Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Umschalten einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine.

Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen werden typischerweise in zwei Betriebsmodi betrieben. Dabei unterscheidet man einen Betriebsmodus mit primär flüssiger Kraftstoffzufuhr (kurz „Flüssigbetrieb"; im Falle der Verwendung von Diesel als flüssigem Kraftstoff „Dieselbetrieb" genannt) und einen Betriebsmodus mit primär gasförmiger Kraftstoffzufuhr, bei welchem der flüssige Kraftstoff als Pilotkraftstoff zum Initiieren der Verbrennung dient („Gasbetrieb", oder auch als„Pilotbetrieb" oder„Zündstrahlbetrieb" bezeichnet). Die Einspritzung des flüssigen Kraftstoffs wird auch als Piloteinspritzung bezeichnet. Als Beispiel für den flüssigen Kraftstoff sei Diesel genannt. Es könnte auch Schweröl oder ein anderer selbstzündfähiger Kraftstoff sein. Als Beispiel für den gasförmigen Kraftstoff sei Erdgas genannt. In Frage kommen noch andere gasförmige Kraftstoffe wie Biogas etc.

Im Pilotbetrieb wird eine geringe Menge an flüssigem Kraftstoff als sogenannte Piloteinspritzung in einen Brennraum einer Kolben-Zylindereinheit eingebracht. Durch die zum Einspritzzeitpunkt herrschenden Bedingungen entzündet sich der eingebrachte flüssige Kraftstoff und zündet ein im Brennraum der Kolben-Zylindereinheit vorliegendes Gemisch aus gasförmigem Kraftstoff und Luft. Die Menge an flüssigem Kraftstoff einer Piloteinspritzung beträgt typischerweise 0,5 - 5 % der gesamten, der Kolben- Zylindereinheit in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine zugeführten Energiemenge.

Zur Begriffsklärung wird definiert, dass die Brennkraftmaschine im Pilotbetrieb oder im Flüssigbetrieb betrieben wird. Bezüglich der Regeleinrichtung wird der Pilotbetrieb der Brennkraftmaschine als Pilotmodus bezeichnet, ein Flüssigbetrieb der Brennkraftmaschine wird bezüglich der Regeleinrichtung als Flüssigmodus bezeichnet. Daneben gibt es noch einen Mischbetrieb. Die Substitutionsrate gibt an, welcher Anteil der der Brennkraftmaschine zugeführten Energie in Form des gasförmigen Kraftstoffes zugeführt wird. Angestrebt werden Substitutionsraten zwischen 98 und 99,5 %. Derart hohe Substitutionsraten erfordern eine Auslegung der Brennkraftmaschine beispielsweise hinsichtlich des Verdichtungsverhältnisses wie sie der eines Gasmotors entspricht. Die teilweise gegensätzlichen Anforderungen an die Brennkraftmaschine für einen Pilotbetrieb und einen Flüssigbetrieb führen zu Kompromissen in der Auslegung, beispielsweise hinsichtlich des Kompressionsverhältnisses. Die US 7,313,673 beschreibt eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine und ein gattungsgemäßes Verfahren. Die Umschaltung erfolgt unter Auswertung der Signale eines Klopfsensors so nahe wie möglich an der Klopfgrenze, damit die Umschaltung so schnell wie möglich erfolgen kann. Die Annäherung an die Klopfgrenze ist erforderlich, weil während der Umschaltung (anders als außerhalb der Umschaltung) die einem Brennraum zugeführte Menge an Gas-Luft-Gemisch nur als vorausberechneter Wert bekannt ist, aber keine Informationen über Abweichungen vorliegen. Dies gilt insbesondere, wenn kein Sensor für den Zylinderdruckverlauf vorgesehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemäßen Dual-Fuel- Brennkraftmaschine und eines gattungsgemäßen Verfahrens zum Umschalten einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine, bei welchen die Umschaltung ohne Annäherung an die Klopfgrenze und damit bei geringerer mechanischer Belastung erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Dual-Fuel-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Umschalten einer Dual-Fuel-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Bei der Erfindung ist keine Annäherung an die Klopfgrenze erforderlich und es tritt eine geringere mechanische Belastung auf. Es ist eine schnelle und ruhige Umschaltung möglich. Über den hinterlegten Zusammenhang zwischen

- einem zeitlichen Verlauf der Signale des Verbrennungssensors und

- einer eingebrachter Menge an Gas-Luft-Gemisch kann nämlich überprüft werden, ob die eingebrachte Menge an Gas-Luft-Gemisch mit dem Sollwert übereinstimmt.

Die Erfindung beruht auf folgendem Zusammenhang: Befindet sich mehr Gas-Luft- Gemisch im zumindest einen Brennraum, dann erhöht sich der Zündverzug der Piloteinspritzung, es sammelt sich bis zur Entzündung mehr flüssiger Kraftstoff an und der zeitliche Verlauf der Signale des Verbrennungssensors hat eine charakteristische Form (z. B. liegt das auf die Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes zurückzuführende sogenannte Vormaximum später und ist stärker). So kann während der Umschaltung überprüft werden, ob die tatsächlich eingebrachte Menge an Gas-Luft-Gemisch der vorausberechneten (Soll-) Menge entspricht oder ob Korrekturen erforderlich sind, ohne dass ein Herantasten an die Klopfgrenze notwendig wäre.

Der zeitliche Verlauf der Signale des Verbrennungssensors kann z. B. daraufhin analysiert werden, wann (in Bezug auf einen zeitlichen Nullpunkt) ein erster Schwellwert erreicht oder überschritten wird und wie groß ein Maximum des Signals in einem vorbestimmten Zeitfenster (z. B. ab oder kurz nach Beginn der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffes bis zum oberen Totpunkt) nach Überschreiten des ersten Schwellwertes ist. Liegt das Maximum innerhalb des betrachteten Zeitfensters z. B. relativ spät (das ist drehzahl- und lastabhängig, z. B. bei einer Drehzahl von 1500 Umdrehungen/Minute und 100 % Last wäre ein Maximum kurz vor dem oberen Totpunkt als spät zu bezeichnen) und/oder ist es relativ stark, bedeutet dies, das die Menge an flüssigem Kraftstoff hoch ist. Bei der Beurteilung der Stärke des Maximums ist sollte die Substitutionsrate berücksichtigt werden, z. B. wird bei einer Substitutionsrate von 80 % ein relativ starkes Maximum zu erwarten sein, während bei einer Substitutionsrate von 99 % ein relativ schwaches Maximum zu erwarten sein wird.

Als zeitlicher Nullpunkt kann z. B. ein Zeitpunkt des Beginns der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffs verwendet werden. Dies kann z. B. der Beginn einer Bestromung eines Injektors für den flüssigen Kraftstoff sein.

Der hinterlegte Zusammenhang kann z. B. wie folgt ermittelt werden (die Ermittlung kann z. B. an einem Prototypen der Serie der Brennkraftmaschine erfolgen, die erfindungsgemäß ausgebildet sein soll, alternativ kann individuell für jede Brennkraftmaschine der Zusammenhang in einem stationären Betrieb ermittelt werden):

- Es werden in einem stationären Betrieb (d. h. außerhalb einer Umschaltung) eine bestimmte Last, eine bestimmte Drehzahl und eine bestimmte Substitutionsrate eingestellt (z. B. Last 100 %, Drehzahl 1500 Umdrehungen/Minute, Substitutionsrate = 80%).

- Es wird der zeitliche Verlauf der Signale des Verbrennungssensors zumindest im vorbestimmten Zeitfenster ermittelt.

- Es wird betrachtet, wann in dem vorbestimmten Zeitfenster ein erster Schwellwert erreicht oder überschritten wurde und wie groß ein Maximum des Signals im vorbestimmten Zeitfenster ist.

- Der Zeitpunkt des Erreichens oder Überschreitens des ersten Schwellwerte und die Größe des Maximums wird verknüpft mit der bestimmten Last, der bestimmten Drehzahl und der bestimmten Substitutionsrate, wodurch für diese Last und diese Drehzahl über die Substitutionsrate der Zusammenhang zwischen der Menge an Gas-Luft-Gemisch und dem zeitlichen Verlauf des Signals des Verbrennungssensors hergestellt ist.

- Dieser Vorgang wird für verschiedene Lasten, Drehzahlen und Substitutionsraten wiederholt, wodurch sich der allgemeine Zusammenhang zwischen der Menge an

Gas-Luft-Gemisch und dem zeitlichen Verlauf des Signals des Verbrennungssensors ergibt.

Die Umschaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird so vorgenommen, dass zumindest im vorbestimmten Zeitfenster der zeitliche Verlauf der Signale des Verbrennungssensors ermittelt und mit dem hinterlegten zeitlichen Verlauf für diese Last und diese Drehzahl verglichen wird. Stimmt der Verlauf (innerhalb gewisser Toleranzgrenzen) überein, weiß die Regeleinrichtung, dass die tatsächliche Menge an Gas-Luft-Gemisch mit dem Sollwert übereinstimmt (oder mit andern Worten: die tatsächliche Substitutionsrate mit dem Sollwert übereinstimmt). Weicht der Verlauf ab, so kann sie geeignete Regelmaßnahmen treffen, um den gewünschten Verlauf zu erreichen. Die geeigneten Regelmaßnahmen können je nach Abweichung eine Reduzierung oder Steigerung der eingespritzten Menge an flüssigem Kraftstoff sein. Als Verbrennungssensor kann ein Klopfsensor oder ein Zylinderdrucksensor eingesetzt werden.

Es kann vorgesehen sein, in einem ersten Kurbelwinkelbereich (z. B. -20° bis 0° Kurbelwinkel, wobei 0° dem oberen Totpunkt entspricht) ein Signal des Verbrennungssensors zu erfassen und zu analysieren. Daraus kann unter Verwendung des hinterlegten Zusammenhangs die eingebrachte Menge an Gas-Luft-Gemisch ermittelt werden. In einem zweiten, späteren Kurbelwinkelbereich (z. B. 0° bis 40°) kann das Signal des Verbrennungssensors verwendet werden, um Klopfen zu detektieren.

Es kann vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Signale des Verbrennungssensor im ersten Kurbelwinkelbereich auf einen Abstand zu einer Klopfgrenze zu schließen. Weist der zeitliche Verlauf z. B. ein Maximum auf, welches früher im ersten Kurbelwinkelbereich liegt und größer ist als erwartet, zeigt dies, dass der Abstand zur Klopfgrenze gering ist. Der Zeitpunkt der Einspritzung des flüssigen Kraftstoffs kann entsprechend korrigiert werden (im gegebenen Beispiel nach spät) um den Abstand zur Klopfgrenze zu vergrößern.

Üblicherweise weist eine Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Brennräumen auf. Die Erfindung kann zylinderindividuell, das heißt für jeden Zylinder unabhängig von den anderen Zylindern, durchgeführt werden.

Es kann zylinderindividuell eine zugeführte Menge an flüssigem Kraftstoff und der Verbrennungsablauf überprüft werden.

Die Erfindung kann bevorzugt bei einer stationären Brennkraftmaschine, für Marineanwendungen oder mobile Anwendungen wie sogenannte„Non-Road-Mobile- Machinery" (NRMM) - vorzugsweise jeweils als Hubkolbenmaschine ausgebildet - eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine kann als mechanischer Antrieb dienen, z. B. zum Betreiben von Verdichteranlagen oder mit einem Generator zu einem Genset zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sein. Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Vielzahl von Brennräumen mit entsprechender Einlassventilen und Injektoren auf. Die Regelung kann individuell für jeden Brennraum erfolgen. Erfindung wird anhand der Figuren diskutiert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Sie verfügt über hier exemplarisch vier Brennräume B1 bis B4, welchen über Injektoren 11 bis 14 flüssiger Kraftstoff - in diesem Fall Diesel - zuführbar ist. Die Einlassventile für das Gas-Luft-Gemisch sind nicht gezeigt.

Zur Herstellung des Gas-Luft-Gemisches ist ein zentraler Gasmischer GM vorgesehen, welcher mit einer Luftzufuhr L und einem Gasreservoir G, wie beispielsweise ein Tank, verbunden ist. Über eine Gas-Luft-Gemisch-Zufuhr R wird das in dem zentralen Gasmischer GM hergestellte Gas-Luft-Gemisch den Brennräumen B1 bis B4 zugeführt. Dem Gasmischer GM nachgeschaltet ist noch ein Verdichter V eines Turboladers vorgesehen (gemischaufgeladene Brennkraftmaschine). Der Gasmischer GM könnte aber auch nach dem Verdichter V in der Luftzufuhr angeordnet sein (luftaufgeladene Brennkraftmaschine). Die Anzahl der Brennräume B1 bis B4 ist rein beispielhaft.

Die Erfindung kann bei Dual-Fuel-Brennkraftmaschinen mit 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 Brennräumen zum Einsatz kommen. Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf eines Verbrennungssensor (hier in Form eines Zylinderdrucksensors für den Zylinderdruck p im Brennraum einer ausgewählten Kolben-Zylinder-Einheit) über den gesamten Kurbelwinkelbereich (CA - crank angle).

Erkennbar ist die Ausbildung eines ersten Maximums bei einem bestimmten Kurbelwinkel mit einer bestimmten Stärke, welches auf die Einbringung von flüssigen Kraftstoff zurückzuführen ist. Das erste Zeitfenster sollte so gelegt sein, dass dieses Maximum erfasst werden kann.

Fig. 2b zeigt den Verlauf wie in Fig. 2a aber mit einem späteren und stärkeren ersten Maximum (zum Vergleich sind strichlierte Hilfslinien bei jenem Kurbelwinkel und jenem Zylinderdruck eingezeichnet, welche Lage und Stärke des ersten Maximums der Fig. 2a entsprechen), was auf eine größeren Zündverzug und damit auf eine größere Menge an Gas im Gas-Luft-Gemisch schließen lässt. Fig. 2c zeigt den zeitlichen Verlauf eines Verbrennungssensors in Form eines Klopfsensors (gezeigt ist eine Amplitude für den Körperschall über den gesamten Kurbelwinkelbereich. Erkennbar ist auch hier die Ausbildung eines ersten Maximums, welches auf die Einbringung von flüssigen Kraftstoff zurückzuführen ist. Das erste Zeitfenster sollte so gelegt sein, dass dieses Maximum erfasst werden kann.

Fig. 2d zeigt den Verlauf wie in Fig. 2c aber mit einem späteren und stärkeren ersten Maximum (zum Vergleich sind strichlierte Hilfslinien bei jenem Kurbelwinkel und jenem Zylinderdruck eingezeichnet, welche Lage und Stärke des ersten Maximums der Fig. 2c entsprechen), was auf eine größeren Zündverzug und damit auf eine größere Menge an Gas im Gas-Luft-Gemisch schließen lässt.