, der dem dann vorhandenen Stromverbrauch des Netzes am nächsten kommt, kann zum Durchführen der Kalibrierung ausgewählt werden.
-
Während der Motor und der Generator in dem vorbestimmten Zustand laufen, werden eine Ausgangsleistung von dem Motor-/Generatorsystem und eine Eingangsleistung in das System von dem Primärkraftstoff in Form von Daten oder anderen Signalen von Sensoren bei 306 erfasst. Eine elektronische Steuerung, die betriebsbereit mit dem Motor-/Generatorsystem verbunden ist, kann für diese Erfassung nützlich sein, die Messungen, Berechnungen und andere Verfahren zum Messen der Eingangsleistung in das Motor-/Generatorsystem enthalten kann. Zum Beispiel können die chemische Energie oder die Verbrennungsenergie, die in dem Zustrom des Primärkraftstoffs in den Motor enthalten sind, und der elektrische Strom an dem Ausgang des Generators verwendet werden. Die elektronische Steuerung, die diese Bestimmungen durchführt, kann ferner diverse Konstanten und andere Parameter enthalten, die die Energieumwandlungseffizienz der diversen relevanten Bauteile und Systeme anzeigen, sowie vorbestimmte Konstanten enthalten, die die Verbrennungseigenschaften des Primärkraftstoffs anzeigen, die als bekannt und über die Zeit im Wesentlichen unveränderlich vorausgesetzt werden.
-
Eine Eingangsleistung des Sekundärkraftstoffs wird bei 308 basierend auf der Eingangsleistung aus dem Primärkraftstoff und der Ausgangsleistung des Systems abgeleitet. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem Primärkraftstoff um Dieselkraftstoff mit bekannten Eigenschaften und bei dem Sekundärkraftstoff um Erdgas. Durch Messen des Massenstroms oder der Volumendurchflussrate des Sekundärkraftstoffs kann ein Energiebilanzverhältnis zwischen der Eingangsenergie in das Motor-/Generatorsystem aus den zwei Kraftstoffquellen und der Ausgangsleistung des Systems zum Bestimmen des Energieinhalts des Sekundärkraftstoffs verwendet werden. In einer Ausführungsform kann dieses Energiebilanzverhältnis als eine Nachschlagetabelle, ein Modell oder als jeder andere Berechnungs- oder Interpolationstyp vorhanden sein, der die maßgeblichen Parameter, wie beispielsweise eine Ausgangsleistung des Generators, eine Dieselkraftstoffrate und eine Gasdurchflussrate, zum Vorsehen eines Gasbrennwerts und/oder einer Methanzahl des Gases zueinander in Beziehung setzt.
-
Nach dem Bestimmen der Eingangsleistung des Sekundärkraftstoffs bei 308 wird ein Unterschied zwischen einer vorangehenden und einer derzeitigen oder gemessenen Rate für eine Substitution des Primärkraftstoffs durch den Sekundärkraftstoff bei 310 bestimmt. Diese Bestimmung kann eine Änderung der Betriebsparameter des Motors nach sich ziehen, in dem eine gewünschte oder zulässige Rate oder Substitutionsverhältnis des Primärkraftstoffs durch den Sekundärkraftstoff bestimmt und in der elektronischen Steuerung, die den Motor steuert, gespeichert wird. In einer Ausführungsform wird die zulässige Substitutionsrate von der Steuerung zum Anpassen der Primär- und Sekundärkraftstoffversorgungen verwendet, wenn sich die Betriebszustände des Motors ändern, wie beispielsweise wenn sich die elektrische Belastung des Generatorsystems in Erwiderung auf Änderungen in dem Verbrauch ändert. Darüber hinaus werden Parameter, die von der elektronischen Steuerung zum Messen der Verwendung des Sekundärkraftstoffs verwendet werden, bei 312 zum Wiedergeben der aktuellsten Information über die Qualität des Sekundärkraftstoffs basierend auf dem Unterschied, der bei 310 bestimmt wird, angepasst.
-
Nachdem die geeigneten Parameter des Sekundärkraftstoffs bestimmt worden sind, werden die zulässige Substitutionsrate und der Primärkraftstoffeinspritzzeitpunkt bei 314 bestimmt. In einer Ausführungsform basiert diese Bestimmung auf den angepassten Steuerparametern des Sekundärkraftstoffs, die bei 312 angepasst worden sind. Weitere Steuerparameter des Motors können angepasst werden, sobald die Eigenschaften des Sekundärkraftstoffs bekannt sind. Zum Beispiel kann der Motor zusätzlich zu Anpassungen des Einspritzzeitpunkts des Primärkraftstoffs mit verschiedenen Ventilsteuerzeiten, mit verschiedenen Ansaug- und/oder Abgasdrücken usw. abhängig von den Hardwarefähigkeiten der diversen Motorbauteile und Systeme betrieben werden, so dass der Motorbetrieb optimiert werden kann.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Diese Offenbarung betrifft allgemein Dualkraftstoffverbrennungsmotoren. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich speziell auf Motoren, die mit Erdgas, flüssigem Propangas (LPG), Biogas und jedem anderen brennbaren Kraftstoff laufen und die mit elektrischen Generatoren zum Erzeugen elektrischen Stroms verbunden sind, jedoch kann jeder andere Motortyp verwendet werden. Zusätzliche angedachte Anwendungsbeispiele sind Motoren, die zum Antreiben von Maschinen und/oder anderen geländegängigen Lastkraftwagen verwendet werden, die mit Generatoren, die Teil von hybrid-elektrischen Antriebssystemen sind, Fluidpumpen, die Teil von hydrostatischen Antriebssystemen sind, und Ähnlichem verbunden sind. Entsprechend sind die hierin offenbarten Systeme und Verfahren, obwohl eine Anwendung in einem stationären Motor beschrieben ist, auf Motoren, die in großen Anlagen installiert sind, wie beispielsweise Lokomotiv- oder Marineanwendungen, sowie auf Motoren anwendbar, die in Fahrzeugen installiert sind, wie beispielsweise in der LKW- oder Automobilindustrie. Darüber hinaus, obwohl ein Generator in der oben beschriebenen Ausführungsform offenbart ist, können andere Motoranwendungen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Motor, der zum Betreiben eines Gaskompressors verwendet wird, in der oben beschriebenen Art und Weise betrieben werden, wodurch die Ausgangsleistung des Systems basierend auf einem Enthalpieanstieg des Arbeitsgases des Kompressors durch zum Beispiel Druck- und Dichtemessungen des Gases sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Kompressors bestimmt werden kann. Zusätzliche Beispiele enthalten Fluidpumpen, in denen eine Druckmessung und eine Durchflussratenmessung eines hydraulischen Fluids durch die Pumpe ein Hinweis auf die Ausgangsleistung der Pumpe sein können. In einer alternativen Ausführungsform kann die Kalibrierung des Motors nicht den Betrieb des Motors bei einem vorbestimmten Punkt erfordern. Obwohl ein solcher Betrieb vorteilhaft ist, ermöglicht die Messung der Eingangs- und Ausgangsleistungen des Motorsystems in Echtzeit die konstante Bestimmung der Sekundärkraftstoffqualität in Echtzeit.
-
Es versteht sich, dass die vorangehende Beschreibung das offenbarte System und die offenbarte Technik beispielhaft angibt. Jedoch ist es angedacht, dass weitere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorangehenden Beispielen unterscheiden. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung und deren Beispiele sind angedacht, dass sie sich auf ein bestimmtes Beispiel beziehen, das an dieser Stelle diskutiert wird, und sind nicht angedacht, allgemeiner irgendeine Beschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung zu unterstellen. Sämtliche Rede von einem Unterschied und einer Schmälerung mit Bezug auf gewisse Merkmale soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt sind, soll diese jedoch nicht vom Umfang der Offenbarung insgesamt ausschließen, sofern nichts anderes angegeben ist.
-
Die Nennung von Wertebereichen hierin soll lediglich eine individuelle Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, abkürzen, sofern nichts anderes hierin angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in der Beschreibung enthalten, als wenn er einzeln darin genannt würde. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern nichts anderes hierin angegeben ist oder anderweitig klar durch den Kontext widersprochen wird.
