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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor
mit einem elektronischen Steuersystem, insbesondere Zweitakt-Kreuzkopfmotor
zum Antrieb eines Schiffes, bestehend aus einer ersten zentralen
Motorsteuereinheit und mehreren Zylinderinterfaceeinheiten, die
auf die Zylinder verteilt sind und Steuersignale zumindest an Betätigungsglieder
für die
Brennstoffeinspritzung in die Zylinder in Abhängigkeit von von der Motorsteuereinheit
empfangenen Signale abgeben, wobei das Steuersystem ferner Steuersignale
an Betätigungsglieder
für die
Austrittsventile der Zylinder und ggf. an Betätigungsglieder für andere
Zylinderkomponenten abgibt.
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Elektronische
Steuersysteme für
Verbrennungsmotoren sind seit vielen Jahren bekannt. Zum Beispiel
beschreibt die
US 4
009 695 A einen Viertakt-Benzinmotor mit elektronischer
Steuerung der Auslaß-
und Einlaßventile,
der Brennstoffzufuhr und der Zündung.
Das Patent bezeichnet eine solche Steuerung als ”elektronische Nockenwelle” und ihre Vorteile
sind ausführlich
beschrieben und umfassen die freie Einstellung der Öffnungs-
und Schließzeiten der
Ventile in Abhängigkeit
von dem augenblicklichen Betriebszustand des Motors. Die elektronische
Steuerung sämtlicher
Betätigungsglieder
erfolgt direkt von einer einzigen zentralen Motorsteuereinheit auf der
Basis empfangener Signale über
die Brennstoffbeschaffenheit, Luftdichte, Kurbelwellenbewegung, gewünschte Motorleistung
und das augenblickliche Motorverhalten. Die beschriebene Steuerung
ist sehr störanfällig, wobei
ein Ausfall des Prozessors zur Unterbrechnung der gesamten Motorsteuerung
führt.
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Die
US 4 933 862 A beschreibt
einen Viertaktmotor mit elektronischer Steuerung der Brennstoffzufuhr,
der Luftzufuhr und des Auslaßgasumlaufs,
wobei eine Teilung der Brennstoffzufuhrsteuerung derart vorgenommen
ist, daß die
Mehrheit der Signalberechnungen für diesen Zweck in Untereinheiten
erfolgt, die mit einem Prozessor für jeden Zylinder oder jedes
Paar von Zylindern verteilt sind. Diese Verteilung einiger der Berechnungen
auf mehrere Prozessoren soll die Betriebssicherheit des Motors verbessern,
so daß ein
Ausfall eines Prozessors nicht notwendigerweise zu einem Abschalten
des Motors führt.
Falls die zentrale Steuereinheit ausfällt, bricht die Steuerung zusammen.
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In
einem Versuch, die Betriebssicherheit eines Zweitakt-Dieselmotors
der eingangs erwähnten Art
zu verbessern, wird durch
EP
0 509 189 B1 elektronisches Steuersystem vorgeschlagen,
bei dem eine einzige zentrale Motorsteuereinheit mit einer einzigen
Zylindersteuereinheit für
jeden Zylinder verbunden ist und bei dem die Zylindersteuereinheit
zumindest zwei Steuersignale für
die Steuerung der Brennstoffeinspritzung und des Auslaßventils
des in Rede stehenden Zylinders abgibt. Die zentrale Motorsteuereinheit
gibt Signale für
die Brennstoffmenge und die Brennstoffzeitsteuerung, die Auslaßventilzeitsteuerung
und die Kurbelwellenbewegung an die Zylindersteuereinheit. Wenn
ein Ausfall in der Motorsteuereinheit auftritt, werden sämtliche
Zylindersteuereinheiten durch die ausbleibende Signallieferung in Mitleidenschaft
gezogen, und der Motor bleibt stehen. Es ist darüber hinaus ein Nachteil, daß ein Ausfall
einer Steuereinheit normalerweise ein zeitweiliges Anhalten des
Motors erforderlich macht, um den in Rede stehenden Zylinder außer Betrieb
zu nehmen, insbesondere, wenn auch die Zylinderschmierung in die
gleiche Steuereinheit integriert ist. Wenn ein Zylinder nicht geschmiert
wird, ist es notwendig, den Kolben von der Kurbelwelle zu trennen,
bevor der Motor den Betrieb wieder aufnehmen kann, da der Kolben
nicht in einer trockenen Zylinderlaufbuchse laufen kann. Wenn der
Zylinder korrekt gelöst
ist, hat das beschriebene Steuersystem den Vorteil erreicht, daß der Motor
für einen
Betrieb mit den anderen Zylindern wieder angelassen werden kann;
aber selbst ein zeitweiliges Anhalten kann höchst unerwünscht oder unakzeptabel sein,
wenn es sich bei dem Motor um den Antriebsmotor eines Schiffes handelt.
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Es
ist bekannt, daß die
Betriebssicherheit elektronischer Steuersysteme mit einem zentralen Prozessor
durch die Verwendung zweier Prozessoren verbessert werden kann,
von denen der eine auf sogenannte Betriebsbereitschaft gehalten,
nämlich mit
den gleichen Eingangssignalen wie der aktive Prozessor auf einer
kontinuierlichen Basis versorgt wird. Der aktive Prozessor wird
von einer Schalteinheit überwacht,
die, wenn ein Ausfall festgestellt wird, das Steuersystem auf den
Bereitschaftsprozessor umschaltet, der unmittelbar in Betrieb genommen werden
kann. Es ist ferner bekannt, einen elektronisch gesteuerten Schiffsmotor
mit einem rein mechanisch wirkenden Stützsystem zu versehen, vgl.
z. B.
WO 94/29577
A1 , was jedoch zu unerwünschten Kosten
führt.
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Aus
der
DE 42 20 247 A1 ist
eine redundant aufgebaute Steuerung für Fahrzeuge mit mehrzylindrigen
Verbrennungsmotoren bekannt. Die Steuerung umfasst zwei parallele
Rechner zur Berechnung und/oder Durchführung derselben Steuerfunktion. Beide
Rechner führen
unabhängig
voneinander eine Überwachungsmaßnahme anhand
eines Plausibilitätsvergleichs
durch und sind über
separate Leitungen mit den Gaspedaleinstellungsgebern verbunden.
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Aus
der
DE 44 37 336 A1 ist
ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines mehrzylindrischen
Dieselmotors bekannt, bei dem zwei Steuereinheiten zur Berechnung
der Kraftstoffsollmenge und zu einer dieser entsprechenden Stellgröße vorgesehen
sind. Hierfür
werden die Steuereinheiten mit Signalen eines Kurbelwellen- bzw.
Nockenwellensensors versorgt, aus denen dann einerseits die Drehzahl
bestimmt und mit denen andererseite eine Schwellwertbetrachtung
vorgenommen wird.
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Die
DE 43 14 118 A1 offenbart
ebenfalls wenigstens zwei Steuereinheiten für einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor,
bei dem für
den Datenaustausch eine zusätzliche
Kommunikationsleitung vorgesehen ist.
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Die
DE 35 15 040 A1 betrifft
den Aufbau und den Datenverkehr eines dezentralen Rechnersystems,
wobei dem Hauptrechner ein Rechner für die Berechnung der Zündung, des
Einspritzvorgangs sowie ein Steuerungsrechner für die Betätigung der Gaswechselventile
zugeordnet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit
einer elektrischen Steuerung zu schaffen, die in hohem Maße fehlertolerant ist,
derart, dass das Risiko eines Stehenbleibens aufgrund eines Ausfalls
des Steuersystems auf ein Minimum herabgesetzt ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist der Motor nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß das
Steuersystem ferner zumindest eine weitere zentrale Motorsteuereinheit
aufweist, die parallel mit der ersten zentralen Motorsteuereinheit
arbeitet, daß die jeweilige
Zylinderinterfaceeinheit zumindest einen Kommunikations- und Kontrollprozessor
aufweist, der auf der Basis der von der ersten oder der zweiten zentralen
Motorsteuereinheit empfangenen Signale eine Signalverarbeitung zur
Bestimmung der Betätigungsgliedsteuersignale
durchführt,
daß die
jeweilige Zylinderinterfaceeinheit über gesonderte Signalleitungen
mit mehreren Sensoreinrichtungen zum Erfassen der Winkelstellung
und Bewegung der Kurbelwelle verbunden ist und daß die jeweilige
Zylinderinterfaceeinheit über
zumindest zwei gesonderte Kommunikationsleitungen mit den zentralen
Motorsteuereinheiten verbunden ist.
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Die
Verwendung von zumindest zwei zentralen Motorsteuersystemen, von
denen beide Signale an die Zylinderinterfaceeinheiten über zumindest zwei
gesonderte Kommunikationsleitungen liefern, bietet eine sehr hohe
Toleranz gegenüber
Fehlern im Steuersystem. Der Aufbau des Steuersystems mit mehreren
Sensoreinrichtungen zum Feststellen der Winkelposition und Bewegung
der Kurbelwelle ermöglicht
einen fortgesetzten Betrieb des Motors im Falle des Versagens einer
der Sensoreinrichtungen.
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Jede
Zylinderinterfaceeinheit weist zumindest einen Kommunikations- und
Kontrollprozessor auf, der auf der Basis der von der ersten oder
der zweiten zentralen Motorsteuereinheit empfangenen Signale die
Signalverarbeitung zur Bestimmung der Betätigungsgliedsteuersignale durchführt. Die
dezentralisierte Ausführung
der Berechnungen in den Interfaceeinheiten erhöht die Sicherheit des Systems,
da die Berechnungen so nahe wie möglich am Ort ihrer Anwendung
stattfinden, und gleichzeitig kann, in Abhängigkeit von der Art der Berechnungen, eine
vorteilhafte Verringerung des Signaldatenverkehrs in den Kommunikationsleitungen
erreicht werden.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Zylinderinterfaceeinheit einen Zeitsteuerprozessor, der mit
Impulssignalen von den Sensoreinrichtungen zur Synchronisierung
der Steuersignale mit der Stellung der Kurbelwelle beliefert wird.
Diese Ausbildung mit einem gesonderten Zeitsteuerprozessor entlastet
den Kontrollprozessor und beschleunigt die in der Zylinderinterfaceeinheit
durchzuführende
Signalverarbeitung. Dies ist insbesondere dann ein Vorteil, wenn
die Zylinderinterfaceeinheit Signale direkt von einer Anzahl von
Sensoreinrichtungen erhält.
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Vorzugsweise
umfassen die in der Zylinderinterfaceeinheit von der Motorsteuereinheit
empfangenen Signale die Basisparameter für die Berechnung der Betätigungsgliedsteuersignale.
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Die
Motorsteuereinheit kann zweckmäßig ein
Sammelpunkt für
die äußeren Regulierungssignale
sein, wie etwa die von der Brücke
des Schiffes empfangenen Ansteuersignale, Signale über die
Propellersteigung, Regulierungskommandos, die vom Motorpersonal
gegeben werden, usw. Diese Signale werden an die Zylinderinterfaceeinheiten
weitergegeben, ggf. zusammen mit Signalen zur Wahl eines Betriebszustands
unter mehreren möglichen
vorbestimmten Zuständen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
berechnet die Signalverarbeitung im Kontrollprozessor den gewünschten
Einspritzverlauf und die zugehörigen
Steuersignale. Es müssen
bei der Bestimmung der Dosierungsmengen des Brennstoffs an den einzelnen
Zylinder die aufgrund von Unterschieden im physischen Einspritzsystem jedes
Zylinders auftretenden baulichen Ungenauigkeiten berücksichtigt werden,
wie etwa Unterschiede in den Düsenflächen der
Brennstoffeinspritzventile und in ihrem Öffnungs- und Schließdruck sowie
jedwede Unterschiede in den Leckagemengen der Brennstoffpumpen und Strömungswiderstände in Rohrverbindungen
zwischen der Pumpe und den Einspritzventilen usw. Die Berechnung
des Einspritzverlaufs in der Interfaceeinheit bestimmt die zeitabhängige Dosierungsrate,
die zur Einspritzung der gewünschten
Brennstoffmenge während
eines Motorkreislaufs führt.
Ein Beispiel kann die Unterteilung der Dosierungsmenge in eine Voreinspritzung
und eine Haupteinspritzung oder in mehrere intermittierende Einspritzungen
sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
enthalten die von der Motorsteuereinheit empfangenen Grundparameter
Daten über
die augenblickliche und die gewünschte
Motorbelastung, und der Kontrollprozessor berechnet zumindest die
belastungsabhängige
Dosierungsmenge des Brennstoffs und die zugehörigen Betätigungsgliedsteuersignale.
Die Brennstoffdosierung kann berücksichtigen,
daß die
Drehgeschwindigkeit des Motors innerhalb einer einzigen Motorumdrehung
variiert, aus welchem Grund die Dosierung auf der Grundlage einer
mittleren Drehgeschwindigkeit vorgenommen werden sollte. Die Berechnung
der Dosierungsmengen kann die baulichen Ungenauigkeiten durch Einbeziehung
einer Integrationskomponente (Berechnung einer Summierung oder eines
integralen Terms) ausgleichen, die für die Berechnungen für alle Zylinder
verwendet wird und über
einen langen Zeitraum, wie über
mehrere Motorumdrehungen, auftretende Ungenauigkeiten korrigiert.
Der Kontrollprozessor gibt an zumindest eine weitere Zylinderinterfaceeinheit
und/oder die Motorsteuereinheit ein zur Korrektur für bauliche
Ungenauigkeiten in der Brennstoffdosierung an den Zylindern verwendetes
Signal ab. Das Abgabesignal kann typischerweise die obige integrale
Komponente sein, die Teil der Berechnungen des Dosierungssignals
ist. Dieses Signal kann entweder an alle Einheiten rundgesendet
oder speziell an eine oder mehrere Einheiten mittels eines Tokens
gerichtet werden.
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Es
ist ferner möglich,
die Signalverarbeitung in der Zylinderinterfaceeinheit dadurch zu
beschleunigen, daß sie
einen gesonderten, die Brennstoffeinspritzung steuernden Unterprozessor
umfaßt.
Die Berechnungen zur Bestimmung der Steuersignale für die Brennstoffeinspritzung
sind die aufwendigsten in der Interfaceeinheit, und eine Abtrennung
dieser Berechnungen durch Durchführung
in einem gesonderten Unterprozessor erbringt die schnellste Fertigberechnung
aller Steuersignale, die von den Zylinderbetätigungsgliedern während eines
einzelnen Motorarbeitsspiels benötigt
werden.
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Die
auf die Zylinder verteilten Zylinderinterfaceeinheiten können mehrere
Zylinder, z. B. zwei oder drei Zylinder, bedienen. Dieses reduziert
die Gesamtzahl an Interfaceeinheiten für einen spezifischen Motor
und reduziert die Kosten des Steuersystems, wobei jedoch gleichzeitig
die Betriebssicherheit reduziert wird, da ein Ausfall einer Interfaceeinheit
mehrere Motorzylinder in Mitleidenschaft zieht. Um daher einen sehr
betriebssicheren Motor zu erhalten, ist vorzugsweise zumindest eine
Zylinderinterfaceeinheit für
jeden Zylinder vorgesehen.
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Es
ist möglich,
den Motor nach der Erfindung so auszubilden, daß zumindest eines der der Zylinderinterfaceeinheit
zugeordneten Betätigungsglieder zumindest
zwei Zylinder bedient. Als Beispiel kann angeführt werden, daß eine von
einem Betätigungsglied
betriebene Schmiervorrichtung mit mehreren gemeinsam betätigten Dosierkolben Öl an Schmierstellen
an mehr als einem Zylinder liefern kann, was auf einfache Weise
die Zylinderschmierung an einem Zylinder mittels zumindest zweier
verschiedener Interfaceeinheiten erfüllt. Im Falle, daß eine Interfaceeinheit
mehr als einen Zylinder bedient, kann ein Betätigungsglied für die Brennstoffeinspritzung
zwei Zylinder bedienen, und vorzugsweise kann auch ein Betätigungsglied
für das
Auslaßventil
zwei Zylinder bedienen. In diesem Fall kann die Zahl der Zylinderinter faceeinheiten
der Zahl von Betätigungsgliedern des
gleichen Typs entsprechen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung,
in der mehrere Ausführungsbeispiele
des Gegenstands der Erfindung rein schematisch veranschaulicht sind;
es zeigen:
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1 bis 3 drei
verschiedene Formen von Gesamtkommunikations-Verbindungen zwischen
den Einheiten des Steuersystems des Motors,
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4 bis 6 drei
verschiedene Ausführungsformen
einer Zylinderinterfaceeinheit,
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7 ein
Beispiel eines Kommunikations- und Kontrollprozessors und
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8 und 9 zwei
schematische Beispiele der Steuerung der Zylinderschmierung.
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Aus
Gründen
der Einfachheit werden in der folgenden Beschreibung verschiedener
Ausführungsformen
die gleichen Bezugszeichen für
Bauteile mit der gleichen Funktion verwendet.
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1 zeigt
einen großen,
langsamlaufenden Zweitakt-Dieselmotor des Kreuzkopftyps, der allgemein
mit 1 bezeichnet ist. Der Motor kann ein Antriebsmotor
eines Schiffes oder ein stationärer
generatortreibender Motor sein, der Strom für ein Stromnetz erzeugt. Der
Motor hat mehrere Zylinder, typischerweise vier bis vierzehn Zylinder,
in dem dargestellten Beispiel sechs Zylinder, die mit 2 bezeichnet sind
und jeweils ein Auslaßventil,
eine Brennstoffeinheit mit Brennstoffeinspritzventilen, Zylinderschmierstellen,
ein Start- oder Ansteuerluftventil und Sensoren zur Überwachung
des Zylinderbetriebs, wie des Zylinderdrucks, der Temperatur und
des Drucks des Auslaßgases
und der Temperatur ausgewählter
Zylinderkomponenten, aufweisen. Die gesteuerten Komponenten des
Zylinders werden durch Betätigungsglieder
(nicht gezeigt) aktiviert und sind typischerweise hydraulisch angetrieben.
Die einzelnen Bauteile mit zugehörigen
Betätigungsgliedern
sind bekannter Stand der Technik und bedürfen keiner detaillierten Beschreibung.
Die Motorleistung pro Zylinder kann derzeit typischerweise im Bereich
von 400 bis 5900 kW liegen. Ein langsamlaufender Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung bedeutet einen Motor mit einer Nenndrehzahl im Bereich
von 30 bis 200 U/min. Jedoch ist die Erfindung auch auf Vierzylindermotoren
mittlerer Drehzahl zum Antrieb von Schiffen mit einer Drehzahl im
Bereich von 100 bis 1000 U/min und einer Leistung pro Zylinder im
Bereich von 100 bis 1000 kW anwendbar. In diesem Fall hat jeder Zylinder
auch ein Ansaugventil.
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Das
elektronische Steuersystem des Motors umfaßt mehrere Sensoreinrichtungen 3 zum
Feststellen der augenblicklichen Winkelposition und Bewegung der
Kurbelwelle, mehrere zentrale Motorsteuereinheiten 4, mehrere
Zylinderinterfaceeinheiten 5 und mehrere Kommunikationsleitungen 6 zwischen
den Einheiten 4 und 5.
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Die
Sensoreinrichtungen 3 sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise
eine magnetoelektrische oder optoelektrische Ausführung haben,
wie etwa ein optischer Inkrementalkodierer, der beispielsweise mit
einem oder mehreren Sensoren den Durchgang von Meßpunkten
feststellt, die an einem der Drehbewegung der Kurbelwelle folgenden Teil
angeordnet sind. Es können
z. B. 2.048 Meßpunkte
pro Wellenumdrehung wie auch ein Nullimpulsgeber vorhanden sein.
Die Meßpunkte
können auch
in Abhängigkeit
von ihrer Position auf der Welle kodiert sein. In diesem Fall ist
der Nullimpulsgeber überflüssig. Auf
der Basis der gesammelten Taktsignale können die augenblickliche Winkelstellung,
die Winkelgeschwindigkeit und -beschleunigung der Welle in allgemein
bekannter Weise bestimmt werden. Die zumindest zwei Sensoren können beispielsweise
an dem jeweiligen Ende des Motors an geordnet sein.
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Die
Motorsteuereinheiten 4 sind zentrale Prozessoren, die die
Gesamtüberwachungs-
und Regulierungssignale von an der Motoranlage angebrachten Sensoren
und von Außeneinheiten
erhalten und Signale an die Zylinderinterfaceeinheiten 5 und an
gemeinsame Motoreinheiten, wie etwa Versorgungspumpen für Brennstoff,
Wasser und Hydraulikmedien, Hilfsgebläse, Kompressoren für Ansteuerluft usw.,
abgeben.
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Die
Motorsteuereinheiten 4 können beispielsweise Überwachungssignale 7 vom
Turboladesystem des Motors, vom Spülluftsystem, vom System zur
Versorgung der Zylinderbetätigungsglieder
mit Hydraulikmedium, vom Brennstoffversorgungssystem, vom Wellen-
und Propellersystem und von den Zylinderinterfaceeinheiten erhalten.
Einige Beispiele typischer Signalarten werden nun angeführt. Vom Turboladersystem
können
sich die Signale auf den Betriebszustand beziehen, wie etwa die
Drehzahl und eventuelle Vibrationsparameter für Turbolader und Parameter
für Ansaugluft
und Auslaßgas,
wie etwa Temperatur und Druck. Vom Spülluftsystem sind die Signale
typischerweise Messungen des Drucks und der Temperatur im Spülluftempfänger. Die
Hydrauliksystemsignale sind typischerweise Messungen des Zuführdrucks.
Aus dem Brennstoffversorgungssystem können sich die Signale auf Temperatur
und Druck für
den den Zylindern zugeführten
Brennstoff und ggf. Parameter für
die Brennstoffbeschaffenheit beziehen. Aus dem Wellen- und Propellersystem
können
Signale bezüglich
der Drehzahl der Welle und der augenblicklichen Steigung des Propellers
im Falle eines CP-Propellers empfangen werden. Des weiteren können die
Motorsteuereinheiten Signale von eventuellen Wellengeneratoren und
vom Sicherheitssystem des Schiffes empfangen.
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Die
Motorsteuereinheiten können
beispielsweise äußere Regulierungssignale 8 von der
Kommandobrücke
des Schiffes, aus dem Motorsteuerraum oder von einem Notsteuerpult
erhalten. Beispiele solcher Arten von Signalen könnten ein Befehl sein, den
Motor zu starten oder zu stoppen, ein Befehl zur Belastungsänderung,
eine manuelle Aktivierung spezifischer Betriebszustände oder
Optimierungsparameter für
den Motorbetrieb sein.
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Die
Motorsteuereinheiten führen
vorzugsweise eine Gültigkeitsprüfung der
empfangenen Sensorsignale aus. Falls ein Signal von einem oder mehreren
Sensoren ausbleibt, kann die Motorsteuereinheit so eingerichtet
sein, daß eine
ungefähre
Berechnung des fehlenden Signals auf der Basis der Signale von den
anderen Sensoren und/oder auf der Basis früherer Signale der fehlenden
Art durchgeführt
wird, wobei die Näherungsberechnung
eine vorbestimmte und vorprogrammierte Beschreibung des Zustandes des
Motorteilsystems benutzt, zu dem das fehlende Signal gehört.
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Die
Motorsteuereinheiten geben Steuersignale 9 an die gemeinsamen
Motoreinheiten ab. Diese können
beispielsweise die Steuerung des hydraulischen Druckes in einem
redundant aufgebauten hydraulischen Systems, des Luftdruckes in
einem redundant aufgebauten Ansteuerungsluftsystem, des Brennstoffdruckes
in einem redundant aufgebauten Brennstoffsystem, der Hilfsgebläse und Turbolader usw.
betreffen.
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Die
Motorsteuereinheiten geben ferner Signale an die Zylinderinterfaceeinheiten 5 ab.
Beispiele von Signalen zur Verwendung in einer Ausführungsform,
in der die Berechnungen in den Interfaceeinheiten in dem möglichen
Ausmaß vorgenommen
werden, können
Signale zur Wahl des augenblicklich gewünschten Betriebszustands und
Signale zum Ändern
der Motorbelastung sein. Die Interfaceeinheiten können beispielsweise
vorprogrammierte Berechnungsroutinen für die Betriebsarten aufweisen:
Start des Motors, Stop des Motors, Betrieb mit niedriger Belastung,
Betrieb mit niedrigem Brennstoffverbrauch, Betrieb mit minimaler
NOx-Bildung bei der Verbrennung, Betrieb
mit steigender Motorbelastung, Betrieb mit fallender Motorbelastung,
Betrieb mit unveränderter
Belastung und Betrieb im Sicherheitszustand. In einer anderen Ausführungsform
können
die Berechnungen in dem möglichen
Umfang in den Motorsteuereinheiten durchgeführt werden, was bedeutet, daß die Berechnungsroutinen
für die
verschiedenen Betriebszustände
in den Motorsteuereinheiten gespeichert sind, die dann Signale an
die Zylinderinterfaceeinheiten zum Öffnen und Schließen der
Auslaßventile
zu bestimmten Zeitpunkten, Signale zur Aktivierung der Brennstoffbetätigungsglieder,
nämlich
zeitspezifische Starts und Stops der Brennstoffeinspritzung, die
intermittierend sein kann, aus einer fortlaufenden Einspritzung
bestehen oder aus einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung
zusammengesetzt sein kann, zeitspezifische Signale zur Betätigung der
Zylinderschmierung und zeitspezifische Signale zur Anwendung von
Ansteuerluft abgeben. Die erstere Ausführungsform kann vorzuziehen sein,
da die dezentralisierten Berechnungen in den Interfaceeinheiten
ein Steuersystem abgeben, das eine höhere Sicherheit und weniger
Datenverkehr in den Kommunikationsleitungen erbringt. Natürlich ist es
auch möglich,
das Steuersystem als eine Zwischenlösung zwischen den beiden genannten
Extremen auszubilden.
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Im
Normalbetrieb empfangen die Zylinderinterfaceeinheiten 5 Signale
von beiden oder allen Motorsteuereinheiten 4 und müssen eine
Gültigkeitsüberprüfung der
empfangenen Signale ausführen,
wobei für
jeden Signaltyp das Signal von nur einer der Motorsteuereinheiten
gewählt
wird. Das Risiko eines Berechnungsfehlers in einer ansonsten korrekt
funktionierenden Motorsteuereinheit ist außerordentlich gering. Falls
eine Motorsteuereinheit ein falsches Signal abgibt, würde dieses
daher praktisch stets einem Fehler in den Eingangssignalen zu dieser
Einheit zuzuschreiben sein, beispielsweise verursacht durch einen
fehlerhaften Sensor bei der Motor überwachung. Daher kann eine
Gültigkeitsüberprüfung in der
Interfaceeinheit einen Vergleich der Größe des Signals von den verschiedenen
Motorsteuereinheiten umfassen. Falls die Signale identisch sind
oder voneinander um weniger als einen vorbestimmten Grenzwert abweichen,
kann das Signal aus einer der Motorsteuereinheiten erste Priorität haben,
so daß dieses
Signal ausgewählt
und von der Interfaceeinheit verwendet wird. Falls der Signalvergleich
einen Unterschied zeigt, der größer ist
als der vorbestimmte Grenzwert, können mehrere Möglichkeiten
gewählt
werden. Die einfachste Wahlmethode ist es, das Signal zu akzeptieren,
das am wenigsten von dem vorherigen Gültigkeitssignal desselben Typs
abweicht, vorausgesetzt, daß kein
Signal der Änderung des
Betriebszustandes empfangen worden ist. Falls der Betriebszustand
geändert
worden ist, kann das Signal gewählt
werden, das am besten mit den vorprogrammierten Standardsignalwerten übereinstimmt,
die zu dem neuen Betriebszustand gehören. Ein Vergleich mit solchen
zum augenblicklichen Betriebszustand gehörenden Standardwerten kann auch
als Auswahlmethode in dem Fall verwendet werden, in dem der Betriebszustand
nicht geändert worden
ist. Falls die empfangenen Signale vom gleichen Typ sämtlich aus
vorbestimmten Intervallen herausfallen, die zu dem augenblicklichen
Betriebszustand gehören,
kann die Interfaceeinheit so vorprogrammiert sein, daß die empfangenen
Signale zurückgewiesen
werden und statt dessen ein vorbestimmter Signalwert verwendet wird,
der einen sicheren, aber nicht optimalen Betrieb des Zylinders möglich macht.
Zum Beispiel können
bezüglich
der Brennstoffversorgung die Signale zu einer Einspritzung einer
verhältnismäßig kleinen
Brennstoffmenge führen,
und die Betätigung
des Auslaßventils
kann so gewählt
werden, daß das
Ventil in einer bekannten Weise geöffnet und geschlossen wird,
die den Maximaldruck im Zylinder während der Verbrennung begrenzt,
und im Falle der Zylinderschmierung kann eine vorbestimmte reichliche
Menge an Schmieröl zugeteilt
werden.
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Falls
nur ein Signal empfangen wird, kann die Gültigkeitsüberprüfung dieses auf der Grundlage der
Annahme akzeptieren, daß das
fehlende Signal von der anderen Motorsteuereinheit deren Ausfall oder
einem Bruch der Kommunikationsleitungen zu dieser Einheit mit einem
daraus folgenden Ausbleiben der Signalzuführung zuzuschreiben ist.
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Die
Kommunikationsleitungen 6 sind zumindest als Doppelverbindungen
ausführt,
so daß jede der
Einheiten 4 und 5 mit zumindest zwei Kommunikationsleitungen
verbunden ist und sie über
jede der Leitungen miteinander kommunizieren können. Die Kommunikationsleitungen
sind in der Zeichnung als Übertragungsleitungen
mit mehreren Stationen gezeigt, nämlich offenen Strängen, an
die die Einheiten parallel angeschlossen sind. Statt dessen können die Kommunikations-
bzw. Übertragungsleitungen
als Ringnetz ausgeführt
werden, nämlich
als geschlossene Stränge,
mit denen die Einheiten parallel verbunden sind.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Sensoreinrichtungen 3 sowohl
mit den Einheiten 4 als auch den Einheiten 5 über gesonderte doppelte
Signalleitungen 10 verbunden. In dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die Sensoreinrichtungen 3 mit der jeweiligen Motorsteuereinheit 4 über eine
Signalleitung 10a verbunden. Wahlweise ist es auch möglich, die
Sensoreinrichtungen 3 mit der Motorsteuereinheit der anderen
Sensoreinrichtung über
eine Signalleitung 10b zu verbinden, so daß beide
Motorsteuereinheiten Signale von beiden Sensoreinrichtungen über getrennte,
vorzugsweise galvanisch getrennte, Signaleingänge erhalten, was die Betriebssicherheit
des Systems verbessert. In diesem Fall können die Motorsteuereinheiten
so eingerichtet sein, daß sie
eine Gültigkeitsüberprüfung der
in den beiden oder mehr Signaleingängen von den Sensoreinrichtungen 3 empfangenen
Signale ausführen.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform
ist eine Prozessoreinheit 3a zwischen die Sensoreinrichtungen 3 und
die doppelten Kommunikationsleitungen 6 zum Umformen der
von den Sensoren 3 empfangenen Im pulssignale in für die augenblickliche
Position und Bewegung der Kurbelwelle repräsentative Signale eingesetzt,
die bewirkt, daß diese Berechnungen
zentral vor der Verteilung an die Einheiten 4 und 5 ausgeführt werden.
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Die
Zylinderinterfaceeinheiten 5 können auf verschiedene Weise
ausgebildet sein. Eine Möglichkeit
besteht darin, sämtliche
Berechnungen für
Gültigkeitsüberprüfungen und
Bestimmung der Betätigungsgliedsteuersignale
in einem einzigen Kommunikations- und Kontrollprozessor zu sammeln,
der mit den beiden getrennten Kommunikationsleitungen 6 und
den verschiedenen einem einzigen Zylinder 2 zugeordneten
Betätigungsgliedern
verbunden ist. Eine andere Möglichkeit
ist in 4 veranschaulicht, in der eine Zylinderinterfaceeinheit 5 einen
Kommunikations- und Kontrollprozessor 12 und einen Zeitsteuerprozessors 13 umfaßt, die,
z. B. über
einen internen Bus 14 in der Einheit 5, miteinander
kommunizieren. Der Zeitsteuerprozessor 13 wird mit Impulssignalen 15 von
den Sensoreinrichtungen 3 versorgt. Dieses kann über die
Signalleitungen 10 erfolgen, wie in 1 gezeigt.
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Der
Prozessor 12 in 4 liefert Steuersignale an ein
Betätigungsglied 16 in
einer Brennstoffeinheit zur Brennstoffzufuhr. Das Betätigungsglied wird
durch die Signale in der Weise betätigt, daß eine Brennstoffeinspritzung über eine
Anzahl von Einspritzdüsen 17 mit
der gewünschten
Zeiteinstellung im Verhältnis
zu dem Motorarbeitsspiel ausgeführt wird.
Die Brennstoffeinheit kann eine Brennstoffpumpe aufweisen, die mittels
des Betätigungsglieds
hydraulisch betrieben und elektronisch gesteuert wird und die mit
einer Versorgungsquelle für
Brennstoff mit verhältnismäßig niedrigem
Druck verbunden ist. Bei der Betätigung
liefert die Brennstoffpumpe Brennstoff mit einem hohen Druck an
eine oder mehrere Einspritzdüsen.
In einer anderen Ausführung kann
die Brennstoffeinheit mit einer Hochdruckquelle für Brennstoff
verbunden sein und Steuerventile enthalten, die durch das Betätigungsglied
zum Ingangsetzen und Abschließen
des Einspritzvorgangs geöffnet
und ge schlossen werden, d. h. ein Brennstoffsystem vom sogenannten
Typ des gemeinsamen Stranges (common rail).
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Der
Prozessor 12 liefert ferner Steuersignale an eine Zylinderschmiereinheit 18,
derart, daß diese Schmiermittelmengen
zuteilt, die an die augenblicklichen Betriebszustände angepaßt sind,
vorzugsweise derart, daß die
Dosierung zu spezifischen Zeitpunkten des Motorarbeitsspiels stattfindet.
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Wenn
der Zeitsteuerprozessor 13 mit mehr als einem Sensor 3 über gesonderte
Signalleitungen 10 verbunden ist, führt er eine Gültigkeitsprüfung der empfangenen
Impulssignale aus. Die Gültigkeitsprüfung der
Sensorsignale ist einfach durchzuführen, da gut definierte und
verhältnismäßig enge
Grenzen dafür
vorliegen, wie schnell der Motor seine Drehzahl ändern kann. In ihrer einfachsten
Ausführung
kann die Gültigkeitsprüfung vorsehen,
daß ein
Signal die erste Priorität
hat und daß dieses
Signal verwendet wird, solange es sich in einem vorbestimmten Intervall
hält, und
daß das
andere Signal verwendet wird, wenn das erste Signal ausbleibt oder
aus dem Intervall herausfällt.
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Der
Zeitsteuerprozessor kann beispielsweise die empfangenen Impulssignale
in Signale umrechnen, die für
die augenblickliche Winkelposition und Bewegung der Kurbelwelle
repräsentativ
sind, und er kann beispielsweise die Zeitpunkte während des
Motorarbeitsspiels berechnen, bei denen verschiedene Steuersignale
zu den Betätigungsgliedern der
Zylinder zuzuführen
sind und er kann in Übereinstimmung
hiermit die notwendigen Signale an den Prozessor 12 senden.
Der Zeitsteuerprozessor kann ferner Steuersignale direkt an ein
Betätigungsglied 19 für ein Auslaßventil 20 und
bei Start und Reversieren auch Steuersignale direkt an ein Betätigungsglied 21 für ein Ansteuerluftventil
liefern.
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Die 5 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Interfaceeinheit 5 einen gesonderten Unterprozessor 22 zur
Durchführung
der Berechnungen des Brennstoffeinspritzverlaufs aufweist. In diesem Fall
kann der Zeitsteuerprozessor 13 Daten über die Zylinderzeitsteuerung
sowohl an den Prozessor 12 als auch an den Unterprozessor 22 liefern.
Der Prozessor 12 bestimmt die Steuersignale an die Betätigungsglieder 18, 19 und 21 für die Zylinderschmierung,
das Auslaßventil 20 und
die Ansteuerluftanwendung.
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Die 6 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der zwei unabhängige
Interfaceeinheiten von etwa dem gleichen Typ wie dem in 4 gezeigten
in einem gemeinsamen Außengehäuse zusammengfaßt sind.
Die Interfaceeinheiten 5 umfassen zwei gesonderte Kommunikations-
und Kontrollprozessoren 12 mit jeweiligem Zeitsteuerprozessor 13.
Der eine Prozessor 12 steuert die Brennstoffzuführung über das Betätigungsglied 16 und
steuert ein Betätigungsglied 18 für die Zylinderschmierung.
Der andere Prozessor 12 steuert das Auslaßventil 20,
die Ansteuerungsluftanwendung und ein zweites Betätigungsglied 18 für eine gesonderte
Zylinderschmierung bei demselben Zylinder.
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Der
Kommunikations- und Kontrollprozessor 12 kann die in 7 gezeigte
Ausführung
aufweisen. Die Verbindung mit den beiden Kommunikationsleitungen 6 findet über zwei
gesonderte Leitungstreiber/Empfänger 22 statt,
die beispielsweise vom Typ RS485 sein können. Eine Stromquelle 23,
die eine 24-V-Batterie sein kann, ist über einen Stromkreis 24 parallel
verbunden mit zwei Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern 25, die galvanisch
getrennte Ein- und Ausgänge
besitzen und entsprechende Kommunikationskreise mit Spannung von
beispielsweise 5 V versehen. Jeder Kreis 22 ist mit einem
zugehörigen Kommunikationskontrollglied 26 über eine
Anzahl von, etwa 3, Signalwegen 27 verbunden, die ein galvanisch
getrenntes Glied 28, wie etwa einen Optokoppler oder einen
Kondensator, enthalten. Über
einen internen Bus 29 sind die Kontrollglieder 26 mit
einem Prozessor 30 verbunden, der so programmiert ist,
daß er
die Signalgültigkeitsüberprüfung und
die Ausführung
der gewünschten
Berechnungen durchführt. Über einen
Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 31 ist
der Prozessor 30 mit der Stromquelle 23 verbunden.
Dieser Aufbau gewährleistet,
daß zwei
Kommunikationsleitungen 6 mit zugehörigen Einheiten im Kommunikations-
und Kontrollprozessor vollständig elektrisch
getrennt sind, wobei der Prozessor 30 ebenfalls von den
Kreisen 22 elektrisch getrennt ist. Somit kann eine Spannungsüberlastung
der einen Verbindungsleitung 6, wie etwa aus einer fehlerhaften
Verbindung mit einer 220-V-Stromquelle mit daraus folgender Zerstörung der
direkt mit der Leitung verbundenen Kreise 22 nicht zu irgendeiner
Beschädigung
des Prozessors 30 oder der anderen Leitung mit den direkt
mit dieser verbundenen Kreisen 22 führen.
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Wie
oben erwähnt,
wird die Zylinderschmierung jedes Zylinders 2 vorzugsweise
von zwei unabhänigen
Prozessoren oder zwei Zylinderinterfaceeinheiten 5 gesteuert. 8 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der jeder Zylinder mit zwei Interfaceeinheiten verbunden ist,
von denen jede die Schmierung eines Teils der Schmierstellen 32 der
Zylinderlaufbuchse vornimmt. Jede Schmierstelle kann eine spezifische
Dosiereinrichtung aufweisen, oder sie besitzen eine Dosiereinheit,
die Schmieröl
an mehrere Schmierstellen liefert. Im ersten Fall veranschaulichen
die Ringe 33 eine Signalleitung zu den Dosiereinrichtungen,
und im zweiten Fall veranschaulichen sie Verteilerleitungen für Schmieröl von den
Dosiereinheiten zu den Schmierstellen.
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9 veranschaulicht
eine Ausführungsform,
bei der jeder Zylinder eine Interfaceeinheit 5 aufweist
und bei der die Steuerung der Schmierung der Zylinder paarweise
ausgeführt
wird, derart, daß die
einem Zylinder eines Paares zugeordnete Interfaceeinheit die Schmierung
bei einem Teil der Schmierstellen an ihrem eigenen Zylinder und
die Schmierung an einem Teil der Schmierstellen des anderen Zylinders
des Paares steuert.
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Einzelheiten
des Aufbaus der vorstehend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen der
Erfindung können
kombiniert werden, um innerhalb des Rahmens der Erfindung weitere
Ausführungsformen
zu schaffen. Einer oder beide der gesonderten Prozessoren 12, 13,
die in 6 gezeigt sind, können beispielsweise so ausgebildet
sein, wie in 5 gezeigt, und die Betätigungsglieder 16, 18, 19 und 21 können von
anderen Prozessoren als den in der Zeichnung gezeigten gesteuert
werden.