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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Motorsteuerungssystem und genauer auf ein Motorsteuerungssystem mit einer drehzahlbasierten Zeitsteuerung.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren werden häufig für Energieerzeugungsanwendungen verwendet. Diese Motoren können gasgetrieben sein und eine Magerverbrennung realisieren, während der die Luft/Kraftstoffverhältnisse höher als bei herkömmlichen Motoren sind. Beispielsweise können diese Gasmotoren ungefähr 75% mehr Luft zulassen als theoretisch für eine stöchiometrische Verbrennung erforderlich ist. Magerverbrennungsmotoren erhöhen den Kraftstoffwirkungsgrad, da sie zum Verbrennen von weniger Kraftstoff als ein herkömmlicher Motor eine homogene Mischung verwenden und die gleiche Leistungsausgabe erzeugen.
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Obwohl die Verwendung der Magerverbrennung den Wirkungsgrad erhöhen kann, können Gasmotoren von den Schwankungen der Verbrennungsdrücke zwischen den Zylindern des Motors begrenzt werden. Gasmotoren sind üblicherweise Lademotoren mit Vormischung, bei denen Luft und Kraftstoff im Inneren eines Einlassverteilers gemischt werden und dann in eine Brennkammer des Motors gelassen werden. Schwankungen des Verbrennungsdrucks ergeben sich daraus, dass in manche Zylinder mehr Luft/Kraftstoffmischung gelassen wird als in andere Zylinder. Diese ungleichmäßige Verteilung der Luft/Kraftstoffmischung kann zu Nestern der Luft/Kraftstoffmischung führen, die außerhalb des Bereichs der normalen Verbrennung verbrennen, was die Neigung des Motors erhöht, zu klopfen. Die Schwankungen des Verbrennungsdrucks können zu Zylinderdrücken führen, die deutlich höher als die Durchschnittsspitzenzylinderdrücke sind, die üblicherweise im Inneren des Motors beobachtet werden. Und da die deutlich höheren Zylinderdrücke bewirken können, dass der Motor unrund läuft, ist zum Ausgleichen der Druckschwankungen eine Fehlertoleranz erforderlich. Demzufolge kann es erforderlich sein, dass der Motor zum Ausgleichen der Druckschwankung zwischen den Zylindern auf einem Niveau ausreichend weit unterhalb seiner Belastungsgrenze arbeitet, wodurch die Tragzahl des Motors absinkt. Außerdem können die Druckschwankungen eine Schwankung des Motordrehmoments und der -drehzahl bewirken, die für einige Anwendungen zum Erzeugen von elektrischer Energie unerwünscht sind.
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Ein Ansatz zum Reduzieren der Druckschwankungen im Inneren eines Motors ist in dem
US-Patent Nr. 5,027,769 (dem ’769-Patent) beschrieben, das Yoshida et al. erteilt wurde. Das ’769-Patent offenbart ein Motorsystem mit einem Lufteinlass. Der Lufteinlass umfasst mehrere Einlasskanäle, wobei jeder Einlasskanal ein Drosselventil aufweist. Das ’769-Patent offenbart auch eine Steuervorrichtung und eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von Unregelmäßigkeiten des Drosselventilbetriebs. Die Steuervorrichtung passt den Betrieb der Drosselventile basierend auf einer Eingabe der Erfassungsvorrichtung an, wodurch eine dem Motor zugeführte Menge einer Luft/Kraftstoffmischung angepasst wird. Durch diese Anpassung kann dem Motor eine geeignete Menge einer Luft/Kraftstoffmischung zugeführt werden, wodurch ein Sollverbrennungsdruck trotz des Auftretens der Unregelmäßigkeiten in einem der mehreren Einlasskanälen beibehalten werden kann.
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Obwohl die Steuervorrichtung des ’769-Patents mehrere Drosselventile basierend auf erfassten Daten bezüglich des unregelmäßigen Betriebs steuern kann, kann die Vorrichtung eine Verzögerung zwischen einer Anpassung der Drosselventile und einer entsprechenden Änderung der den Zylindern zugeführten Menge einer Luft/Kraftstoffmischung erfahren. Die Verzögerung kann auftreten, da es eine Zeit wie beispielsweise ungefähr 3–5 Sekunden zwischen einer Anpassung eines Drosselventils und einer entsprechenden Änderung des Verbrennungsdrucks braucht, um im Inneren der Zylinder in Erscheinung zu treten. Die Verzögerung kann das Ansprechen des Motors auf Anpassungen an der Motordrehzahl verringern, was für den Betrieb unerwünscht sein kann.
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Überwinden eines oder mehrerer der obigen Nachteile und/oder Mängel der existierenden Technologie.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt bezieht sich die Offenbarung auf ein Steuerungssystem für einen Motor mit einem Zylinder. Das Steuerungssystem weist ein zum Regeln einer Fluidströmung des Zylinders bewegliches Motorventil und einen dem Motorventil zugeordneten Aktor auf. Das Steuerungssystem weist auch eine mit dem Aktor in Verbindung stehende Steuerung auf. Die Steuerung ist zum Empfangen eines eine Motordrehzahl angebenden Signals und zum Vergleichen des Motordrehzahlsignals mit einer Sollmotordrehzahl ausgebildet. Die Steuerung ist auch zum wahlweisen Regeln des Aktors zum Anpassen einer Zeitsteuerung des Motorventils zum Steuern einer denn Zylinder zugeführten Luft/Kraftstoffmischung basierend auf dem Vergleich ausgebildet.
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Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die Offenbarung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Motors. Das Verfahren umfasst ein Regeln einer Fluidströmung eines Zylinders des Motors über ein dem Zylinder zugeordnetes Ventil und ein Empfangen eines eine Motordrehzahl angebendes Signals. Das Verfahren umfasst auch ein Vergleichen des Motordrehzahlsignals mit einer Sollmotordrehzahl und ein wahlweises Regeln einer Zeitsteuerung des Ventils zum Steuern einer dem Zylinder zugeführten Menge einer Luftfkraftstoffmischung basierend auf dem Vergleich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine bildhafte Darstellung eines beispielhaft offenbarten Generatorsatzes,
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2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaft offenbarten, dem Generatorsatz der 1 zugeordneten Motorsystems, und
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3 ist ein beispielhaft offenbartes, dem Betrieb des Motorsystems der 2 zugeordnetes Kurvenbild.
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Detaillierte Beschreibung
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1 stellt einen Generatorsatz (Genset) 10 mit einer zum mechanischen Drehen eines Generators 14, der einem (nicht gezeigten) externen Verbraucher elektrische Energie zuführt, gekoppelten Antriebsmaschine 12 dar. Der Generator 14 kann beispielsweise ein Wechselstrominduktionsgenerator, ein Permanentmagnetgenerator, ein Wechselstromsynchrongenerator oder ein geschalteter Reluktanzgenerator sein. Bei einer Ausführungsform kann der Generator 14 mehrere (nicht gezeigte) Polpaare aufweisen, wobei jedes Paar drei zum Erzeugen eines Wechselstroms mit einer Frequenz von ungefähr 50 und/oder 60 Hz an einem Umfang eines (nicht gezeigten) Stators angeordnete Phasen aufweist. Die von dem Generator 14 erzeugte elektrische Energie kann für externe Zwecke dem externen Verbraucher zugeführt werden.
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Die Antriebsmaschine 12 kann ein Motorsystem 100 aufweisen, wie in 2 dargestellt ist. Das Motorsystem 100 kann einen Motor 105, ein variables Ventilbetätigungssystem 110, ein Einlasssystem 115, ein Auslasssystem 120 und ein Steuerungssystem 125 aufweisen. Das Einlasssystem 115 kann dem Motor 105 Luft und/oder Kraftstoff zuführen, während das Auslasssystem 120 die Verbrennungsgase aus dem Motor 105 in die Atmosphäre leiten kann. Das variable Ventilbetätigungssystem 110 kann zum Beeinflussen einer Fluidströmung des Motors 105 eine Ventilzeitsteuerung des Motors 105 ändern. Das Steuerungssystem 125 kann einen Betrieb des variablen Ventilbetätigungssystems 110, des Einlasssystems 115 und/oder des Auslasssystems 120 steuern.
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Der Motor 105 kann ein Viertaktdiesel-, -benzin- oder -gasmotor sein. Daher kann der Motor 105 einen mehrere Zylinder 135 (von denen einer in 2 gezeigt ist) wenigstens teilweise definierenden Motorblock 130 aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform der 1 ist der Motor 105 gezeigt, dass er sechs Zylinder 135 aufweist. Man beachte jedoch, dass der Motor 105 eine höhere oder niedrigere Anzahl an Zylindern 135 aufweisen kann und dass die Zylinder 135 in einer „Reihen”-Konfiguration, einer „V”-Konfiguration oder in jeder anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Ein Kolben 140 kann im Inneren jedes Zylinders 135 verschiebbar angeordnet sein, so dass er sich während eines Einlasstaktes, eines Verdichtungstaktes, eines Verbrennungs- oder Arbeitstaktes und eines Auslasstaktes zwischen einer oberen Totpunkt-(TDC)-Stellung und einer unteren Totpunkt-(BDC)-Stellung hin- und herbewegt. Unter Rückkehr zur 2 können die Kolben 140 über mehrere Pleuelstangen 150 mit einer Kurbelwelle 145 wirkverbunden sein. Die Kurbelwelle 145 kann im Inneren des Motorblocks 130 drehbar angeordnet sein und die Pleuelstangen 150 können jeden Kolben 140 mit der Kurbelwelle 145 verbinden, so dass eine Hin- und Herbewegung jedes Kolbens 140 zu einer Drehung der Kurbelwelle 145 führt. Ähnlich kann eine Drehung der Kurbelwelle 145 zu einer Verschiebebewegung jedes Kolbens 140 zwischen der TDC- und der BDC-Stellung führen. Wie in dem unteren Bereich des Kurvenbilds der 3 gezeigt ist, kann sich der Kolben 140 zum Ansaugen von Luft und/oder Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder 135 während des Einlasstaktes aus der TDC-Stellung (ein Kurbelwinkel von ungefähr 0 Grad) in die BDC-Stellung (ein Kurbelwinkel von ungefähr 180 Grad) bewegen. Der Kolben 140 kann dann in die TDC-Stellung (ein Kurbelwinkel von ungefähr 360 Grad) zurückkehren, wodurch während des Verdichtungstaktes die Luftfkraftstoffmischung verdichtet wird. Die verdichtete Luft/Kraftstoffmischung kann sich entzünden, was bewirkt, dass sich der Kolben 140 während des Arbeitstaktes zurück in die BDC-Stellung (ein Kurbelwinkel von ungefähr 540 Grad) bewegt. Der Kolben 140 kann dann zum Herausdrücken des Abgases aus dem Zylinder 135 während des Auslasstaktes in die TDC-Stellung (ein Kurbelwinkel von ungefähr 720 Grad) zurückkehren.
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Ein oder mehrere Zylinderköpfe 155 können zum Bilden mehrerer Brennkammern 160 mit dem Motorblock 130 verbunden sein. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Zylinderkopf 155 mehrere integral in diesem ausgebildete Einlasskanäle 162 und Auslasskanäle 163 aufweisen. Ein oder mehrere Einlassventile 165 können jedem Zylinder 135 zugeordnet sein und zum wahlweisen Verhindern einer Strömung zwischen den Einlasskanälen 162 und den Brennkammern 160 beweglich sein. Es können auch ein oder mehrere Auslassventile 170 jedem Zylinder 135 zugeordnet sein und zum wahlweisen Verhindern einer Strömung zwischen den Brennkammern 160 und den Auslasskanälen 163 beweglich sein. Zusätzliche Motorbauteile können in dem Zylinderkopf 155 angeordnet sein, wie beispielsweise mehrere Zündkerzen 172, die eine Luft/Kraftstoffmischung in den Brennkammern 160 entzünden.
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Der Motor 105 kann mehrere Ventilbetätigungsanordnungen 175 aufweisen, die die Bewegung der Einlassventile 165 und/oder der Auslassventile 170 beeinflussen, um dazu beizutragen, ein Motorklopfen zu minimieren. Jeder Zylinder 135 kann eine zugeordnete Ventilbetätigungsanordnung 175 aufweisen. Unter Rückkehr zur 2 kann jede Ventilbetätigungsanordnung 175 einen Kipphebel 180 aufweisen, der zum Bewegen eines Paars Einlassventile 165 über eine Brücke 182 verbunden ist. Der Kipphebel 180 kann an dem Zylinderkopf 155 an einem Drehpunkt 185 montiert sein und mittels eines Stößels 190 mit einer drehbaren Nockenwelle 200 verbunden sein. Die Nockenwelle 200 kann von der Kurbelwelle 145 wirkangetrieben sein und kann mehrere Nocken 195 aufweisen, die die Stößel 190 berühren und bewegen.
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Wenn sich die Kolben 140 während der vier Takte des Verbrennungszyklus bewegen (d. h. Einlassen, Verdichten, Arbeiten und Auslassen), kann die Kurbelwelle 145 zum Bewegen der Einlassventile 165 und/oder der Auslassventile 170 jede Ventilbetätigungsanordnung 175 zyklisch antreiben. Wie in 3 gezeigt ist, kann die Ventilbetätigungsanordnung 175 bewirken, dass die Einlassventile 165 während des Einlasstaktes des Kolbens 140 öffnen. Eine Betätigung der Einlassventile 165 kann allgemein dem in dem oberen Bereich des Kurvenbilds der 3 gezeigten Profil 201 folgen. Das Einlassventil 165 kann während des Einlasstaktes beispielsweise bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 690° bis ungefähr 0° öffnen und kann bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 210° schließen. Die Einlassventile 165 können aus einer geschlossenen Stellung in eine maximal offene Stellung, während der die Luft/Kraftstoffmischung in die Brennkammer 160 gelassen werden kann, verstellt werden.
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Ein Ändern eines Schließens des Einlassventils 165 kann eine Menge einer eingeschlossenen Masse, die im Inneren des Zylinders 135 eingeschlossen sein kann, und/oder einen Verbrennungsdruck des Zylinders 135 verändern. Wie durch eine Kurvenschar 207 in 3 gezeigt ist, kann ein Schließen des Einlassventils 165 während des Einlass- und/oder des Verdichtungstaktes um jede geeignete Größe wahlweise geändert werden. Wenn das Einlassventil 165 innerhalb der Kurvenschar 207 geschlossen wird, kann das Einlassventil 165 wahlweise vorverstellt und/oder spätverstellt werden. Wenn das Einlassventil 165 innerhalb der Kurvenschar 207 vorverstellt wird (d. h. das Schießen wird angepasst, dass es von dem Profil 201 weiter weg ist), kann weniger Luft/Kraftstoffmischung im Inneren des Zylinders 135 eingeschlossen werden, was zu einer Abnahme der Druckanstiegsgeschwindigkeit und/oder der Druckgröße im Inneren des Zylinders 135 führt. Wenn das Einlassventil 165 innerhalb der Kurvenschar 207 spätverstellt wird (d. h. das Schließen wird in Richtung zu dem Profil 201 angepasst), kann mehr Luft/Kraftstoffmischung im Inneren des Zylinders 135 eingeschlossen werden, was zu einem Anstieg der Druckanstiegsgeschwindigkeit und/oder der Druckgröße im Inneren des Zylinders 135 führt. Das Einlassventil 165 kann auch während des Einlass- und/oder des Verdichtungstaktes um jede geeignete Größe innerhalb der Kurvenschar 209, die in 3 gezeigt ist, wahlweise verändert werden. Wenn das Einlassventil 165 innerhalb der Kurvenschar 209 geschlossen wird, kann das Schließen wahlweise vorverstellt und/oder spätverstellt werden. Wenn das Einlassventil 165 innerhalb der Kurvenschar 209 spätverstellt wird (d. h. das Schließen wird angepasst, dass es von dem Profil 201 weiter weg ist), kann weniger Luft/Kraftstoffmischung im Inneren des Zylinders 135 eingeschlossen werden, was zu einer Abnahme der Druckanstiegsgeschwindigkeit und/oder der Druckgröße im Inneren des Zylinders 135 führt. Wenn das Einlassventil 165 innerhalb der Kurvenschar 209 vorverstellt wird (d. h. das Schließen wird in Richtung zu dem Profil 201 angepasst), kann mehr Luft/Kraftstoffmischung im Inneren des Zylinders 135 eingeschlossen werden, was zu einer Zunahme der Druckanstiegsgeschwindigkeit und/oder der Druckgröße im Inneren des Zylinders 135 führt.
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Ein Ändern des Schließens der Einlassventile 165 kann ähnlich einem Drosselventil eine Motordrehzahl und -drehmoment des Motors 105 beeinflussen, aber mit einem schnelleren Ansprechen als ein Drosselventil. Wenn beispielsweise das Schließen des Einlassventils 165 innerhalb der Kurvenschar 207 vorverstellt wird oder innerhalb der Kurvenschar 209 spätverstellt wird, kann die Menge der im Inneren der Zylinder 135 eingeschlossenen Masse abnehmen (d. h. die Menge der den Zylindern 135 zugeführten Luft/Kraftstoffmischung kann verringert werden), was einen ähnlichen Effekt wie ein Verkleinern einer Öffnung eines Drosselventils auf die Zylinder 135 hat, aber mit einer schnelleren Ansprechzeit. Das Schließen des Einlassventils 165 kann dadurch weg von einem Profil des Einlassventils 165 mit einer Zeitsteuerung, die nicht verändert wurde, angepasst werden (d. h. weg von dem nicht angepassten Profil 201), wenn die Motordrehzahl höher als erwünscht ist. Da die Menge der den Zylindern 135 zugeführten Luft/Kraftstoffmischung über die Einlassventile 165 verringert wird, kann es eine unverzügliche Abnahme der Motordrehzahl des Motors 105 geben. Eine Drehzahl des Motors 105 kann dadurch im Wesentlichen unverzüglich verringert werden.
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Im Gegensatz dazu kann, wenn das Schließen des Einlassventils 165 innerhalb der Kurvenschar 207 spätverstellt wird oder innerhalb der Kurvenschar 209 vorverstellt wird, die Menge der im Inneren der Zylinder 135 eingeschlossenen Masse zunehmen (d. h. die Menge der den Zylindern 135 zugeführten Luft/Kraftstoffmischung kann erhöht werden), was einen ähnlichen Effekt wie ein Vergrößern einer Öffnung eines Drosselventils auf die Zylinder 135 hat, aber mit einer schnelleren Ansprechzeit. Das Schließen des Einlassventils 165 kann dadurch in Richtung zu einem Profil des Einlassventils 165 mit einer Zeitsteuerung, die nicht verändert wurde, angepasst werden (d. h. in Richtung zu dem nicht angepassten Profil 201), wenn die Motordrehzahl des Motors 105 niedriger als erwünscht ist. Da die Menge der den Zylindern 135 zugeführten Luft/Kraftstoffmischung über die Einlassventile 165 erhöht wird, kann es eine unverzügliche Zunahme der Motordrehzahl des Motors 105 geben. Eine Motordrehzahl des Motors 105 kann dadurch im Wesentlichen unverzüglich erhöht werden.
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Man beachte, dass ein Öffnen des Auslassventils 170 zusätzlich oder alternativ vorverstellt oder spätverstellt werden kann. Wie in 3 dargestellt ist, kann ein Öffnen des Auslassventils 170 während Teilen des Verdichtungs- und/oder Arbeitstaktes wahlweise vorverstellt oder zusätzlich geöffnet werden. Da während des Verdichtungs- und/oder Arbeitstaktes mehr Luft/Kraftstoffmischung aus dem Zylinder 135 entweichen kann, wenn das Öffnen des Auslassventils 170 vorverstellt wird, oder während eines zusätzlichen Öffnens, kann die Menge der im Inneren des Zylinders 135 eingeschlossenen Masse abnehmen. Das Öffnen des Auslassventils 170 kann auch während Teilen des Verdichtungs- und/oder Arbeitstaktes wahlweise spätverstellt werden. Da weniger Luft/Kraftstoffmischung aus dem Zylinder 135 entweichen kann, wenn das Öffnen des Auslassventils 170 spätverstellt wird, kann die Menge der im Inneren des Zylinder 135 eingeschlossenen Masse ansteigen.
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Das variable Ventilbetätigungssystem 110 kann mehrere variable Ventilbetätigungsvorrichtungen 202 aufweisen, die zum Anpassen der Zeitsteuerungen der Einlassventile 165 und/oder der Auslassventile 170 ausgebildet sind, um die Motordrehzahl und das -drehmoment anzupassen. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, kann die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 an einem Ventilgehäuse 205 des Motors 105 angebracht sein und/oder von diesem umgeben sein. Jeder Zylinder 135 kann eine zugeordnete variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 aufweisen. Die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 kann wahlweise eine Öffnungszeitsteuerung, eine Schließzeitsteuerung und/oder eine Hubgröße der Einlassventile 165 und/oder der Auslassventile 170 anpassen. Die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 kann jede geeignete Vorrichtung zum Verändern einer Ventilzeitsteuerung sein, wie beispielsweise eine hydraulische, pneumatische oder mechanische Vorrichtung.
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Bei einem Beispiel kann die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 zum wahlweisen Trennen einer Bewegung des Einlass- und/oder des Auslassventils 165, 170 von einer Bewegung des Kipphebels 180 mit dem Kipphebel 180, dem Einlassventil 165 und/oder dem Auslassventil 170 wirkverbunden sein. Beispielsweise kann die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 zum Zuführen von Hydraulikfluid bei beispielsweise einem niedrigen oder hohen Druck in einer Weise, dass sie gegen das Schließen des Einlassventils 165 Widerstand leistet, wahlweise betrieben werden. D. h., nachdem die Ventilbetätigungsanordnung 175 das Einlassventil 165 und/oder das Auslassventil 170 nicht länger offen hält, kann das Hydraulikfluid in der variablen Ventilbetätigungsvorrichtung 202 das Einlassventil 165 und/oder das Auslassventil 170 für einen gewünschten Zeitraum offen halten. Ähnlich kann das Hydraulikfluid zum Vorverstellen eines Schließens des Einlassventils 165 und/oder des Auslassventils 170 verwendet werden, so dass das Einlassventil 165 und/oder das Auslassventil 170 früher als die von der Ventilbetätigungsanordnung 175 beeinflusste Zeitsteuerung schließt. Alternativ kann das Einlass- und/oder Auslassventil 165, 170 lediglich von der variablen Ventilbetätigungsvorrichtung 202 ohne die Verwendung von Nocken und/oder Kipphebeln bewegt werden, falls erwünscht.
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Die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 kann während der verschiedenen Takte des Motors 105 wahlweise ein Schließen des Einlass- und/oder des Auslassventils 165, 170 vorverstellen oder spätverstellen. Das Einlassventil 165 kann beispielsweise bei einem Kurbelwinkel zwischen ungefähr 180° und ungefähr 210° früh geschlossen werden. Das Steuerungssystem 125 kann auch die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 zum Spätverstellen eines Schließens des Einlassventils 165 steuern. Das Einlassventil 165 kann beispielsweise bei einem Kurbelwinkel zwischen ungefähr 210° und ungefähr 300° geschlossen werden. Das Auslassventil 170 kann verändert werden, dass es bei einem Kurbelwinkel zwischen ungefähr 510° und ungefähr 570° öffnet, und kann verändert werden, dass es bei einem Kurbelwinkel zwischen ungefähr 700° und ungefähr 60° schließt. Das Auslassventil 170 kann auch bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 330° geöffnet werden und kann bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 390° geschlossen werden. Das Steuerungssystem 125 kann jede variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 zum Verändern der Ventilzeitsteuerung jedes Zylinders 135 unabhängig von der Ventilzeitsteuerung der anderen Zylinder 135 steuern. Das Steuerungssystem 125 kann dadurch unabhängig ein Drosseln jedes Zylinders 135 durch lediglich Verändern einer Zeitsteuerung der Einlassventile 165 und/oder der Auslassventile 170 steuern.
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Unter Rückkehr zur 2 kann das Einlasssystem 115 Luft und/oder Kraftstoff in die Brennkammern 160 leiten und kann einen einzigen Kraftstoffinjektor 210, einen Verdichter 215 und einen Einlassverteiler 220 aufweisen. Der Verdichter 215 kann eine Luft/Kraftstoffmischung aus dem Kraftstoffinjektor 210 verdichten und dem Einlassverteiler 220 zuführen.
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Der Verdichter 215 kann über eine Leitung 225 Umgebungsluft in das Einlasssystem 115 saugen, die Luft verdichten und die verdichtete Luft über eine Leitung 230 dem Einlassverteiler 220 zuführen. Diese Zufuhr der verdichteten Luft kann dazu beitragen, eine natürliche Begrenzung von Verbrennungsmotoren durch Beseitigen eines Bereichs niedrigen Drucks im Inneren der Zylinder 135, das von einem Hub der Kolben 140 nach unten erzeugt wird, zu überwinden. Daher kann der Verdichter 215 den volumetrischen Wirkungsgrad im Inneren der Zylinder 135 erhöhen, was ermöglicht, dass mehr Luftfkraftstoffmischung verbrannt wird, was zu einer größeren Leistungsausgabe von dem Motor 105 führt. Man beachte, dass dem Verdichter 215 zum weiteren Erhöhen der Dichte der Luft/Kraftstoffmischung ein Kühler zugeordnet werden kann, falls erwünscht.
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Der Kraftstoffinjektor 210 kann zum Bilden einer Luft/Kraftstoffmischung Kraftstoff bei einem niedrigen Druck in die Leitung 225 stromaufwärts des Verdichters 215 einspritzen. Der Kraftstoffinjektor 210 kann zum im Wesentlichen Erreichen eines gewünschten Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnisses der Luft/Kraftstoffmischung wahlweise von dem Steuerungssystem 125 zum Einspritzen einer Kraftstoffmenge gesteuert werden. Die variable Ventilbetätigungsvorrichtung 202 kann zum Steuern einer den Zylindern 135 zugeführten Menge einer Luft/Kraftstoffmischung eine Zeitsteuerung der Einlassventile 165 und/oder der Auslassventile 170 steuern.
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Das Auslasssystem 120 kann Abgase aus dem Motor 105 in die Atmosphäre leiten. Das Auslasssystem 120 kann eine über eine Leitung 245 mit den Auslasskanälen 163 des Zylinderkopfs 155 verbundene Turbine 235 aufweisen. Das durch die Turbine 235 strömende Abgas kann bewirken, dass sich die Turbine 235 dreht. Die Turbine 235 kann dann diese mechanische Energie auf den Antriebsverdichter 215 übertragen, wobei der Verdichter 215 und die Turbine 235 einen Turbolader 250 bilden. Bei einer Ausführungsform kann die Turbine 235 eine variable Geometrieanordnung 255 aufweisen, wie beispielsweise positionsveränderliche Schaufeln oder einen beweglichen Düsenring. Die variable Geometrieanordnung 255 kann zum Beeinflussen des Drucks der von dem Verdichter 215 dem Einlassverteiler 220 zugeführten Luft/Kraftstoffmischung angepasst werden. Die Turbine 235 kann über eine Leitung 260 mit einem Abgasauslass verbunden sein. Man beachte, dass der Turbolader 250 durch jedes andere geeignete, im Stand der Technik bekannte Zwangansaugsystem ersetzt werden kann, wie beispielsweise einen Lader, falls erwünscht.
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Das Steuerungssystem 125 kann eine zum Steuern der Funktion der verschiedenen Bauteile des Motorsystems 100 als Antwort auf eine Eingabe von einem oder mehreren Sensoren 272 ausgebildete Steuerung 270 aufweisen. Die Sensoren 272 können Motorparameter messen, wie beispielsweise Motorleistung, -drehmoment und -drehzahl. Die Motordrehzahl kann durch jedes im Stand der Technik bekannte Verfahren gemessen werden, wie beispielsweise durch mechanisches Messen einer Drehung von einem oder mehreren Motorbauteilen. Die Sensoren 272 können auch zum Überwachen eines einen Druck im Inneren der Zylinder 135 angebenden Motorparameters ausgebildet sein (d. h. Robustheit, Druck und/oder Temperatur eines Verbrennungsereignisses).
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Basierend auf den Signalen, kann die Steuerung 270 einen Motorparameter, wie beispielsweise eine Motordrehzahl des Motors 105, ermitteln. Die Steuerung 270 kann die Motordrehzahlsignale mit einer Sollmotordrehzahl vergleichen. Die Sollmotordrehzahl kann ein vorbestimmter Wert sein, wie beispielsweise ein auf einem Motorkennfeld des Motors 105 und/oder einer Bedienereingabe basierender Wert. Die Sollwerte können in einem Kennfeld der Steuerung 270 gespeichert werden. Basierend auf dem Vergleich der gemessenen Motordrehzahl mit der Sollmotordrehzahl kann die Steuerung 270 Anpassungen an den Zeitsteuerungen der Ventile 165, 170 vornehmen.
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Die Sollmotordrehzahl kann so ermittelt werden, dass eine konstante Drehzahl und Belastungsantwort während eines Betriebs des Genset 10 beibehalten wird. Beispielsweise kann die Sollmotordrehzahl derart sein, dass eine lückenlose Motordrehzahlsteuerung während einer Energieerzeugung durch den Genset 10 beibehalten wird. Falls eine Motordrehzahl erfasst wird, die von der Sollmotordrehzahl abweicht, kann das Steuerungssystem 125 Anpassungen an den Zeitsteuerungen der Ventile 165, 170 zum Beibehalten der Sollmotordrehzahl vornehmen (d. h. zum Konstanthalten der Drehzahl während der Energieerzeugung).
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Die Steuerung 270 kann jede im Stand der Technik für automatische Maschinenprozesse bekannte programmierbare Logiksteuerung sein, wie beispielsweise ein Schalter, eine Prozesslogiksteuerung oder ein digitaler Schaltkreis. Die Steuerung 270 kann zum Steuern der verschiedenen Bauteile des Motorsystems 100 dienen. Die Steuerung 270 kann über mehrere elektrische Leitungen 275 mit den mehreren variablen Ventilbetätigungsvorrichtungen 202 elektrisch verbunden sein. Die Steuerung 270 kann auch über mehrere elektrische Leitungen 280 mit den mehreren Sensoren 272 elektrisch verbunden sein. Die Steuerung 270 kann über eine elektrische Leitung 285 mit der variablen Geometrieanordnung 255 elektrisch verbunden sein. Man beachte auch, dass die Steuerung 270 mit zusätzlichen Bauteilen und Sensoren des Motorsystems 100 elektrisch verbunden sein kann, wie beispielsweise einem Aktor des Kraftstoffinjektors 210, falls erwünscht.
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Die Steuerung 270 kann Eingabeanordnungen aufweisen, die es erlauben, die Signale von den verschiedenen Bauteilen des Motorsystems 100 zu überwachen, wie beispielsweise Sensoren 272. Die Steuerung 270 kann sich auf eine digitale oder analoge Verarbeitung der von den verschiedenen Bauteilen des Motorsystems 100 empfangenen Eingabe stützen, wie beispielsweise den Sensoren 272 und einer Bedienerschnittstelle. Die Steuerung 270 kann die Eingabe zum Erzeugen einer Ausgabe zum Steuern des Motorsystems 100 verwenden. Die Steuerung 270 kann Ausgabeanordnungen aufweisen, die es erlauben, Ausgabebefehle an die verschiedenen Bauteile des Motorsystems 100 zu senden, wie beispielsweise an die variablen Ventilbetätigungsvorrichtungen 202, die variable Geometrieanordnung 255, den Kraftstoffinjektor 210 und/oder eine Bedienerschnittstelle.
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Die Steuerung 270 kann in einem Speicher ein oder mehrere Motorkennfelder und/oder Algorithmen gespeichert haben. Die Steuerung 270 kann ein oder mehrere in einem internen Speicher gespeicherte Kennfelder aufweisen und kann zum Ermitteln einer erforderlichen Änderung des Motorbetriebs, einer Modifikation eines zum Beeinflussen der erforderlichen Änderung des Motorbetriebs erforderlichen Motorparameters (z. B. Motordrehzahl oder -drehmoment) und/oder einer Kapazität des Motors 105 für die Modifikation auf diese Kennfelder Bezug nehmen. Jedes dieser Kennfelder kann eine Datensammlung in Form von Tabellen, Kurven und/oder Gleichungen aufweisen.
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Die Steuerung 270 kann in dem Speicher dem Ermitteln der erforderlichen Änderungen des Motorbetriebs basierend auf einem Motorparameter, wie beispielsweise einer Motordrehzahl, zugeordnete Algorithmen aufweisen. Beispielsweise kann die Steuerung 270 einen Algorithmus aufweisen, der eine statistische Analyse der Motordrehzahl des Motors 105 von Verbrennungszyklus zu Verbrennungszyklus durchführt. Basierend auf der von den Sensoren 272 empfangenen Eingabe kann der Algorithmus Informationen ermitteln, wie beispielsweise Motordrehzahldurchschnitte oder statistische Abweichungen der Motordrehzahl.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte Motorsteuerungssystem kann bei jeder Maschine mit einem Verbrennungsmotor verwendet werden, bei der ein gleichmäßiger Betrieb derselben erforderlich ist. Beispielsweise kann das Motorsteuerungssystem insbesondere bei Gasmotoren anwendbar sein, die bei Anwendungen zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Der Betrieb des Genset 10 wird nun beschrieben.
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Während normaler Verbrennungsereignisse können sich die Kolben 140 während der vier Takte des Verbrennungszyklus bewegen. Die Bewegung der Kolben 140 kann über die Ventilbetätigungsanordnung 175 die Betätigung der Einlassventile 165 und der Auslassventile 170 antreiben.
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Wenn die Steuerung 270 Signale empfängt, die eine Motordrehzahl angeben, die höher als eine Sollmotordrehzahl ist, kann die Ventilzeitsteuerung des Einlassventils 165 zum im Wesentlichen unverzüglichen Verringern einer den Zylindern 135 zugeführten Menge einer Luft/Kraftstoffmischung angepasst werden. Die Steuerung 270 kann die Motordrehzahlsignale mit der Sollmotordrehzahl vergleichen und ermitteln, dass die den Zylindern 135 zugeführte Menge einer Luft/Kraftstoffmischung verringert werden muss. Die Steuerung 270 kann das Schließen des Einlassventils 165 innerhalb der Kurvenschar 207 vorverstellen oder das Schließen des Einlassventils 165 innerhalb der Kurvenschar 209 spätverstellen. Dies kann die Menge der im Inneren der Zylinder 135 eingeschlossenen Masse verringern, was den Effekt des Verkleinerns einer Öffnung eines Drosselventils auf die Zylinder 135 hat, aber mit einem schnelleren Ansprechen als ein Drosselventil. Das Schließen des Einlassventils 165 kann dadurch weg von einem Profil des Einlassventils 165 mit einer Zeitsteuerung, die nicht verändert wurde, angepasst werden (d. h. weg von einem nicht angepassten Profil 201). Da eine den Zylindern 135 zugeführte Menge einer Luft/Kraftstoffmischung verringert wird, kann es eine unverzügliche Abnahme der Motordrehzahl des Motors 105 geben. Die Steuerung 270 kann dadurch zum Steuern einer den Zylindern 135 zugeführten Menge einer Luft/Kraftstoffmischung eine Ventilzeitsteuerung anpassen.
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Wenn die Steuerung 270 Signale empfängt, die eine Motordrehzahl angeben, die niedriger als eine Sollmotordrehzahl ist, kann die Ventilzeitsteuerung des Einlassventils 165 zum im Wesentlichen unverzüglichen Erhöhen einer den Zylindern 135 zugeführten Menge einer Luft/Kraftstoffmischung angepasst werden. Die Steuerung 270 kann die Motordrehzahlsignale mit der Sollmotordrehzahl vergleichen und ermitteln, dass die den Zylindern 135 zugeführte Menge einer Luft/Kraftstoffmischung erhöht werden muss. Die Steuerung 270 kann das Schließen des Einlassventils 165 innerhalb der Kurvenschar 207 spätverstellen oder das Schließen des Einlassventils 165 innerhalb der Kurvenschar 209 vorverstellen. Dies kann die Menge der im Inneren der Zylinder 135 eingeschlossenen Masse erhöhen, was den Effekt des Vergrößerns einer Öffnung eines Drosselventils auf die Zylinder 135 hat, aber mit einem schnelleren Ansprechen als ein Drosselventil. Das Schließen des Einlassventils 165 kann dadurch in Richtung zu einem Profil des Einlassventils 165 mit einer Zeitsteuerung, die nicht verändert wurde, angepasst werden (d. h. in Richtung zu einem nicht angepassten Profil 201). Da eine den Zylindern 135 zugeführte Menge einer Luft/Kraftstoffmischung erhöht wird, kann es eine unverzügliche Zunahme der Motordrehzahl des Motors 105 geben. Die Steuerung 270 kann dadurch zum Steuern einer den Zylindern 135 zugeführten Menge einer Luft/Kraftstoffmischung eine Ventilzeitsteuerung anpassen.
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Durch Anpassen der Ventilzeitsteuerung jedes Zylinders 135 kann das Motorsystem 100 ein Ansprechen auf Motordrehzahländerungen des Motors 105 verbessern. Auf Grund des verbesserten Ansprechens kann der Motor 105 näher an seiner Belastungsgrenze betrieben werden, da eine geringere Fehlertoleranz zum Schützen der Motorbauteile vor wesentlich höheren Zylinderdrücken, die von Druckschwankungen verursacht werden, erforderlich ist. Außerdem kann die Luftströmung in den Motor 105 durch lediglich Ändern einer Ventilzeitsteuerung gesteuert werden, was die einem gewöhnlichen Drosseln (z. B. Verwenden eines herkömmlichen Drosselventils) zugeordnete Verzögerung deutlich reduzieren kann und erlaubt, Motorparameter, wie beispielsweise eine Motordrehzahl, lückenloser zu steuern.
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Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Verfahren und der Vorrichtung vorgenommen werden können. Fachleute werden andere Ausführungsformen bei einer Betrachtung der Beschreibung und der Umsetzung des offenbarten Verfahrens und der Vorrichtung erkennen. Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als beispielhaft betrachtet werden, deren wahrer Schutzumfang durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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