DE112016002812T5 - System zur erfassung und steuerung von anteilen von brenngasbestandteilen - Google Patents

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Abstract

Ein System zur Erfassung und Steuerung einer Brenngaszusammensetzung kann mehrere Mikrosensoren (251) einschließen, die in einer einzigen Kammer (250) eingebaut sind, wobei jeder von den Mikrosensoren (251) dafür ausgelegt ist, einen Kennwert einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die in die Kammer (250) eingeleitet wird, zu erfassen. Das System kann auch mehrere Heizelemente einschließen, wobei jedes von den Heizelementen einem von den mehreren Mikrosensoren (251) zugeordnet ist und die mehreren Heizelemente dafür ausgelegt sind, gleichzeitig eine Temperatur der Mischung aus gasförmigem Brennstoff an jedem von den mehreren Mikrosensoren (251) auf ein an jedem der Mikrosensoren (251) jeweils anderes Temperaturniveau zu erhöhen. Das System kann auch einen Mikroprozessor (254) einschließen, der dafür ausgelegt ist, eine thermodynamische Eigenschaft der Mischung aus gasförmigem Brennstoff bei den unterschiedlichen Temperaturniveaus an jedem der Mikrosensoren (251) als Funktion des von den einzelnen Mikrosensoren erfassten Kennwerts zu bestimmen, die thermodynamische Eigenschaft mit einer Brenngaszusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu korrelieren und eine Menge von mindestens einem Bestandteil in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff als Funktion der Brenngaszusammensetzung, die durch die Korrelation bestimmt wird, zu steuern.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein System zur Erfassung von Anteilen von Brenngasbestandteilen und genauer ein System zur Erfassung und Steuerung von Anteilen von Brenngasbestandteilen in einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die einem Verbrennungsmotor bzw. Motor zugeführt wird.
  • Hintergrund
  • Mit gasförmigem Brennstoff angetriebene Motoren können unter Verwendung eines Bereichs unterschiedlicher Kraftstoff- bzw. Brennstoffmischungen arbeiten. Unterschiedliche Brennstoffmischungen können dazu führen, dass während einer Verbrennung unterschiedliche Mengen von Schadstoffen wie Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid (Oberbegriff NOx) erzeugt werden. Verschiedene Umweltvorschriften haben dazu geführt, dass ein Bedarf daran besteht, die Anteile von Schadstoffen deutlich zu senken, ohne die Leistung eines Motors zu beschränken, wie sie durch den maximalen Brake Mean Effective Pressure (BMEP) gemessen wird. In manchen Verbrennungsmotoren kann zusammen mit speziellen Katalysatoren in einem Abgasnachbehandlungssystem eine stöchiometrische Verbrennung angewendet werden, um NOx-Anteile, die während einer Verbrennung erzeugt werden, zu senken. Dies kann jedoch zu hohen Verbrennungstemperaturen und einer erhöhten Klopfneigung führen, wodurch der BMEP des Motors beschränkt wird. Daher können verschiedene alternative Verfahren zum Senken der Anteile von Schadstoffen wie NOx, die während einer Verbrennung erzeugt werden, eine exakte Steuerung der Mengen verschiedener Bestandteile im Brennstoff einschließen, beispielsweise durch Steuern der H2-Anteile im Brennstoff. Eine exakte Erfassung und Steuerung der Zusammensetzung des Brennstoffs und von Betriebskennwerten des Motors ermöglichen eine verbesserte Leistung und eine verringerte Produktion von Schadstoffen. Eine Reformierung durch katalytische Teiloxidation (catalytic partial oxidation CPOx) ist ein Verfahren, das während des Betriebs eines Motors angewendet werden kann, um die H2-Anteile zu ändern, die während der Verbrennung in der Luft-Kraftstoff-Mischung bereitgestellt werden, um dadurch eine Wärmeeffizienz und eine Verbrennungsstabilität zu verbessern.
  • Herkömmlich wurde eine Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von gasförmigem Brennstoff, der verwendet wird, um Verbrennungsmotoren anzutreiben, durch eine Temperatur- und/oder Drucksteuerung des gasförmigen Brennstoffs oder mittels einer Zusammensetzungsanalyse, wie sie beispielsweise unter Verwendung von Gaschromatographie durchgeführt wird, ohne Steuern der Temperatur oder des Drucks erreicht. Verfahren zum Messen der Qualität und der Zusammensetzung von gasförmigen Brennstoffen ermöglichen eine Bestimmung des Wärmewerts, der aus einer bestimmten Mischung aus gasförmigem Brennstoff erhalten werden kann. Ein Motor, der die jeweilige Mischung aus gasförmigem Brennstoff mit einer bestimmten Qualität und einem bestimmten Wärmewert verwendet, kann beispielsweise durch Steuern einer Zündung und einer Brennstoffeinspritzung so betrieben werden, dass eine Leistungsausgabe aufrechterhalten oder verbessert wird und die Erzeugung von Schadstoffen verringert wird. Manche heutigen Techniken für eine kontinuierliche Analyse eines Stroms aus gasförmigem Brennstoff während des Betriebs eines Motors verwenden teure Messinstrumente, die eine ständige Wartung erfordern und die unter harschen Betriebsbedingungen im Feld eine mangelnde Zuverlässigkeit aufweisen.
  • Eine Herangehensweise, um die oben beschriebenen Probleme in den Griff zu bekommen, ist im US-Patent Nr. 5,311,447 (Patent ’447) offenbart, das am 10. Mai 1994 an Bonne erteilt wurde. Genauer offenbart das Patent ’447 einen verbrennungsfreien Prozess zum Messen der Qualität eines Brennstoffs, der einer spritverbrauchenden Vorrichtung zugeführt wird. Das Verfahren schließt das Umleiten einer Portion des Kraftstoffs durch eine Sensorkammer und das Messen einer Viskosität des Brennstoffs an einem ersten Sensor in der Kammer ein. Das Verfahren schließt auch das Messen einer Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffs mit einem zweiten Sensor in der Kammer bei zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus ein. Die Viskositäts- und Wärmeleitfähigkeitswerte werden dann auf Basis einer Temperatur und eines Drucks des Brennstoffs korrigiert, und ein entsprechender Wärmewert wird unter Verwendung einer empirischen Formel bestimmt, die als Funktion der korrigierten Viskositäts- und Wärmeleitfähigkeitswerte bestimmt wird. Der Wärmewert wird dann abhängig von den Informationen, die für eine bestimmte Anwendung erforderlich sind, gespeichert, angezeigt oder ausgegeben. Die empirische Formel, die verwendet wird, um den Wärmewert des Brennstoffs zu messen, wird unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Regressionsanalyseprogramms bestimmt.
  • Auch wenn das im Patent ’447 beschriebene Verfahren für manche Anwendungen ausreichend sein mag, kann es suboptimal sein. Beispielsweise beruht das Verfahren auf einer Bestimmung von mindestens zwei unterschiedlichen Brenngaseigenschaften, beispielsweise Viskosität und Wärmeleitfähigkeit, und einer anschließenden Ableitung eines Kennwerts des Brenngases, beispielsweise eines Wärmegehalts, unter Verwendung der zwei bestimmten Eigenschaften. Infolgedessen erfordert das zugehörige System mindestens zwei unterschiedliche Arten von Sensoren, was die Kosten erhöht, und kann abhängig von einer Messung unterschiedlicher Brennstoffeigenschaften relativ lange Reaktionszeiten aufweisen. Die Schnelligkeit des Systems kann seine Verwendung in sehr unbeständigen Anwendungen (z.B. in Verbrennungsmotoranwendungen) von vornherein ausschließen.
  • Das offenbarte System ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben angegebenen Probleme und/oder andere Probleme, die mit bestehenden Systemen für die Bestimmung von Gaszusammensetzungen assoziiert sind, zu überwinden.
  • Kurzfassung
  • In einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein System zum Erfassen und Steuern einer Brenngaszusammensetzung gerichtet. Das System kann mehrere Mikrosensoren einschließen, die in einer einzigen Kammer eingebaut sind, wobei jeder von den Mikrosensoren dafür ausgelegt ist, einen Kennwert einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die in die Kammer eingeleitet wird, zu erfassen. Das System kann auch mehrere Heizelemente einschließen, wobei jedes von den Heizelementen einem von den mehreren Mikrosensoren zugeordnet ist und wobei die mehreren Heizelemente dafür ausgelegt sind, an jedem der Mikrosensoren ein anderes Temperaturniveau zu implementieren. Das System kann darüber hinaus einen Mikroprozessor einschließen, der dafür ausgelegt ist, eine thermodynamische Eigenschaft der Mischung aus gasförmigem Brennstoff bei den unterschiedlichen Temperaturniveaus an jedem der Mikrosensoren als Funktion des von den einzelnen Mikrosensoren erfassten Kennwerts zu bestimmen, die thermodynamische Eigenschaft mit einer Brenngaszusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu korrelieren und eine Menge von mindestens einem Bestandteil in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff als Funktion der Brenngaszusammensetzung, die durch die Korrelation bestimmt wird, zu steuern.
  • In einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Steuersystem zur Verwendung mit einem Motor. Das Steuersystem kann mehrere Mikrosensoren, die in eine einzige Mikrokammer eingebaut sind und dafür ausgelegt sind, einen Kennwert einer Mischung aus in die Mikrokammer eingeführtem gasförmigem Brennstoff zu erfassen, und mehrere Widerstandsheizelemente einschließen, die mit jedem von den mehreren Mikrosensoren assoziiert sind und dafür ausgelegt sind, an jedem von den mehreren Mikrosensoren ein anderes Temperaturniveau zu implementieren. Das System kann auch einen Mikroprozessor einschließen, der dafür ausgelegt ist, eine thermodynamische Eigenschaft der Mischung aus gasförmigem Brennstoff bei den unterschiedlichen Temperaturniveaus an jedem der Mikrosensoren als Funktion des von den einzelnen Mikrosensoren erfassten Kennwerts zu bestimmen, die thermodynamische Eigenschaft mit einer Brenngaszusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu korrelieren, eine Menge von mindestens einem Bestandteil in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und einen Betriebsparameter des Motors als Funktion der Brenngaszusammensetzung, die durch die Korrelation bestimmt wird, zu steuern.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Motors. Das Verfahren kann das Umleiten aufeinanderfolgender Portionen einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die dem Motor zugeführt wird, in eine Mikrokammer einschließen, wo die aufeinanderfolgenden Portionen jeweils vorübergehend unter einer im Wesentlichen ruhigen Bedingungen gehalten werden. Das Verfahren kann ferner das gleichzeitige Erwärmen von jedem von mehreren Mikrosensoren auf ein unterschiedliches Temperaturniveau an mehreren verschiedenen, voneinander beabstandeten Stellen innerhalb der Mikrokammer und das Bestimmen einer Gesamt-Wärmeleitfähigkeit für jede aufeinanderfolgende Portion der Mischung aus gasförmigem Brennstoff einschließen. Das Verfahren kann ferner das selektive Anpassen eines Anteils eines Bestandteils, der in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff vorhanden ist, und/oder eines Steuerungsparameters des Verbrennungsmotors auf Basis der Wärmeleitfähigkeit einschließen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Zeichnung 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein offenbartes System;
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein offenbartes Motorsteuerungssystem; und
  • 3 ist ein Ablaufschema, das ein Beispiel für ein offenbartes Verfahren darstellt, das vom System von 1 durchgeführt werden kann.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt ein Beispielssystem 100 zum Erfassen und Steuern der Menge an einem oder mehreren Bestandteilen in einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die einem Motor zugeführt wird. Durch Bereitstellen exakter Echtzeitmessungen der Mengen der verschiedenen Bestandteile in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff ermöglicht das System 100 eine präzise Steuerung des Verbrennungsprozesses, um die Leistung aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen und gleichzeitig die Erzeugung von Schadstoffen zu verringern. Ein Verbrennungsmotor kann beispielsweise ein mit gasförmigem Brennstoff betriebener Viertaktmotor sein, der durch ein Motorsteuerungsmodul (ECM) 170 gesteuert wird. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Motor alternativ dazu ein Zweitaktmotor sein kann, falls gewünscht. Der Motor kann einen Motorblock einschließen, der zumindest zum Teil einen oder mehrere Zylinder definiert. Innerhalb jedes Zylinders kann ein Kolben verschiebbar angeordnet sein, um sich zwischen einer Position an einem oberen Totpunkt (TDC) und einer Position an einem unteren Totpunkt (BDC) hin und her zu bewegen, und mit jedem Zylinder kann ein Zylinderkopf assoziiert sein. Der Zylinder, der Kolben und der Zylinderkopf können gemeinsam eine Brennkammer definieren. Der Motor kann eine beliebige Zahl von Brennkammern einschließen, die in einer "Linien"-Konfiguration, in einer "V"-Konfiguration, in einer Gegenüber-Konfiguration oder in irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sind.
  • Die Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die an den einzelnen Brennkammern im Motor bereitgestellt wird, kann zuerst verdichtet und dann abgekühlt werden, beispielsweise durch einen Kühler 130, bevor sie in einer Luft-Kraftstoff-Mischung in die einzelnen Zylinder eingespritzt wird. Das System 100 kann dafür ausgelegt sein, aufeinanderfolgende Portionen der gekühlten Mischung aus gasförmigem Brennstoff aus dem Kühler 130 in eine Mikrokammer 150 umzuleiten, die mehrere Mikrosensoren enthalten kann, die jeweils dafür ausgelegt sind, einen Kennwert der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu erfassen. Der Kennwert der Mischung aus gasförmigem Brennstoff kann an einen Prozessor ausgegeben und für die Bestimmung einer thermodynamischen Eigenschaft der Mischung aus gasförmigem Brennstoff verwendet werden. Die thermodynamische Eigenschaft kann vom Prozessor beispielsweise mit den Anteilen von Bestandteilen in der Zusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff 160 korreliert werden, beispielsweise mit Molprozent von O2, H2, N2, NO2, CO, CO2 und/oder CH4. In einem Ausführungsbeispiel kann die Mikrokammer 150 4 voneinander beabstandete Mikrosensoren enthalten, wobei eine Widerstandsheizung mit jedem der Mikrosensoren assoziiert ist. Jede der Widerstandsheizungen und jeder der Mikrosensoren kann ein mikroelektromechanisches System (MEMS) sein, das aus Komponenten besteht, die eine Größe zwischen 1 und 1000 Mikrometern aufweist. Der Begriff "Mikrosensor", wie hierin verwendet, kann auch kleine Vorrichtungen einschließen, beispielsweise Miniaturmessgeber, die nicht unbedingt in den Größenbereich von 1 bis 1000 Mikrometern fallen, die aber miniaturisierte Vorrichtungen und Strukturen sind, die anhand der Techniken der Mikrofabrikation hergestellt werden können.
  • Jeder Mikrosensor in der Mikrokammer 150 kann einen variablen elektrischen Widerstand einschließen, dessen elektrischer Widerstand sich in Bezug auf eine Änderung seiner Temperatur ändert. Der variable elektrische Widerstand für jeden Mikrosensor kann eine Mikroheizung sein, die sich in großer Nähe zum zugehörigen Mikrosensor auf einem Halbleitersubstrat befindet. Das Halbleitersubstrat kann aus einem Silicium- oder Silicium-Nitrid-Chip gebildet sein und kann innerhalb der Mikrokammer 150 so positioniert sein, dass er zumindest zum Teil von jeder aufeinanderfolgenden Portion der gekühlten Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die in die Mikrokammer 150 eingeführt wird, umgeben wird. Die Mikroheizung kann oberhalb des Substrats auf Einhängeschenkeln gelagert oder als Dünnschichtwiderstand auf einer dünnen Membran, die mit dem Substrat verbunden ist, aufgebracht sein. Manche Beispiele für variable elektrische Widerstände können ein Nanokalorimeter, einen Wärmeleitfähigkeitssensor, einen Mikrothermistor, ein MEMS-Element, eine Mikrobolometerplattform, einen Mikrodraht, eine Mikrospule oder irgendeine variable elektrische Widerstandsvorrichtung einschließen, die an die Membran gebondet oder auf andere Weise damit verbunden ist oder die durch andere Mittel in der Nähe des Substrats gelagert wird. Standard-Herstellungsprozesse für Complementary Metal-Oxide-Semiconductors (CMOSs) oder MEMS-Herstellungsprozesse können verwendet werden, um die elektrische Widerstandsvorrichtung auf dem Substrat herzustellen. Das Substrat kann aus einer Silicium- oder Siliciumnitridmembran bestehen, die einen elektrischen CMOS-Leseschaltkreis oder irgendeine integrierte CMOS-Vorrichtung einschließt. Das Substrat oder die Mikrosensorvorrichtungen kann bzw. können zum Teil oder vollständig innerhalb einer Gasdruckumgebung eingeschlossen sein, welche die aufeinanderfolgenden Portionen der gekühlten Mischung aus gasförmigem Brennstoff umfasst, die in der Mikrokammer 150 aus dem Kühler 130 empfangen werden. Die Umgebung, welche die einzelnen Mikrosensoren einschließt, kann mit aufeinanderfolgenden, relativ stationären Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff gefüllt werden, die überall in der Umgebung, einschließlich der oberen und unteren Oberflächen der variablen elektrischen Widerstände, einen gleichen Druck ausüben. Die Mischung aus gasförmigem Brennstoff kann Bestandteile wie O2, H2, N2, NO2, CO, CO2, CH4 und beliebige andere Spurengase oder Schadstoffgase einschließen.
  • In dem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, kann eine Mikrokammer 250 4 Mikrosensoren 251 enthalten, die innerhalb der Mikrokammer 250 voneinander beabstandet sind und jeweils mit elektrischer Leistung von einem elektrischen Leistungssystem 282 versorgt werden. Piezoelektrische Mikroventile 247 können an einem Einlass und einem Auslass der Mikrokammer 250 vorgesehen sein, um den Strom aufeinanderfolgender Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die vom Brennstoffsystem 220 in die und aus der Mikrokammer 250 geliefert werden, zu steuern. Die piezoelektrischen Mikroventile 247 können auch durch Gleichstromleistung betätigt werden, die von einer programmierbaren Gleichstromquelle 280 bereitgestellt wird. Die 4 Mikrosensoren 251 können parallel aktiviert werden, und jeder von den variablen Widerständen von jedem der 4 Mikrosensoren 251 kann eine andere Spannung (Vheater) und einen anderen Strom (Iheater) empfangen, so dass 4 verschiedene Temperaturen im Wesentlichen gleichzeitig an den 4 voneinander beabstandeten Stellen in der Mikrokammer 250 die Folge sind. Der Ausdruck "im Wesentlichen gleichzeitig" bedeutet, dass die 4 unterschiedlichen Mikrosensoren alle innerhalb von 250 Millisekunden (ms), nachdem jedes von den aufeinanderfolgenden Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff in die Mikrokammer 250 eingeführt worden ist, bei unterschiedlichen Temperaturen ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Die variablen Widerstände von jedem der Mikrosensoren 251 können eine Spannung und einen Strom empfangen, die jeweils ausreichen, dass eine Temperatur von jedem der Widerstände um mindestens 10 % höher ist als die Temperatur der Mischung aus gasförmigem Brennstoff aus dem Kühler 130 (1) oder aus dem Brennstoffsystem 220 (2). Dieser minimale Temperaturunterschied zwischen der Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die in die Mikrokammer eingeführt wird, und der Erwärmungstemperatur von jedem der Widerstände reicht aus, um durch die Gasumgebung genug Wärmeaustausch für einen exakten Hinweis auf die Wärmeleitfähigkeit des Systems zu bewirken. Jede von den Mikroheizungen, die den einzelnen Mikrosensoren zugeordnet sind, kann einen Wärmeabstrahlungsbereich aufweisen, der jeweils klein genug ist, dass sie als punktuelle Wärmequelle betrachtet werden kann. Das Volumen des Gases, das die einzelnen Mikroheizungen umgibt, kann auch klein genug sein, dass ein thermischer Gleichgewichtszustand in weniger als 250 ms nach der Einführung der einzelnen aufeinanderfolgenden Portionen der Mischung aus gasförmigem Brennstoff in die Mikrokammer erreicht werden kann. Ein Wärmeübertragungskoeffizient der gasförmigen Mischung ist daher im Wesentlichen proportional zur Wärmeleitfähigkeit der gasförmigen Mischung.
  • Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass auch alternative Verfahren zum Einführen aufeinanderfolgender Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff in die Mikrokammer 150 für eine Prüfung und dann zum Ausführen jedes der aufeinanderfolgenden Volumina aus der Mikrokammer verwendet werden können. Ein Vorteil einer Anordnung, wie sie in 2 gezeigt ist, ist, dass eine Betätigung der Mikroventile 247 sehr schnell geht und dass sie eine vollständige Änderung des Gasvolumens in der Mikrokammer 250 etwa alle 250 ms (etwa 4-mal pro Sekunde) ermöglichen kann. Die Verwendung von 4 unterschiedlichen Mikrosensoren 251, die innerhalb der Mikrokammer 250 angeordnet sind und die im Wesentlichen gleichzeitig 4 verschiedenen Temperaturen ausgesetzt werden, ermöglicht auch die rasche Bestimmung von 4 Datenpunkten einer thermodynamischen Eigenschaft von jedem der aufeinanderfolgenden Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff. Eingangs- und Ausgangsspannungen von den 4 unterschiedlichen Mikrosensoren 251 können beim Aufbau eines linearen Anpassungsgüten- bzw. Best-Fit-Regressionsmodells unter Verwendung von Partial Least Squares(PLS)-Methoden verwendet werden, um verschiedene Parameter der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu schätzen. Ausgangssignale von jedem der Mikrosensoren 251 können von einem dynamischen Metrologiemodul (DMM) 252 verarbeitet werden, und ein Mikrocontroller 254 kann diese Informationen verwenden, um geeignete Steuersignale an die programmierbare Gleichstromquelle 280 zu senden. Während aufeinanderfolgende Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff vom DMM 252 analysiert werden, kann die programmierbare Gleichstromquelle 280 das Öffnen und Schließen von jedem der Mikroventile 247 steuern, um jedes von den aufeinanderfolgenden Volumina auszuführen und ein anderes Volumen der Mischung aus gasförmigem Brennstoff in die Mikrokammer 250 einzuführen.
  • Die Temperatur von jedem der variablen elektrischen Widerstände kann eine Funktion einer angelegten elektrischen Leistung und von Wärmeübertragungen auf das Substrat und auf die gasförmige Umgebung jedes variablen elektrischen Widerstands innerhalb der Mikrokammer 250 sein. Eine Spannungs- und/oder eine Stromquelle kann mit jedem der variablen elektrischen Widerstände der Mikrosensoren 251 verbunden sein, um die einzelnen Widerstände elektrisch anzuregen. Da jede von den variablen elektrischen Widerstandsvorrichtungen, die den einzelnen Mikrosensoren (251) zugeordnet sind, einen elektrischen Widerstand leistet, bewirkt diese elektrische Anregung, dass die einzelnen Widerstände als Funktion der angelegten elektrischen Leistung dank des Joule-Effekts auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden. Die Temperatur jedes variablen elektrischen Widerstands im Gleichgewicht ist eine Funktion der angelegten elektrischen Leistung, der Wärmeübertragung auf das Substrat des Mikrosensors und der Wärmeübertragung auf die Umgebung der einzelnen Mikrosensoren über mehrere Wärmeübertragungsmechanismen wie Konduktion, Konvektion und Strahlung. Die Temperatur am Substrat der einzelnen Mikrosensoren kann beispielsweise durch eine Spannungsausgabe einer Thermosäule oder ein oder mehrere Thermoelemente oder eine andere Temperaturerfassungsvorrichtung, die an dem Substrat angebaut ist, gemessen werden. Eine systemische Wärmeleitfähigkeit (G) der Mischung aus gasförmigem Brennstoff und einer Membran des zugehörigen Mikrosensors kann aus G = Q ΔT berechnet werden, wobei gilt: Q = P (Heizleistung). P = VheaterIheater. Für den Temperaturunterschied der Thermosäule oder der anderen Temperaturerfassungsvorrichtung gilt: ΔT = Voutput/S, wobei S die Empfindlichkeit der Thermosäule oder anderen Temperaturerfassungsvorrichtung ist. ΔT ist der Temperaturunterschied der Temperaturerfassungsvorrichtung. Die Temperatur der Heizung kann aus ihrem Widerstand und aus einer kalibrierten Temperatur-Widerstandsreaktion der Heizung geschätzt werden. Dynamisch gemessene thermodynamische Eigenschaften der Mischung aus gasförmigem Brennstoff können direkt mit der Zusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff korreliert werden.
  • In einer Ausführungsform kann das Verfahren der Erfassung einer Gaszusammensetzung mit mehreren variablen elektrischen Widerstandsvorrichtungen und Mikrosensoren auf einer Sondierung der thermischen Reaktion aller aufeinanderfolgenden Volumina einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die in die Mikrokammer 250 eingeführt wird, mit modulierten elektrischen Anregungen basieren. Die thermische Reaktion kann von der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Gases in der Umgebung der einzelnen Mikrosensoren bestimmt werden. In der thermischen Domäne kann der variable elektrische Widerstand ein Tiefpassverhalten zeigen, und die Phasenverzögerung für jeden Widerstand kann durch die thermodynamischen Kennwerte des umgebenden Gases bestimmt werden. Die thermodynamischen Kennwerte des Gases können direkt mit der Zusammensetzung und dem Druck des Gases korreliert werden. Eine Messung der Phasenverzögerung jedes Widerstands in der thermischen Domäne für alle aufeinanderfolgenden Volumina einer in die Mikrokammer 250 eingeführten Mischung aus gasförmigem Brennstoff liefert somit Informationen über Gaszusammensetzung und -druck. Die Joule-Erwärmung kommt von einer periodisch modulierten elektrischen Anregung, wobei die elektrische Anregung zeitgleich mit einem periodischen elektrischen Signal moduliert wird. Das periodische elektrische Signal kann ein sinusförmiges Signal, ein quadratisches Signal, ein binäres Signal, ein gepulstes Signal oder irgendein begrenztes periodisches Signal sein. Das Gaserfassungsverfahren kann das Messen der Phasenverzögerung (oder einer zeitlichen Verzögerung) zwischen der thermischen Reaktion des variablen elektrischen Widerstands und der modulierten elektrischen Anregung einschließen. Die Phasenverzögerung (oder zeitliche Verzögerung) ermöglicht eine Echtzeitmessung der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases. Sowohl die Wärmekapazität als auch die Wärmeleitfähigkeit können mit einer Zusammensetzung und einem Druck des Gases korreliert und kontinuierlich aktualisiert werden, während alle aufeinanderfolgenden Volumina einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff in die Mikrokammer 250 eingeführt werden.
  • Wie in 1 und 2 gezeigt ist, kann das ECM 170, 270 dafür ausgelegt sein, die bestimmten bzw. festgestellten Prozentanteile von einem oder mehreren Bestandteilen in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu verwenden, um, wie in 1 gezeigt, ein Steuersignal für ein Brennstoffmischventil 180 oder, wie in 2 gezeigt, für das Brennstoffsystem 220 bereitzustellen. Das Brennstoffmischventil 180 kann in Verbindung mit einer Quelle für einen oder mehrere Bestandteile betrieben werden, um während des Betriebs des Motors Echtzeitanpassungen an den Anteilen des einen oder der mehreren Bestandteile vorzunehmen. Wie in 1 gezeigt ist, kann ein Beispiel für eine Echtzeitanpassung des Anteils eines Bestandteils in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff einen katalytischen Teiloxidations(CPOx)-Prozess 120 zur Erzeugung von reformiertem Gas einschließen. Der CPOx-Prozess 120 kann während eines Betriebs des Motors in Verbindung mit dem Brennstoffmischventil 180 implementiert werden, um zusätzliche Mengen von H2 in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff bereitzustellen. Die Zugabe von H2 zur Mischung aus gasförmigem Brennstoff kann die Wärmeeffizienz und die Verbrennungsstabilität der Mischung aus gasförmigem Brennstoff verbessern.
  • Der CPOx-Prozess kann durch einen geeigneten Katalysator in einem mit dem System 100 assoziierten Brennstoffreformer durchgeführt werden, der dafür ausgelegt ist, einen Kohlenwasserstoffbrennstoff zu einem wasserstoffreichen Gas zu reformieren, das hauptsächlich CO, H2, CO2 und H2O umfasst. Das H2-reiche Gas, das durch den CPOx-Prozess erzeugt wird, kann dann unter Verwendung des Brennstoffmischventils 180 in Mengen zugegeben werden, die vom ECM 170 gesteuert werden und von den H2-Anteilen abhängen, die in den einzelnen aufeinanderfolgenden Volumina der Mischung aus gasförmigem Brennstoff durch die Mikrosensoren in der Mikrokammer 150 erfasst werden.
  • Zusätzliche Motorbetriebssteuerungen können durch das ECM 170, 270 auf Basis der bestimmten Anteile verschiedener Bestandteile in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff durchgeführt werden. Wie in der Technik bekannt ist, kann ein Verbrennungsmotor eine Kurbelwelle einschließen, die drehbar innerhalb eines Motorblocks angeordnet ist. Eine Pleuelstange kann jeden Kolben mit einer Kröpfung der Kurbelwelle verbinden, so dass eine Gleitbewegung des Kolbens zwischen den TDC- und BDC-Positionen innerhalb des jeweiligen Zylinders zu einer Drehung der Kurbelwelle führt. Ebenso kann eine Drehung der Kurbelwelle zu einer Gleitbewegung des Kolbens zwischen den TDC- und BDC-Positionen führen. In einem Viertaktmotor kann sich der Kolben durch einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Verbrennungs- oder Leistungshub und einen Abgashub zwischen den TDC- und BDC-Positionen hin und her bewegen. In einem Zweitaktmotor kann ein vollständiger Zyklus einen Verdichtungs-/Abgashub (BDC bis TDC) und einen Leistungs-/Abgas-/Ansaughub (TDC zu BDC) einschließen. Der Zylinderkopf kann einen Ansaugkanal und einen Abgaskanal definieren. Der Ansaugkanal kann verdichtete Luft oder eine Mischung aus Luft und Brennstoff von einem Ansaugkrümmer durch eine Ansaugöffnung und in die einzelnen Brennkammern lenken. Ebenso kann der Abgaskanal Abgase aus der Brennkammer durch eine Abgasöffnung hindurch in einen Abgaskrümmer lenken. Ein Ansaugventil kann innerhalb einer Ansaugöffnung angeordnet und dafür ausgelegt sein, selektiv mit einem entsprechenden Sitz in Eingriff zu kommen. Jedes Ansaugventil kann bewegbar sein zwischen einer ersten Position, in der das Ansaugventil mit dem Sitz in Eingriff steht und einen Fluidstrom in Bezug auf die Ansaugöffnung hemmt, und einer zweiten Position, in der das Ansaugventil vom Sitz entfernt ist, um den Fluidstrom zuzulassen. Ebenso kann ein Ansaugventil innerhalb einer Abgasöffnung angeordnet und dafür ausgelegt sein, selektiv mit einem entsprechenden Sitz in Eingriff zu kommen. Jedes Abgasventil kann bewegbar sein zwischen einer ersten Position, in der das Abgasventil mit dem Sitz in Eingriff steht und einen Fluidstrom in Bezug auf die Abgasöffnung hemmt, und einer zweiten Position, in der das Abgasventil vom Sitz entfernt ist, um den Fluidstrom zuzulassen.
  • Eine Reihe von Ventilbetätigungsbaugruppen (nicht gezeigt) kann betriebsmäßig mit dem Motor verbunden sein, um zu gewünschten Zeiten Ansaug- und Abgasventile in Bezug auf die Drehung der Kurbelwelle und/oder die Position der einzelnen Kolben zwischen der ersten und der zweiten Position zu bewegen. Jeder Zylinderkopf kann mehrere Ansaugöffnungen und mehrere Abgasöffnungen einschließen. Jede dieser Öffnungen kann entweder einem Ansaugventil oder einem Abgasventil zugeordnet sein. Der Motor kann für jeden Zylinderkopf eine Ventilbetätigungsbaugruppe einschließen, die dafür ausgelegt ist, sämtliche Ansaugventile sämtlicher Abgasventile dieses Zylinderkopfs zu betätigen. Falls gewünscht könnte eine einzige Ventilbetätigungsbaugruppe die Ansaugventile oder die Abgasventile, die mehreren Zylinderköpfen zugeordnet sind, betätigen. Die Ventilbetätigungsbaugruppen können jeweils beispielsweise als Anordnung aus Nocken/Schubstange/Kipphebel, als Magnetantrieb, als hydraulischer Stellantrieb und/oder irgendeine andere Betätigungsvorrichtung, die in der Technik bekannt ist, ausgeführt sein. Die Zeiten, zu denen Ansaug- und Auslassventile geöffnet und/oder geschlossen werden, können eine Auswirkung auf einen Motorbetrieb (z.B. eine Auswirkung auf eine Temperatur, einen Wirkungsgrad, einen Zündzeitpunkt usw. eines Zylinders) haben und können in manchen Ausführungsformen gemäß den erfassten Anteilen von einem oder mehreren Bestandteilen in jedem aufeinanderfolgenden Volumen einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die innerhalb der Mikrokammer 150, 250 analysiert wird, variabel gesteuert werden.
  • Das in 2 gezeigte Brennstoffsystem 220 kann beispielsweise als Brennstoffmischventil, als Brennstoffeinspritzdüse, als Vergaser usw. ausgeführt sein, die jeweils in Verbindung mit dem Ansaugkanal steht. Je nach Wunsch kann das Brennstoffsystem 220 elektronisch, hydraulisch, mechanisch und/oder pneumatisch angetrieben werden, um unter Druck stehendes Fluid direkt in die einzelnen Brennkammern oder indirekt über den Ansaugkanal oder ein Brennstoffleitungssystem in die einzelnen Brennkammern zu lassen. Der Brennstoff kann einen verdichteten gasförmigen Brennstoff einschließen, beispielsweise eine Mischung aus Erdgas, Propan, Biogas, Deponiegas, Wasserstoff und/oder einem anderen Brennstoff.
  • Die Brennstoffmenge, die vom Brennstoffsystem 220 in den Ansaugkanal gelassen wird, und/oder die Zeit, zu welcher der Brennstoff in den Ansaugkanal gelassen wird, kann bzw. können mit einem Verhältnis von Luft zu Kraftstoff (A/F), das in die einzelnen Brennkammern gelassen werden, assoziiert sein. Genauer kann in einem Fall, wo es gewünscht ist, eine magere Mischung aus Luft und Kraftstoff (d.h. eine Mischung mit einer im Vergleich zur Luftmenge relativ kleinen Brennstoffmenge) in eine Brennkammer einzuführen, das Brennstoffsystem 220 bewirken, dass Brennstoff über einen kürzeren Zeitraum zum Ansaugkanal (und/oder zur Brennkammer) gelenkt wird als in einem Fall, wo eine fette Mischung aus Luft und Kraftstoff (d.h. eine Mischung mit einer im Vergleich zur Luftmenge relativ große Brennstoffmenge) gewünscht ist. Ebenso kann in einem Fall, wo eine fette Mischung aus Luft und Brennstoff gewünscht ist, das Brennstoffsystem 220 bewirken, dass Brennstoff über einen längeren Zeitraum in den Ansaugkanal gelenkt wird (oder auf andere Weise so gesteuert wird, dass mehr Brennstoff pro Zyklus eingespritzt wird) als wenn eine magere Mischung gewünscht wäre. Die Bestimmung verschiedener Anteile von Bestandteilen in der der Mischung aus gasförmigem Brennstoff kann vom ECM 270 als Eingabe verwendet werden, um die Regulierung von Betätigungen des Motors zu unterstützen (z.B. um das Ansaugventil, das Abgasventil, das Brennstoffsystem 220, einen vom Motor angetriebenen Verbraucher usw. zu steuern).
  • Das DMM 252 und der Mikrocontroller 254 können dafür ausgelegt sein, die von den einzelnen Mikrosensoren 251 innerhalb der Mikrokammer 250 ungefähr alle 250 ms erzeugten Signale zu empfangen und einen oder mehrere thermodynamische Kennwerte der Mischung aus gasförmigem Brennstoff auf Basis der Signale zu berechnen. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass die Frequenz, mit der das DMM 252 und der Mikrocontroller 254 von den Mikrosensoren 251 erzeugte Signale empfangen können, abhängig davon variiert werden können, wie schnell jedes von den aufeinanderfolgenden Volumina einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu der Mikrokammer 250 geliefert und daraus entfernt werden kann. Die Frequenz, mit der Signale empfangen werden können, kann auch stark in Abhängigkeit davon variieren, wie lange ein Volumen gasförmigen Brennstoffs jeweils braucht, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, nachdem die mit den einzelnen Mikrosensoren assoziierten Mikroheizungen aktiviert worden sind. In der offenbarten Ausführungsform kann der thermodynamische Kennwert die systemische Wärmeleitfähigkeit (G) der Mischung aus gasförmigem Brennstoff sein. Andere Kennwerte können ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F), einen unteren Heizwert (LHV), einen Wobbelindex (WI), eine spezifische Dichte (Sg), eine Methanzahl (MN) und ein spezifisches Wärmeverhältnis (γ) einschließen. Der Mikrocontroller 254 kann die thermodynamischen Kennwerte unter Verwendung einer oder mehrerer empirischer Formeln berechnen, die in einem Speicher hinterlegt sind.
  • Der Mikrocontroller 254 und das ECM 270 können jeweils als einziger Prozessor oder als mehrere Prozessoren ausgeführt sein, der bzw. die eine Einrichtung zum Steuern eines Betriebs des Motorsystems einschließt bzw. einschließen. Zahlreiche im Handel erhältliche Prozessoren können die Funktionen des Mikrocontrollers 254 und des ECM 270 durchführen. Das ECM 270 kann auch einen Speicher zum Speichern von Daten, wie beispielsweise einer Betriebsbedingung, von Design-Beschränkungen, Leistungskennwerten oder Spezifikationen des Motorsystems, optionalen Anweisungen und entsprechenden Brennstoffmengenparametern einschließen oder einem solchen zugeordnet sein. Verschiedene andere Schaltkreise können dem ECM 270 zugeordnet sein, einschließlich einer Leistungsversorgungsschaltung, einer Signalkonditionierungsschaltung, einer Magnetantriebsschaltung, einer Kommunikationsschaltung und anderer geeigneter Schaltungen. Darüber hinaus kann das ECM 270 in der Lage sein, entweder über eine drahtgebundene oder eine drahtlose Übertragung mit anderen Komponenten des Motorsystems (z.B. mit den Ventilbetätigungsbaugruppen, dem Brennstoffsystem 220, dem Brennstoffmischventil 180, dem vom Motor angetriebenen Verbraucher usw.) zu kommunizieren, und somit kann das ECM 270 mit dem Motor verbunden oder alternativ dazu an einem davon entfernten Ort angeordnet sein.
  • Das ECM 270 kann dafür ausgelegt sein, einen Betrieb des Motors auf Basis der Brennstoffqualitätsparameter und der Zusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die vom Mikrocontroller 254 berechnet werden, anzupassen. Zum Beispiel kann das ECM 270 in der Lage sein, zu bewirken, dass Ansaug- und/oder Abgasventile sich in Bezug auf die Bewegung des Kolbens früher öffnen, länger offenbleiben und/oder sich mit einem anderen Hubbetrag öffnen. Diese Änderung der Ventilsteuerzeiten kann Auswirkungen haben auf eine Luft- und/oder Brennstoffmenge, die in die Brennkammer gelassen wird bzw. werden, und auf einen Druck, eine Temperatur, einen Wirkungsgrad und/oder auf Emissionen, der bzw. die sich daraus ergibt bzw. ergeben. Ebenso kann das ECM 270 in der Lage sein, zu bewirken, dass das Brennstoffsystem 220 zu jeder gewünschten Zeit mehr oder weniger Brennstoff in den Ansaugkanal (und/oder in die Brennkammer) abgibt, um dadurch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors zu ändern und eine resultierende Drehzahlausgabe, Leistungsausgabe, Effizienz, Emissionen usw. zu ändern. Das ECM 270 könnte auch in der Lage sein, eine Last des Motors zu ändern, beispielsweise durch Erhöhen oder Senken der Last. Das ECM 270 könnte sich auf andere Weise auf den Betrieb des Motors auswirken.
  • Das ECM kann einen Motorbetrieb auch auf Basis der thermodynamischen Kennwerte und der Zusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff anpassen, um einen Betrieb unter einem bestimmten Satz von Bedingungen zu verbessern. Das heißt, auf Basis der Kennwerte der Mischung aus gasförmigem Brennstoff kann das ECM 270 einen Motorbetrieb ändern, um schädliche Situationen (z.B. Motorklopfen, Überdruck, Übertemperatur usw.) zu vermeiden, einen Wirkungsgrad und/oder eine Leistungsausgabe zu verbessern und/oder andere von einem Anwender vorgegebene Ziele zu erreichen. 3 zeigt ein Ablaufschema, das ein Verfahren zum Erfassen und Steuern von Anteilen von Brenngasbestandteilen auf Basis eines thermodynamischen Kennwerts des Brennstoffs darstellt. 3 wird im folgenden Abschnitt ausführlicher erörtert werden, um die offenbarten Konzepte noch weiter zu veranschaulichen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das offenbarte System kann in Situationen industriell anwendbar sein, die eine Änderung einer Brennstoffzufuhr oder eine Mischung aus gasförmigem Brennstoff mit unbekannter Zusammensetzung beinhalten, wo ein fortgesetzter Betrieb des zugehörigen Motors bei hohen Leistungsgraden und mit verringerten Anteilen von Schadstoffen gewünscht ist. Das offenbarte System kann dazu beitragen, einen fortgesetzten Betrieb durch selektives Implementieren von motorschützenden Anpassungen auf Basis einer Änderung von Brennstoffqualitätsparametern, die vom System erfasst werden, sicherzustellen. Das offenbarte Motorsystem kann auch dazu beitragen, eine hohe Motorleistung sicherzustellen durch selektives Implementieren von Anpassungen der Mengen von einem oder mehreren Bestandteilen in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die zum Motor geliefert wird, um gewünschte Motorbetriebsparameter zu erreichen. Ein Beispielsprozess zum Erfassen und Steuern der Menge eines Bestandteils in der gasförmigen Kraftstoffmischung ist in 3 gezeigt.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann der erste Schritt (Schritt 310) das Strömenlassen einer Brenngasprobe in eine Sensorkammer (Mikrokammer 250) und das Halten der Brenngasprobe in der Mikrokammer 250 über eine Zeitspanne bei im Wesentlichen Nullgeschwindigkeit beinhalten. Wie oben erörtert wurde, kann das kleine Volumen der Mikrokammer 250 ermöglichen, dass ein thermisches Gleichgewicht rasch erreicht wird, beispielsweise in 250 ms oder weniger, wodurch es möglich ist, dass das System eine rasche Abfolge von Gasproben für die Bestimmung eines jeweiligen thermodynamischen Kennwerts und einer Zusammensetzung des Gases bewirkt.
  • Der zweite Schritt (Schritt 320) kann das Anlegen eines anderen Stroms (Iheater) und/oder einer anderen Spannung (Vheater) an eine Mikroheizung, die dem jeweiligen spezifischen Mikrosensor 251 in der Mikrokammer 250 zugeordnet ist, beinhalten, um an jedem von den Mikrosensoren 251 eine andere Heizungstemperatur zu erzeugen. Nachdem die einzelnen Mikroheizungen und das umgebende Gas ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben, kann der dritte Schritt (Schritt 330) das Bestimmen einer systemischen Leitfähigkeit (G) als Funktion der Heizungswiderstände (Rheater) und einer Thermosäulenspannungsausgabe (Voutput) am Substrat jedes Mikrosensors einschließen. Wie oben erörtert wurde, gilt für die systemische Wärmeleitfähigkeit: G = (SVheater Iheater)/Voutput. S ist die Empfindlichkeit der Thermosäule oder einer anderen Temperaturerfassungsvorrichtung. Die Temperatur kann von einer Thermosäule, einem oder mehreren Thermoelementen oder einer anderen Temperaturerfassungsvorrichtung gemessen werden.
  • Nach einer Bestimmung der systemischen Wärmeleitfähigkeit G kann der vierte Schritt (Schritt S340) das Korrelieren der systemischen Leitfähigkeit G, der Heizungstemperatur T und der Thermosäulenausgangsspannung Voutput, gemessen bei den unterschiedlichen Heizungsspannungen (Vheater) und -strömen (Iheater), mit Brenngasparametern und -bestandteilen beinhalten. Das dynamische Metrologiemodul (DMM) 252, der Mikrocontroller 254 und das Motorsteuermodul 270 können dann die korrelierten Brenngaskennwerte im fünften Schritt (Schritt 350) verwenden, um die Erzeugung von H2, welcher der Brenngasmischung zugeführt werden soll, unter Verwendung eines katalytischen partiellen Oxidations(CPOx)-Reformierungsprozesses zu steuern. Die Zugabe von H2 zu der Mischung aus gasförmigem Brennstoff kann die Wärmeeffizienz und die Verbrennungsstabilität der Mischung aus gasförmigem Brennstoff verbessern oder die Leistung des Motors verbessern und gleichzeitig die Emissionen verringern.
  • Das offenbarte System kann mehrere Vorteile bereitstellen. Erstens kann das offenbarte System relativ einfach sein, da es nur eine Art von Mikrosensor aufweist, z.B. einen Mikrosensor, der in der Lage ist, die Wärmeleitfähigkeit eines Gases zu erfassen. Diese Einfachheit kann dazu beitragen, die Kosten für das System 100 zu verringern. Außerdem kann durch gleichzeitiges Bestimmen von thermodynamischen Eigenschaften der Mischung aus gasförmigem Brennstoff an mehreren Stellen innerhalb einer Mikrokammer 150, 250 eine Genauigkeit der Messung erhöht werden. Genauer wurde eine theoretische Genauigkeit für ein System berechnet, das 4 Mikrosensoren 251 innerhalb einer Mikrokammer 250 verwendet, wobei jeder der 4 Mikroheizungen der 4 Mikrosensoren 251 elektrische Leistung zugeführt wird, was dazu führt, dass Temperaturen an den einzelnen Mikrocontrollern 98, 158, 218 und 278 °C betragen. Die simulierte Fähigkeit dieses Systems wurde unter Verwendung einer allgemeinen Gasgleichung bestimmt, um eine Berechnung der Molprozent von H2, CO, CO2, CH4, und N2 mit einer Genauigkeit von weniger als ±1 % über einem gesamten Messbereich zu ermöglichen (wobei die Genauigkeit über dem gesamten Messbereich (full scale accuracy, FS) die beste Anpassung an eine gerade Linie unter Verwendung einer linearen Partial-Least-Squares(PLS)-Regressionsmethode ist. Da nur eine einzige thermodynamische Eigenschaft nötig ist, um eine Zusammensetzung einer entsprechenden Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu bestimmen, kann das System gut ansprechen und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in unbeständigen Systemen eröffnen.
  • Es wird für einen Fachmann auf der Hand liegen, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem System der vorliegenden Offenbarung vornehmbar sind. Andere Ausführungen des Systems werden für den Fachmann nach Betrachtung der Beschreibung und der hierin offenbarten praktischen Umsetzung klarwerden. Die Beschreibung und die Beispiele sind lediglich als beispielhaft anzusehen, wobei der wahre Schutzbereich der Offenbarung durch die folgenden Patentansprüche und ihre Äquivalente angegeben wird.

Claims (10)

  1. System (100) zur Erfassung und Steuerung einer Brenngaszusammensetzung, wobei das System umfasst: mehrere Mikrosensoren (251), die in einer einzigen Kammer (250) eingebaut sind, wobei jeder von den Mikrosensoren (251) dafür ausgelegt ist, einen Kennwert einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die in die Kammer (250) eingeleitet wird, zu erfassen; mehrere Heizelemente, wobei jedes von den Heizelementen einem von den mehreren Mikrosensoren (251) zugeordnet ist und die mehreren Heizelemente dafür ausgelegt sind, gleichzeitig eine Temperatur der Mischung aus gasförmigem Brennstoff an jedem von den mehreren Mikrosensoren (251) auf ein an jedem der Mikrosensoren (251) jeweils anderes Temperaturniveau zu erhöhen; und einen Mikroprozessor (254), der ausgelegt ist zum: Bestimmen einer thermodynamischen Eigenschaft der Mischung aus gasförmigem Brennstoff bei den unterschiedlichen Temperaturniveaus an jedem der Mikrosensoren (251) als Funktion des von den einzelnen Mikrosensoren erfassten Kennwerts; Korrelieren der thermodynamischen Eigenschaft mit einer Brenngaszusammensetzung der Mischung aus gasförmigem Brennstoff; und Steuern einer Menge von mindestens einem Bestandteil in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff als Funktion der Brenngaszusammensetzung, die durch Korrelieren bestimmt worden ist.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die thermodynamische Eigenschaft eine Wärmeleitfähigkeit der Mischung aus gasförmigem Brennstoff ist.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Mikroprozessor (254) dafür ausgelegt ist, die thermodynamische Eigenschaft als Funktion einer Spannung und/oder eines Stroms zu bestimmen, die bzw. der an die einzelnen Heizelemente angelegt wird, die den einzelnen Mikrosensoren (251) zugeordnet sind.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der Mikroprozessor dafür ausgelegt ist, die thermodynamische Eigenschaft als Funktion einer elektrischen Leistung, die in jedes von den mehreren Heizelementen eingespeist wird, und einer Temperatur, die an jedem der zugeordneten Mikrosensoren (251) erfasst wird, zu bestimmen.
  5. System nach Anspruch 4, wobei der Mikroprozessor (254) dafür ausgelegt ist, ein Spannungssignal zu empfangen, das eine Temperatur angibt, die von einem Thermoelement, das auf einem Substrat von jedem der Mikrosensoren (251) angeordnet ist, erfasst wird, nachdem die Mischung aus gasförmigem Brennstoff an jedem der Mikrosensoren (251) im Anschluss an die Einspeisung elektrischer Leistung in jedes von den mehreren Heizelementen ein thermisches Gleichgewicht erreicht hat.
  6. System nach Anspruch 1, wobei der Mikroprozessor dafür ausgelegt ist, eine H2-Menge in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu steuern.
  7. System nach Anspruch 6, wobei der Mikroprozessor ausgelegt ist zum: Steuern einer Erzeugung der H2-Menge zum Steuern eines katalytischen Teiloxidationsprozesses, der von einem Reformer durchgeführt wird, um H2 zu erzeugen; und Steuern einer Zugabe des vom Reformer erzeugten H2 zu der Mischung aus gasförmigem Brennstoff.
  8. System nach Anspruch 1, wobei der Mikroprozessor ferner dafür ausgelegt ist, einen Betriebsparameter eines Verbrennungsmotors, der dafür ausgelegt ist, die Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu verbrennen, zumindest zum Teil auf Basis der Menge des mindestens einen Bestandteils in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff zu steuern.
  9. System nach Anspruch 8, wobei der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors mindestens eine(s) der folgenden ist: ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis, eine Zündzeit, eine Kraftstoffeinspritzzeit, eine Kraftstoffeinspritzmenge oder eine Last des Verbrennungsmotors.
  10. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, umfassend: Umleiten aufeinanderfolgender Portionen einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, in eine Mikrokammer (250); vorübergehend Halten jeder der aufeinanderfolgenden Portionen in einem im Wesentlichen ruhigen Zustand in der Mikrokammer (250); Erhitzen jeder der aufeinanderfolgenden Portionen der Mischung aus gasförmigem Brennstoff gleichzeitig auf mehrere unterschiedliche Temperaturniveaus an mehreren unterschiedlichen, voneinander beabstandeten Stellen innerhalb der Mikrokammer (250); Bestimmen einer Gesamt-Wärmeleitfähigkeit für jede von den aufeinanderfolgenden Portionen; und selektives Anpassen eines Anteils eines Bestandteils, der in der Mischung aus gasförmigem Brennstoff vorhanden ist, und eines Steuerungsparameters des Verbrennungsmotors auf Basis der Wärmeleitfähigkeit.
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