DE10191820B4

DE10191820B4 - Verbrennungsmotor betreibbar in einem PCCI-Modus mit früher Steuereinspritzung und Betriebsverfahren.

Info

Publication number: DE10191820B4
Application number: DE10191820T
Authority: DE
Inventors: Leon A. Columbus Lapointe; Cariappa M. Columbus Chenanda; Tim R. Columbus Frazier; Lester L. Columbus Peters; Patrick M. Columbus Pierz; Axel O. Columbus zur Loye; Robert M. Columbus Hurst
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: AU2001261245A1; AU2001261229A1; DE10191818B3; US20020017269A1; US6561157B2; JP4180278B2; GB2369159A; WO2001086128A3; JP3881243B2; DE10191817B4; US20020040692A1; US6659071B2; WO2001086127A2; US6516774B2; AU2001262995A1; GB0201271D0; US6684852B2; WO2001086125A2; DE10191819T1; JP2003532826A

Abstract

Verbrennungsmotor (10), der in einem Modus der Kompressionszündung eines Vorgemischs betreibbar ist, wobei mindestens ein Teil des Kraftstoffs bei einem kompressionsgezündeten Verbrennungsvorgang des Vorgemisches verbrannt wird, aufweisend:
einen Motorkörper (12) mit einem Kolbenaufbau (14);
eine Brennkammer (16), die von dem Kolbenaufbau (14) im Motorkörper (12) gebildet ist;
ein Einlaßsystem (18) zum Zuführen von Einlaßluft zur Brennkammer (16) während eines Einlaßhubs des Kolbenaufbaus (14);
eine Mischvorrichtung, die einen ersten Kraftstoff (23) mit der Einlaßluft mischt, um ein brennbares Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff (23) bereitzustellen;
einen Direktkraftstoffinjektor (26), der ausgebildet ist, um einen zweiten Kraftstoff (27) in die Brennkammer (16) direkt einzuspritzen; und
ein Steuersystem, das ausgebildet ist, um den Direktkraftstoffinjektor (26) so zu steuern, um mindestens eine frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs (27) in die Brennkammer (16) vor dem Beginn des kompressionsgezündeten Verbrennungsvorgangs des Vorgemisches in der Brennkammer (16) bereitzustellen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Verbrennungsmotor zum Steigern der Kraftstoffeffizienz unter Reduzierung der Abgasemissionen und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen solchen Motor, der in einem Modus mit Kompressionszündung eines Vorgemischs betrieben werden kann.
STAND DER TECHNIK
In jüngster Vergangenheit haben sich einige Motorendesigner unter dem Druck der verschärften Vorschriften hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz und niedriger Emissionen der Motoren einem Verbrennungsmotortyp zugewandt, der im Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch (PCCI – premixed charge compression ignition) funktioniert. Die Forscher haben verschiedene andere Bezeichnungen für die PCCI-Verbrennung verwendet, darunter die Kompressionszündung mit homogenem Gemisch (HCCI) sowie andere, wie "ATAC", die für "aktive Thermo-Atmosphären-Verbrennung" steht (SAE Technical Paper Nr. 790501, 26. Februar – 2. März 1979), "TS" steht für "Toyota-Soken" (SAE Technical Paper Nr. 790840, 10.–13. September 1979), und "CIHC" steht für "Kompressionsgezündete homogene Charge" (SAE Paper Nr. 830264, 1983). Alle diese Begriffe werden im folgenden gemeinsam PCCI genannt.
Im allgemeinen sind herkömmliche Verbrennungsmotoren entweder Dieselmotoren oder Motoren mit Funkenzündung, wobei der Dieselmotor den Beginn der Verbrennung (SOC – start of combustion) durch das Festlegen des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung steuert, während funkengezündete Motoren den SOC durch den Zeitpunkt des Funkens steuern. Gleich zu Beginn versteht es sich, daß der SOC sich auf den Punkt in der Zeit bezieht, in welchem ein Gemisch im Zylinder zu zünden beginnt. Der Hauptvorteil des funkengezündeten Erdgas- oder Benzinmotors gegenüber dem Dieselmotor ist die Möglichkeit, extrem niedrige NOx- und Partikelemissionsniveaus zu verwirklichen. Funkengezündete Motoren mit Vorgemisch haben nahezu homogene Kraftstoff-Luftgemische, die dazu tendieren, entweder mager oder fast stöchiometrisch zu sein, was sehr niedrige Partikelemissionen ergibt. Der Hauptvorteil des Dieselmotors gegenüber den funkengezündeten Motoren mit Vorgemisch ist seine höhere Wärmeeffizienz. Typische Dieselmotoren können jedoch die sehr niedrigen NOx- und Partikelemissionsniveaus nicht erreichen, die mit funkengezündeten Motoren mit Vorgemisch möglich sind.
Ein anderer Motortyp, der kürzlich im Brennpunkt der Forschung stand und im Stand der Technik vorgeschlagen und untersucht wurde, ist der Erdgasmotor mit Direkteinspritzung, der die Kompressionszündung anwendet. Bei solchen Motoren wird Erdgas unter hohem Druck direkt in während oder nach der Kompression in die Brennkammer eingespritzt, so daß die durch die Kompression entstehende Hitze das eingespritzte Erdgas in ähnlicher Weise wie bei Dieseleinspritzungsanwendungen zündet. Diese Direkteinspritz-Gasmotoren erlauben höhere Kompressionsverhältnisse als funkengezündete Erdgasmotoren. Daher ist die Gesamtwärmeeffizienz der Direkteinspritz-Erdgasmotoren bekanntlich höher als die von funkengezündeten Erdgasmotoren. Erdgasmotoren mit Direkteinspritzung bedingen jedoch ein Komprimieren des Erdgases mit sehr hohen Drücken, wie zum Beispiel 3000 psi oder darüber, und das ist schwer zu verwirklichen. Dieser erforderliche Kompressionsvorgang benötigt eine substantielle Menge Arbeit, die die thermische Effizienz (brake thermal efficiency) des Erdgasmotors mit Direkteinspritzung verringert. Während die Emissionsleistung eines Erdgasmotors mit Direkteinspritzung als besser befunden wurde als bei herkömmlichen Dieselmotoren, haben die höheren Emissionen (im Vergleich zu funkengezündeten Motoren) sowie die Komplexheit und die hohen Kosten dieser Motoren die kommerzielle Anziehung minimiert.
Anders als bei den oben beschriebenen Verbrennungsmotoren beruhen Motoren, die nach den PCCI-Prinzipien arbeiten, funktionieren, auf der Selbstzündung eines relativ gut vorgemischten Gemischs aus Kraftstoff und Luft. Insbesondere werden bei PCCI-Motoren der Kraftstoff und die Luft in der Ansaugöffnung oder im Zylinder gemischt, lang bevor die Zündung eintritt. Das Ausmaß der Homogenität des Gemischs kann je nach den wünschenswerten Verbrennungscharakteristiken geändert werden. Es können Motoren konzipiert und/oder betrieben werden, um sicher zu stellen, daß der Kraftstoff und die Luft zu einem homogenen oder nahezu homogenen Zustand vermischt werden. Ein Motor kann auch speziell konzipiert und/oder betrieben werden, um ein etwas weniger homogenes Gemisch zu schaffen, das leicht geschichtet ist. In beiden Fällen existiert das Gemisch im vorgemischten Zustand lang bevor die Zündung eintritt und wird komprimiert, bis sich das Gemisch von selbst entzündet. So zeichnet sich der PCCI-Verbrennungsvorgang dadurch aus, daß: 1. der Hauptteil des Kraftstoffs ausreichend mit Luft vorgemischt ist, um ein brennbares Gemisch im gesamten Gemisch im Zeitpunkt des Zündens zu bilden; und 2. das Zünden durch Komprimieren ausgelöst wird. Außerdem zeichnet sich die PCCI-Verbrennung vorzugsweise dadurch aus, daß der Großteil des Gemischs signifikant magerer ist als stöchiometrisch, um die Emissionen vorteilhaft zu verringern, anders als beim typischen Dieselmotorzyklus, bei dem sich der Großteil oder sogar das ganze Gemisch während der Verbrennung in einem fetten Zustand befindet. Da ein Motor, der gemäß den PCCI-Prinzipien arbeitet, das Potential besitzt, die ausgezeichnete Kraftstoffausnutzung des Dieselmotors bereitzustellen, während die NOx- und Partikelemissionsniveaus viel niedriger sind als bei herkömmlichen funkengezündeten Motoren, wurde auch er kürzlich tiefgehend untersucht und entwickelt.
Bekanntlich ist es für die effiziente PCCI-Verbrennung mit niedrigen Emissionen wichtig, daß die Verbrennung beim richtigen Kurbelwinkel des Motorzyklus eintritt. In dieser Hinsicht wurde außerdem festgestellt, daß der Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung (SOC – start of cumbustion) und die Verbrennungsrate (und daher die Dauer der Verbrennung) bei einem PCCI-Motor hauptsächlich von verschiedenen Werten der Verbrennungshistorie abhängen, wie zum Beispiel von der Temperaturhistorie; von der Druckhistorie; von den Kraftstoffselbstzündungseigenschaften (z. B. Oktan-/Methanzahl oder Aktivierungsenergie); und von der Zusammensetzung der eingeschlossenen Zylinderladungsluftmischung (Sauerstoffgehalt, EGR, Feuchtigkeit, Äquivalenzverhältnis usw.). Es sollte jedoch beachtet werden, daß der Begriff PCCI den Gebrauch von Zündzeitbestimmungsmechanismen nicht ausschließt, wie von Voreinspritzungen und Funkenzündung nach dem Stand der Technik, die verwendet werden, um den Zeitpunkt des Beginns der Zündung eines Vorgemischs präzis festzulegen. Während das Vorgemisch auf Grund der Kompression verbrennen kann, helfen solche Zündtimingmechanismen beim Auslösen des SOC des Vorgemischs in einem genauen Zeitpunkt, um die wünschenswerten Verbrennungscharakteristiken sicher zu stellen. Das ist gegensätzlich zu Motoren ohne PCCI-Betrieb, wie herkömmliche Benzinmotoren mit Funkenzündung, bei welchen das Vorgemisch des Benzins mit der Luft ohne Funken überhaupt nicht zünden würde.
Ein Motor mit Kompressionszündung eines Vorgemischs mit optimaler Verbrennungssteuerung mit verschiedenen Steuerfeatures zum Steuern des SOC und der Verbrennungsrate wird in der WO98/007973 A1 , eingereicht am 22. August 1997, übertragen auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung, offenbart. Diese Anmeldung wurde auch als Internationale Patentanmeldung Nr. PCT/US97/14815 veröffentlicht. Wie in der WO98/007973 A1 offenbart, ist die aktive Steuerung wünschenswert, um den SOC und die Dauer der Verbrennung bei der wünschenswerten Lage der Kurbewelle bzw. mit der wünschenswerten Dauer aufrecht zu erhalten, um effektive, effiziente PCCI-Verbrennung mit hoher Effizienz und niedrigen NOx-Emissionen zu verwirklichen. In dieser Hinsicht offenbart die WO98/007973 A1 einen PCCI-Motor mit einem Steuersystem für die Verbrennungshistorie, das mindestens eines von einem Temperatursteuersystem, um die Temperatur des Gemischs aus Kraftstoff und Luft zu variieren, Drucksteuersystem, um den Druck des Gemischs zu steuern, Äquivalenzverhältnis-Steuersystem zum Ändern des Äquivalenzverhältnisses des Gemischs und Steuersystem für die Gemischselbstentzündungseigenschaft, um die Selbstentzündungseigenschaft des Gemischs zu variieren, umfaßt.
Der Motor verwendet ein Gerät zum Erkennen des Betriebszustands, das ein Signal an einen Prozessor sendet, der wiederum ein oder mehrere Steuersignale erzeugt, um das Steuersystem der Verbrennungshistorie zu steuern, wie das Temperatursteuersystem, das Drucksteuersystem, das Äquivalenzverhältnis-Steuersystem und/oder das Steuersystem für die Selbstzündungseigenschaft des Gemischs. So kann die variable Steuerung der Verbrennungshistorie zukünftiger Verbrennungsvorgänge erreicht werden. Ein Sensor für den Beginn der Verbrennung (SOC), wie ein Zylinderdrucksensor, kann verwendet werden, um den Beginn der Verbrennung zu erkennen, so daß auch eine effektive Rückkoppel- bzw. Feedbacksteuerung verwirklicht werden kann.
Auf Grund der Schwierigkeiten beim Steuern des Zeitpunkts des SOC bei einem PCCI-Verbrennungsvorgang, wurden Varianten von Motoren vorgeschlagen, die in PCCI-Betrieb arbeiten, darunter Verbrennungsmotoren, die im Doppelkraftstoffbetrieb arbeiten, bei dem der Motor arbeitet wie ein herkömmlicher Dieselmotor und in einem PCCI-Modus oder einer Kombination beider Betriebsarten. Zum Beispiel offenbart die WO98/007973 A1 weiter einen Motor, der in verschiedenen Betriebsarten arbeiten kann, und den Einsatz eines Injektors zum Einspritzen von zusätzlichem Gas oder Flüssigkeit, wie von Dieselkraftstoff in den Zylinder, um den PCCI-Verbrennungsvorgang zeitlich festzulegen. Es versteht sich, daß der Begriff PCCI den Gebrauch von Zündzeitbestimmungsmechanismen nicht ausschließt, wie zum Beispiel von Voreinspritzungen und Funkenzündung nach dem Stand der Technik, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung eines Vorgemischs präzis festzulegen. Während ein Vorgemisch auf Grund des Drucks verbrennen würde, helfen solche Zündzeitbestimmungsmechanismen beim Auslösen des SOC des Vorgemischs in einem bestimmten Zeitpunkt, um wünschenswerte Verbrennungskenndaten sicher zu stellen.
Die WO98/007973 offenbart weiter, daß das Dieselkraftstoff entweder früh im Kompressionsvorgang oder später im Kompressionsvorgang in der Nähe des oberen Totpunkts (TDC – top dead center) eingespritzt werden kann, um den PCCI-Verbrennungsvorgang auszulösen. So fügt eine späte Einspritzung eine kleine Menge Schichtkraftstoff hinzu, die kompressionsgezündet wird, um das Zünden des Vorgemischs während des PCCI-Verbrennungsvorgangs zu unterstützen. Diese frühe Einspritzung hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weil sie einen effektiven Weg bietet, das Zünden des Vorgemischs auszulösen und den SOC eines PCCI-Motors zu steuern.
Außerdem wurden PCCI-Motoren vorgeschlagen, bei welchen eine Voreinspritzung von Dieselkraftstoff direkt in das Vorgemisch spät im Verbrennungszyklus erfolgt, wie zum Beispiel in der Nähe des oberen Totpunkts, um das Vorgemisch zu zünden und dadurch das präzise zeitliche Festlegen des SOC zu erlauben. Im Gegensatz zu echten PCCI-Motoren, bei welchen genug Vorgemisch bereitgestellt wird, um das Selbstzünden des Vorgemischs durch die Kompression zu erlauben, bieten diese Motorentypen nicht die richtigen Bedingungen (wie zum Beispiel Gastemperatur und Druck in der Nähe des oberen Totpunkts), um das Selbstzünden auszulösen. Ohne Voreinspritzung, die als Zündquelle wirkt, wie sie eine Flammenfront bereitstellt (oder ein anderer Zündmechanismus), träte kein Zünden des Vorgemischs ein. Daher verbrennen diese Motoren das Vorgemisch nicht wie bei einem echten PCCI-Vorgang und sie ähneln leicht den herkömmlichen Benzinmotoren mit Funkenzündung, bei welchen das Vorgemisch ohne Funken oder Flammenausbreitungsmechanismus überhaupt nicht zünden würde.
Trotz dieser signifikanten jüngeren Entwicklungen in der Verbrennungsmotorentechnologie besteht noch Bedarf an weiterer Steigerung der Kraftstoffeffizienz von Verbrennungsmotoren unter Minimierung der Abgasemissionen. Diese weiteren Verbesserungen an den Abgasemissionen sind wünschenswert und erforderlich, um die ständig verschärften Regierungsforderungen zu erfüllen, insbesondere hinsichtlich der NOx-Emissionsniveaus, die mit der derzeitig bekannten Technologie und den heutigen Verfahren schwer noch weiter reduzierbar sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Vorgenannten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor und Verfahren bereitzustellen, der bzw. das in einem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch bei verbesserter Kraftstoffeffizienz arbeitet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines solchen Motors und Verfahrens, der bzw. das Abgasemissionen verringert.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Motors und eines Verfahrens, der bzw. das eine ausreichend frühe Steuereinspritzung in die Brennkammer erlaubt, um den Beginn der Verbrennung korrekt zu steuern, wobei dabei die Möglichkeit minimiert wird, daß Kraftstoffnebel auf die Wände der Brennkammer trifft.
In Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch einen Verbrennungsmotor verwirklicht, der im Kompressionszündmodus von Vorgemisch betrieben werden kann, und durch ein Verfah ren zum Steuern des Motors, wobei der Motor einen Motorkörper mit einem Kolbenaufbau, eine Brennkammer, die von dem Kolbenaufbau im Motorkörper gebildet wird, ein Ansaugsystem zur Zuführung von Ansaugluft zur Brennkammer während eines Ansaughubs, eine Mischvorrichtung, die den ersten Kraftstoff mit der Ansaugluft mischt, um ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff bereitzustellen, einen Direktkraftstoffinjektor, der geeignet ist, einen zweiten Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, und ein Steuersystem umfaßt, das geeignet ist, den Direktkraftstoffinjektor so zu steuern, daß er zumindest eine frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs in die Brennkammer durchführt, bevor die Verbrennung des Vorgemischs beginnt. Die frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs wird vorzugsweise während mindestens einer der Phasen Ansaughub und Kompressionshub, während dessen das Vorgemisch in der Brennkammer vorgemischt wird, in die Brennkammer eingespritzt. Bei einer Ausführung kann die frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs während des Ansaughubs in die Brennkammer eingespritzt werden, um ein ausreichendes Mischen des zweiten Kraftstoffs mit der Ansaugluft zu erlauben. Die Mischvorrichtung kann mindestens eines der Elemente Vergaser, Drosselkörperinjektor und Öffnungskraftstoffinjektor umfassen, das geeignet ist, die Luft und den ersten Kraftstoff stromauf der Brennkammer zu mischen.
In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann das Steuersystem dazu geeignet sein, mindestens einen der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge der frühen Steuereinspritzung zu steuern. Das Steuersystem kann auch dazu geeignet sein, die Menge des zweiten Kraftstoffs, die während der frühen Steuereinspritzung vom Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird, nach mindestens einem der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors variabel zu steuern. Die Festlegung des Zeitpunkts und der Menge der frühen Steuereinspritzung kann auf der Grundlage des wünschenswerten Zeitpunkts des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs variabel gesteuert werden.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung beträgt die mindestens eine frühe Steuereinspritzung weniger als 10 Prozent des Kraftstoffs, der verbrannt werden soll, und vorzugsweise weniger als 5 Prozent. Mindestens einer des ersten Kraftstoffs und zweiten Kraftstoffs kann mindestens einer der Kraftstoffe Dieselkraftstoff, Erdgas, Benzin, Propan, Rohbenzin und Kerosin sein. Bei einer Ausführung sind der erste Kraftstoff und der zweite Kraftstoff unterschiedliche Kraftstofftypen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführung ist die mindestens eine frühe Steuereinspritzung eine Vielzahl aus frühen Steuereinspritzungen. In dieser Hinsicht beträgt jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen weniger als 10 Prozent des zu verbrennenden Kraftstoffs und vorzugsweise weniger als 5 Prozent des zu verbrennenden Kraftstoffs. Bei einer anderen Ausführung ist jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen durch einen Zeitraum von der anderen getrennt, der ausreicht, um das Mischen einer Steuereinspritzung vor dem Beginn einer anderen Steuereinspritzung zu gestalten und/oder ausreicht, um zu erlauben, daß sich der Direktkraftstoffinjektor von einer Steuereinspritzung erholt, bevor er mit einer anderen Steuereinspritzung beginnt. In dieser Hinsicht kann jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen durch einen Zeitraum von der anderen getrennt werden. Der Zeitraum zwischen jeder der Vielzahl früher Steuereinspritzungen reicht vorzugsweise, um das Mischen einer frühen Steuereinspritzung vor dem Beginn einer anderen frühen Steuereinspritzung zu erlauben, und/oder reicht, um es dem Direktkraftstoffinjektor zu erlauben, sich nach einer frühen Steuereinspritzung zu erholen, bevor er mit einer anderen frühen Steuereinspritzung beginnt. Der Zeitraum kann zwischen 500 μs und 2500 μs liegen, vorzugsweise beträgt er 1250 μs.
Bei noch einer anderen Ausführung umfaßt der Motorkörper eine Vielzahl von Zylindern, die jeder einen Kolbenaufbau aufweisen, der eine Brennkammer bildet, und das Steuersystem ist außerdem dazu geeignet, die Menge des zweiten Kraftstoffs, die der Direktkraftstoffinjektor während der Vielzahl früher Steuereinspritzungen einspritzt, in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder auf einmal zu variieren.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dank der folgenden Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung kombiniert mit den begleitenden Zeichnungen verdeutlicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Zylinders eines Verbrennungsmotors in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Grafik, die die Dauer darstellt, die für einen Injektor erforderlich ist, um eine frühe Steuereinspritzung durchzuführen und sich zu erholen, gemessen in Kurbelwinkeln.
3 ist eine schematische Darstellung einer Multizylindereinheit eines Verbrennungsmotors in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Grafik der Massendurchsatzrate der frühen Steuereinspritzung und der entsprechenden Massendurchsatzrate der EGR, die der Ansaugluft zugeführt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie nachfolgend detailliert beschrieben wird, stellt einen verbesserten Verbrennungsmotor bereit, der im Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch arbeiten kann, sowie ein Betriebsverfahren für einen solchen Motor, das die Kraftstoffeffizienz unter Verringerung der Abgasemissionen, die umweltschädlich sein können, steigert. In dieser Hinsicht wird eingangs gleich hervorgehoben, daß die Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierunter im Detail besprochen wird, bloß eine Ausführung eines Verbrennungsmotors ist, bei dem Erdgas verwendet wird, um ein Vorgemisch bereitzustellen, und bei dem Dieselkraftstoff verwendet wird, um eine frühe Steuereinspritzung durchzuführen. Wie bereits oben erwähnt, ist der PCCI-Verbrennungsvorgang dadurch gekennzeichnet, daß: 1. der größte Teil des Kraftstoffs ausreichend mit Luft vorgemischt wird, um ein Kraftstoffgemisch in der gesamten Charge bzw. Ladung im Zeitpunkt der Zündung zu bilden; und 2. das Zünden durch Kompressionszünden ausgelöst wird. Eine Ausführung, bei der Erdgas für das Vorgemisch verwendet wird und Dieselkraftstoff zur Bereitstellung einer frühen Steuereinspritzung, wurde von der vorliegenden Anmelderin ausführlich untersucht und wird nachfolgend im Detail besprochen. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung bei anderen Ausführungen von Verbrennungsmotoren angewandt werden kann, die andere Kraftstoffe verwenden, um das Vorgemisch und die frühe Steuereinspritzung bereitzustellen, darunter (aber nicht darauf beschränkt) Erdgas, Benzin, Propan, Dieselkraftstoff, Kerosin, Rohbenzin und/oder andere Kraftstoffe.
1 zeigt allgemein ein Beispiel eines Verbrennungsmotors 10, der im PCCI-Betrieb in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann. Wie gezeigt, umfaßt der Verbrennungsmotor 10 einen Motorkörper 12 mit einem darin hin her bewegbar eingebauten Kolbenaufbau 14. Der Kolbenaufbau 14 bildet im Motorkörper 12 eine Brennkammer 16, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Der Verbrennungsmotor 10 umfaßt außerdem ein Einlaß- bzw. Ansaugsystem 18 zur Zuführung von Einlaß- bzw. Ansaugluft zur Brennkammer 16 durch ein Einlaß- bzw. Ansaugventil 20. Es wird betont, daß 1 zwar nur einen Zylinder darstellt, daß die vorliegenden Erfindung jedoch bei Verbrennungsmotoren in verschiedenen Konfigurationen verwendet werden kann, darunter auch bei Motoren mit jeder Anzahl von Zylindern, zum Beispiel vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf, sechzehn Zylindern usw.
In Übereinstimmung mit der dargestellten Ausführung umfaßt der Verbrennungsmotor 10 eine Mischvorrichtung, wie einen Öffnungskraftstoffinjektor 22, der dazu geeignet ist, Ansaugluft und einen ersten Kraftstoff 23 stromauf der Brennkammer 16 zu mischen und der Brennkammer 16 so ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff 23 bereitzustellen. Auch hier ist der erste Kraftstoff 23 in der dargestellten Ausführung Erdgas, der erste Kraftstoff 23 kann bei anderen Ausführungen jedoch Benzin oder ein anderer Kraftstofftyp oder eine Mischung aus Kraftstofftypen sein. Außerdem sollte beachtet werden, daß andere Mischvorrichtungen an Stelle des Öffnungskraftstoffinjektors 22 verwendet werden können, wie ein Vergaser oder ein Drosselkörperinjektor. Das Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff wird der Brennkammer 16 zugeführt, so daß der Kolbenaufbau 14 das Vorgemisch während des Kompressionshubs komprimiert, so daß der PCCI-Vorgang in der Brennkammer 16 auftreten kann.
Vor dem PCCI-Vorgang des Vorgemischs auf Grund der durch die Kompression mit dem Kolbenaufbau gesteigerten Temperatur und des gesteigerten Drucks wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mindestens eine frühe Steuereinspritzung bereitgestellt. In dieser Hinsicht ist der Verbrennungsmotor 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung außerdem mit einem Direktkraftstoffinjektor 26 versehen, der dazu geeignet ist, eine frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs 27 in die Brennkammer 16 direkt unter Hochdruck einzuspritzen, vorzugsweise während des Ansaughubs und/oder des Kompressionshubs. Die Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs 27 erfolgt "früh" genug in dem Sinne, daß sie bereitgestellt wird, bevor das Zünden des Vorgemischs in einem PCCI-Vorgang erfolgen kann. Wie weiter unter genauer erklärt, ist die frühe Einspritzung des zweiten Kraftstoffs 27 eine "Steuereinspritzung" in dem Sinn, daß sie dazu verwendet werden kann, den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung (SOC) des PCCI-Vorgangs zu steuern, während dessen das Vorgemisch durch das Komprimieren in der Brennkammer 16 von selbst zündet. Wie weiter oben bereits erwähnt, ist zu verstehen, daß sich der SOC auf den Punkt in der Zeit bezieht, in welchem eine Charge bzw. Ladung im Zylinder zu zünden beginnt. Außerdem darf die frühe Steuereinspritzung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nicht mit frühen Voreinspritzungen verwechselt werden, die wie nach dem Stand der Technik bekannt und früher beschrieben spät im Kompressionshub erfolgen und bei solchen Anwendungen erforderlich sind, um eine lokale Zündquelle bereitzustellen, wie zum Beispiel eine Flammenfront, die das Vorgemisch zündet, so daß diese Verbrennung nicht als echte PCCI-Verbrennung betrachtet werden kann.
In der hier beschriebenen Ausführung der 1 ist der zweite Kraftstoff 27 Dieselkraftstoff, bei dem die vorliegenden Erfinder festgestellt haben, daß er sehr wünschenswerte Zündungs- und Verbrennungseigenschaften aufweist, wenn er mit Erdgas als erstem Kraftstoff 23 kombiniert verwendet wird. Dieselkraftstoff hat sich als gute Auswahl mit hoher Cetenzahl zum Steuern des SOC herausgestellt, weil Dieselkraftstoff einen großen Anteil seiner Energie bei relativ niedrigen Temperaturen freisetzt, so daß sich Dieselkraftstoff leicht kompressionszünden läßt. Bei dieser Ausführung wurde festgestellt, daß sie ein schnelles Ändern der Temperatur und der Zusammensetzung des Vorgemischs während des Ansaug- und/oder Kompressionshubs des Kolbenaufbaus 14 zyklenweise ermöglicht, so daß eine sehr schnelle Steuerung des SOC möglich ist. Man sollte jedoch beachten, daß auch andere Kraftstofftypen und deren Mischungen in anderen Ausführungen ebenso verwendet werden können.
Der Direktkraftstoffinjektor 26 ist zur Kommunikation mit einem Steuersystem verbunden, wie zum Beispiel mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU – electric control unit) 30, die in der Ausführung der 1 gezeigt ist, und die dazu geeignet ist, den Direktkraftstoffinjektor 26 schnell so zu steuern, daß mindestens eine frühe Steuereinspritzung bereitgestellt wird, bei der der zweite Kraftstoff 27 direkt in die Brennkammer 16 vor dem SOC des Vorgemischs in die Brennkammer 16 bei einem PCCI-Vorgang eingespritzt wird. Die ECU 30 kann einen Prozessor umfassen, wie einen Mikro-Controller, Mikroprozessor oder eine andere geeignete Mikrorecheneinheit zum Steuern des Direktkraftstoffinjektors 26 oder anderer Bauteile des Verbrennungsmotors 10 nach einer weiter unten beschriebenen Vorgehensweise.
Es wird außerdem betont, daß die 1 zwar sowohl den ersten Kraftstoff 23 bei Einspritzen durch den Öffnungskraftstoffinjektor 22 zeigt als auch den zweiten Kraftstoff 27 beim Einspritzen durch den Direktkraftstoffinjektor 26, daß diese Vorgänge typisch jedoch nicht gleichzeitig auftreten. Wie besprochen, spritzt der Öffnungskraftstoffinjektor den ersten Kraftstoff 23 in die Ansaugluft ein und stellt dadurch ein Vorgemisch bereit, daß dann der Brennkammer 16 durch das Einlaß- bzw. Ansaugventil 20 zugeführt wird. Während das Vorgemisch der Brennkammer 16 während des Einlaß- bzw. Ansaughubs oder danach während des Verbrennungshubs zugeführt wird, spritzt der Direktkraftstoffinjektor 26 den zweiten Kraftstoff 27 während der mindestens einen frühen Steuereinspritzung in die Brennkammer 16 ein.
Während des Komprimierens des Vorgemischs durch den Kolbenaufbau 14 werden die Temperatur und der Druck stark gesteigert, bis das Vorgemisch in einem PCCI-Vorgang gezündet wird. Der Kolbenaufbau 14 wird im Motorkörper 12 nach unten geschoben, und der Kolbenaufbau 14 überträgt Kräfte, die bei der Verbrennung entstehen, an das (nicht dargestellte) Motorantriebssystem, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Verbrennungsabgase werden aus der Brennkammer 16 über das Auslaß- bzw. Abgasventil 32 und ein Abgassystem 34 abgeleitet, die ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Bei der dargestellten Ausführung ist das Steuersystem, wie die ECU 30, außerdem dazu geeignet, mindestens einen der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs 27, der vom Di rektkraftstoffinjektor 26 eingespritzt wird, und vorzugsweise die Mischvorrichtung, wie den Öffnungskraftstoffinjektor 22, wie gezeigt, zu steuern. Der Direktkraftstoffinjektor 26 des Verbrennungsmotors 10 kann dann von der ECU 30 gesteuert werden, um den Direktkraftstoffinjektor 26 so wie weiter unten beschrieben auf der Grundlage einer Betriebsbedingung der Verbrennungsmotors 10, der Betriebsart des Verbrennungsmotors 10 oder anderer Parameter variabel zu steuern. Die oben genannte Steuerung von Einspritzparametern kann auf dem gemessenen SOC, der Temperatur, Last, Drehzahl, Drosselposition, Qualität des Kraftstoffs usw. des Verbrennungsmotors 10 und/oder nach Vorgaben des Bedieners beruhen.
In dieser Hinsicht sollte erklärt werden, daß die Qualität des ersten Kraftstoffs 23, der durch die Mischvorrichtung eingespritzt werden soll, wie durch den Öffnungskraftstoffinjektor 22, variieren kann. Das ist der Fall, wenn der erste Kraftstoff 23 das im Handel erhältliche Erdgas ist, bei dem die Methanzahl signifikant von einer geografischen Zone zur anderen wie auch von einem Tag auf den anderen variieren kann. Die Schwankung der Kraftstoffqualität verändert auch die zeitliche Bestimmung des SOC. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die frühe Steuereinspritzung dazu verwendet werden, den Zeitpunkt des SOC je nach Qualität des ersten Kraftstoffs 23 zu steuern. In dieser Hinsicht kann ein Sensor (nicht dargestellt) bereitgestellt werden, um die Qualität des ersten Kraftstoffs 23 zu erfassen und der ECU 30 ein Signal zu senden, so daß der SOC richtig anhand der ersten Steuereinspritzung je nach Kraftstoffqualität zeitlich angepaßt wird. Natürlich kann die Qualitätsbestimmung und Kompensation des SOC auf der Qualität des zweiten Kraftstoffs 27 auch bei anderen Ausführungen beruhen.
Außerdem kann die ECU auch dazu geeignet sein, einen Vielzahl von Ausgangssignalen, die mit 36 bezeichnet werden, zu erzeugen, um die Bauteile in Zusammenhang mit einem Steuersystem der Verbrennungshistorie variabel zu steuern, die eines oder mehrere der Elemente variable Ventilsteuerung, Kompressorsteuerung, Kühlersteuerung, Radiatorsteuerung, Steuerung für ein variables Kompressionsverhältnis, Kraftstoffsystemsteuerung und/oder Glühkerzen wie gezeigt zum Steuern der Selbstzündungseigenschaft des Gemischs umfassen. Diese Steuersysteme können auch in Verbindung mit der frühen Steuereinspritzung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um den SOC noch weiter zu steuern. Die spezifischen Details der variabel steuernden Bauteile in Zusammenhang mit dem System zum Steuern der Verbrennungshistorie wurden in der Patentanmeldung Serien-Nr. PCT/US99/03289 besprochen, deren gesamter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird.
Die Bedeutung der Bereitstellung einer frühen Steuereinspritzung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird hiernach erklärt. Wie weiter oben erwähnt, kann Dieselkraftstoff als frühe Steuereinspritzung während des Ansaughubs und/oder während des Kompressionshubs eingespritzt werden. Eine solche frühe Steuereinspritzung von Dieselkraftstoff (zweiter Kraftstoff) wurde von den Antragstellern als sehr vorteilhaft befunden, weil sie einen effektiven Weg bietet, den Zeitpunkt des SOC des Vorgemischs bei einem Motor mit PCCI-Betrieb zu steuern. Dieses Steuern des Zeitpunkts des SOC ist wichtig, weil effektive PCCI-Verbrennung unter bestimmten Betriebsbedingungen sehr schwer zu verwirklichen ist, zum Beispiel während des Anlassens des Motors, bei niedrigen und hohen Motorlasten, bei Übergängen zwischen Betriebsarten oder wenn die Temperatur der Ansaugluft und/oder des Ansaugkrümmers niedrig ist. Insbesondere haben die Antragsteller festgestellt, daß der Zeitpunkt des SOC des Vorgemischs weiter vorgelegt wird, wenn die Menge des Kraftstoffs während der frühen Steuereinspritzung gesteigert wird, was besonders unter den oben genannten Betriebsbedingungen seine Bedeutung hat. Während die bekannte Ausübung der Bereitstellung einer Voreinspritzung zum Zünden des Vorgemischs auch das Steuern des Zeitpunkts des SOC erlaubt, wurde festgestellt, daß auf Grund der Tatsache, daß eine solche Verbrennung keine echte PCCI-Verbrennung ist, eine solche Betriebsart eines Motors in verringerter Kraftstoffeffizienz und gesteigerten Abgasemissionen resultiert, wodurch einige der Vorteile und die Motivation aufgehoben werden, mit einem Motor fortzusetzen, der im PCCI-Kompressionsmodus arbeitet.
Durch Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung, bei der die frühe Steuereinspritzung während des Ansaug- und/oder des Kompressionshubs erfolgt, um den Zeitpunkt des SOC zu steuern, haben die Antragsteller festgestellt, daß für den Gebrauch der frühen Steuereinspritzung in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Ausführung der vorliegenden Erfindung einige Einschränkungen bestehen, ob die Steuereinspritzung nun während des Ansaughubs oder während des Kompressionshubs erfolgt. Insbesondere kann der Zeitpunkt für die frühe Steuereinspritzung typisch in der Größenordnung von 100 Kurbelwinkelgrad vor dem oberen Totpunkt (BTDC – before top dead center) liegen, obwohl andere Kurbelwinkelgrade ebenfalls geeignet sind. Es hat sich herausgestellt, daß der Zeitpunkt der frühen Steuereinspritzung des Vorgemischs in der "verzögerten" Richtung durch die Mischzeit beschränkt wird, die erforderlich ist, um eine reiche bzw. fette Verbrennung und entsprechend hohe NOx-Erzeugung zu vermeiden. Ein anderer Ansatz ist die Möglichkeit des Auftreffens von Rohkraftstoff auf der Brennkammerwandung 16, die hier Zylinderwandung genannt wird, und des Einführens von Rohkraftstoff in die Abgase. Diese Beschränkungen entstehen durch die Tatsache, daß auf Grund des frühen Einspritzens des zweiten Kraftstoffs bei relativ niedrigem Zylinderdruck des Vorgemischs die hohe Wahrscheinlichkeit besteht, daß der Sprühnebel der frühen Steuereinspritzung direkt die Zylinderwandung trifft, was einer effizienten Verbrennung und den Abgasemissionen schadet. Bei gewissen Anwendungen sind der Zeitpunkt sowie auch die Menge der frühen Steuereinspritzung außerdem in die "vorgeschobene" Richtung durch die Möglichkeit beschränkt, daß Rohkraftstoff auf das Einlaß- bzw. Ansaugventil 20 trifft, wenn dieses geöffnet wird. Die Beschränkungen der Menge Kraftstoff, die während der frühen Steuereinspritzung eingespritzt wird, wurde von den Erfindern als ein signifikantes Problem für PCCI-Motorenanwendungen erkannt, wie zum Beispiel beim Verbrennungsmotor 10 der 1, und insbesondere wenn der Motor 10 bei leichten Lasten betrieben wird, vom herkömmlichen Dieselbetrieb auf PCCI-Betrieb übergeführt wird, oder wenn die Temperatur der Ansaugluft und/oder des Ansaugkrümmers niedrig ist. Unter solchen Betriebsbedingungen ist eine signifikante Vorverlegung des Zeitpunkts des SOC wünschenswert, um eine ordnungsgemäße PCCI-Verbrennung sicher zu stellen, aber auf Grund der oben genannten Einschränkungen, die das Festlegen des Zeitpunkts der frühen Steuereinspritzung einschränken, ist das Festlegen des Zeitpunkts des SOC ebenfalls beschränkt, so daß das wünschenswerte signifikante Vorverlegen des Zeitpunkts des SOC nicht einfach zu verwirklichen ist.
Bei der gründlichen Untersuchung des Verbrennungsmotors 10, der im PCCI-Betrieb mit einem Hochdruck-Commonrail-Dieselkraftstoffsystem betrieben werden kann, wie es von Cummins Engine Company, Inc. oder Bosch hergestellt wird, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß unter den oben genannten Betriebsbedingungen eine relative große Menge des zweiten Kraftstoffs, wie zum Beispiel 10 mm³ (was 10 Prozent des gesamten Kraftstoffs ausmacht, der bei der Motorkonfiguration der Versuche verbrannt werden sollte) direkt in die Brennkammer als frühe Steuereinspritzung eingespritzt werden muß, um einen vorgezogenen Zeitpunkt des SOC während der PCCI-Verbrennung wie gewünscht zu erzielen. Anderenfalls trat unter bestimmten Betriebsbedingungen die PCCI-Verbrennung nur ein, wenn eine Steuereinspritzung oder ein Zündmechanismus bereitgestellt wurden. Wie weiter oben beschrieben, scheint der Kraftstoffnebel einer so großen direkt in die Brennkammer 16 eingespritzten Menge direkt auf die Zylinderwandung aufzutreffen und ineffiziente Verbrennung, gesteigerte Abgasemissionen und Schmierölverdünnung hervorzurufen.
Diese Beschränkung im Festlegen des Zeitpunkts des SOC in die "vorgeschobene" Richtung wurde durch Tests bestätigt, die mit einem Aufbau zur Anzeige des Hochdrucknebels durchgeführt wurden. Anhand einer gründlichen Untersuchung wurde festgestellt, daß das Auftreffen des eingespritzten Dieselkraftstoffs auf der Zylinderwandung vermieden wird, wenn die frühe Dieselkraftstoffsteuereinspritzung über die Düse auf im wesentlichen 5 Prozent des zu verbrennenden Kraftstoffs beschränkt wird, die bei der Motorkonfiguration, die für den Test verwendet wurde, ca. 5 mm³ betrug. Bei höheren Prozentsätzen (d. h. bei höheren Verschiebungen für die vorliegende Motorkonfiguration) zeigen die Daten des Aufbaus für das Nebelanzeigen sowie die Analyse mit Nebeleindringmodellen, daß der Dieselkraftstofffluß aus der Düse des Direktkraftstoffinjektors 26 die Wandung der Brennkammer 16 trifft. Weitere Tests mit einem Verbrennungsmotor 10 mit Direktkraftstoffinjektor 26 haben bestätigt, daß die frühe Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungsmenge über 5 Prozent des zu verbrennenden Kraftstoffs die Rauchabgaben des Motors signifikant steigert. Außerdem waren Versuche, den Verbrennungsmotor 10 mit frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen von im wesentlichen 20 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs (etwa 20 mm³ bei der vorliegenden Motorkonfiguration) bei relativ niedrigen Temperaturen des Ansaugkrümmers nicht erfolgreich. Diese spezifischen Versuche weisen darauf hin, daß signifikante Mengen der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzung mit Mengen von etwa 5 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs auftreffen, die in diesen Versuchen etwa 5 Prozent betrugen. Natürlich muß darauf hingewiesen werden, daß viele Variablen, wie zum Beispiel die Größe des Motors und die Düsengeometrie die zulässige Menge der frühen Steuereinspritzung beeinflussen, und daß andere Mengen daher bei anderen Motorkon figurationen geeignet sein können. Außerdem wird hervorgehoben, daß der Begriff "gesamter Kraftstoff", so wie er hier verwendet wird, den gesamten ersten Kraftstoff und zweiten Kraftstoff kombiniert bedeutet, der während des Verbrennungshubs des Kolbenaufbaus 14 zu verbrennen ist, wobei die prozentuale Menge auf einem beliebigen messbaren Parameter beruht. Wenn sich die beiden Kraftstoffe äquivalent messen lassen, kann die relative prozentuale Menge des direkt eingespritzten zweiten Kraftstoffs im Vergleich zum gesamten Kraftstoff anhand des Volumens oder des Gewichts bestimmt werden. In anderen Fällen kann die relative prozentuale Menge des zweiten Kraftstoffs in Bezug auf den gesamten Kraftstoff durch den Energiegehalt in BTU oder Joule usw. bestimmt werden.
Es muß betont werden, daß ein Begrenzen der Menge der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzung auf etwa 5 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs die Zeitpunktsteuerung des SOC und daher die Motorbetriebsbedingungen schwer einschränkt, die gegeben sein müssen, um effektive PCCI-Verbrennung in der Brennkammer 16 sicher zu stellen. Eine solche Beschränkung der Menge der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzung auf etwa 5 Prozent des gesamten Kraftstoffs beschränkt zum Beispiel die Temperaturen der Ansaugluft und des Krümmers, die Drücke des Ansaugkrümmers, das Äquivalenzverhältnis (Kraftstoff-Luft-Verhältnis) und die Einstellungen der Abgasrückführungsrate (EGR – exhaust gas recirculation), mit welchen der Verbrennungsmotor 10 effektiv im PCCI-Betrieb funktionieren kann, um die wünschenswerte Zeitpunktfestlegung des SOC und Abgasemissionen zu verwirklichen. Umgekehrt erweitern höhere Mengen der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzung den Bereich der akzeptablen Ansaugkrümmertemperatur, des Ansaugkrümmerdrucks, des Äquivalenzverhältnisses und der EGR-Rateneinstellungen usw., so daß der potentielle Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 10 im PCCI-Betrieb erweitert wird. Dieser erweiterte Bereich ist sehr wünschenswert, um Drehzahl, Last und Wärmespitzen, die beim Verbrennungsmotor 10 während des alltäglichen Betriebs auftreten, zu berücksichtigen.
Die Möglichkeit des Eliminieren des Auftreffens des Kraftstoffs auf der Zylinderwandung der Brennkammer 16 durch Neukonzeption der Düse des Direktkraftstoffinjektor 26 wurde von den vorliegenden Antragstellern erkannt und berücksichtigt. Eine Lösungsmöglichkeit ist die Bereitstellung des in 1 dar gestellten Direktkraftstoffinjektors 26 mit geringerem eingeschlossenem Winkel für die Düsenöffnungen, was es erlaubt, eine größere Menge des Kraftstoffs einzuspritzen und gleichzeitig das Auftreffen des zweiten Kraftstoffs 27 auf die Zylinderwandung zu vermeiden. Das ist eine relativ einfache Lösung für das Auftreffproblem, das oben beschrieben wurde und unterstützt die Beschränkung der Zeitpunktbestimmung des SOC in die "vorgezogene" Richtung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch festgestellt, daß die oben vorgeschlagene Lösung signifikante Limits aufweist. Insbesondere soll der Direktkraftstoffinjektor 26 auch andere Düsenkonzeptionsparameter auf der Grundlage verschiedener anderer Betriebsbedingungen erfüllen, so daß der Direktkraftstoffinjektor 26 in einer Vielzahl verschiedener Motorbetriebsweisen verwendet werden kann, um seinen Nutzen zu maximieren und die Kosten zu minimieren. Zusätzlich zum oben beschriebenen PCCI-Betrieb kann der Verbrennungsmotor 10 zum Beispiel dazu geeignet sein, unter gewissen Bedingungen im reinen Dieselbetrieb zu funktionieren, bei dem der Direktkraftstoffinjektor 26 eher wie ein herkömmlicher Dieselinjektor verwendet wird, oder im Doppelkraftstoffbetrieb, bei dem Erdgas und Dieselkraftstoff in verschiedenen Anteilsmengen verbrannt wird, wie zum Beispiel 50% Erdgas und 50% Dieselkraftstoff. Zu diesen Bedingungen können auch das Anlassen, Betrieb mit leichter Last, mit schwerer Last und andere Betriebsbedingungen gehören.
Es ist daher wünschenswert, einen Direktkraftstoffinjektor 26 bereitzustellen, der dazu beeignet ist, sowohl zur frühen Steuereinspritzung verwendet zu werden, wenn der Verbrennungsmotor im PCCI-Betrieb läuft, und als normaler Dieselkraftstoffinjektor, wenn der Verbrennungsmotor im herkömmlichen Dieselbetrieb oder Doppelkraftstoffbetrieb läuft. Leider ist es wahrscheinlich, daß Injektoren mit Düsen mit schmalerem bzw. flacherem Öffnungswinkel nicht richtig oder optimal im herkömmlichen Dieselbetrieb oder im Doppelkraftstoffbetrieb funktionieren. Daher stellt die ideale Konzeption der Düsenöffnungsgeometrie des Direktkraftstoffinjektors 26 eine frühe Steuereinspritzung bereit und ist gleichzeitig kompatibel für den Gebrauch als herkömmliche Dieselinjektordüse. Anderenfalls müssen getrennte Injektoren vorgesehen werden, damit der Verbrennungsmotor in verschiedenen Betriebsarten funktionieren kann, und solche Auflagen steigern Motor- und Herstellungskosten deutlich. Auch wenn für kleine Änderungen an den bestehenden Düsenkonfigurationen gesorgt werden kann, ist eine radikale optimierte Neukonzeption zum alleinigen Zweck des Optimierens der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzung durch den Direktkraftstoffinjektor 26 nicht wünschenswert. Vielmehr hat ein Direktkraftstoffinjektor 26 zur Bereitstellung der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzung Düsenöffnungskonfigurationen, die im wesentlichen mit herkömmlichen Dieselmotoren und herkömmlichem Betrieb vereinbar sind, was sehr flache Öffnungswinkel der Düsenöffnungen ausschließt.
Angesichts der oben erwähnten Fakten haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, das der Commonrail-Kraftstoffinjektor, der als Direktkraftstoffinjektor 26 in der Verbrennungsmotor 10 verwendet wird, eine Zuführzeit von etwa 500 μs bei 5000 psi Rail-Druck, eine Spulensättigungszeit von etwa 300 μs und eine Erholungszeit von etwa 450 μs hat. 2 zeigt eine Linie 40, die der Dauer entspricht, die beim Bosch^®-Commonrail-Kraftstoffinjektor, der oben besprochen wurde, erforderlich ist, damit er die frühe Steuereinspritzung der vorliegenden Erfindung in Kurbelwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors 10 durchführt und sich wieder erholt. Wie ersichtlich, steigt die Dauer der Erholungszeit bei steigender Motordrehzahl im wesentlichen proportional. Sogar bei der Motordrehzahl von 2500 U/min beträgt die gesamte Injektorvorgangszeit für den Direktkraftstoffinjektor 26 zum Bereitstellen einer frühen Steuereinspritzung etwa 20 Kurbelwinkelgrad. Angenommen, daß ein "Fenster" existiert, um die frühe Steuereinspritzung von der Zeit des Öffnens des Ansaugventils bis etwa 100 Kurbelwinkelgrad vor dem TDC bereitzustellen, was etwa 280 Kurbelwinkelgrad beträgt, kann der Direktkraftstoffinjektor 26 der 1 so betrieben werden, daß er vierzehn (14) frühe Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen durchführt.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird der in 1 gezeigte Direktkraftstoffinjektor 26 von der ECU 30 so gesteuert, daß er eine Vielzahl früher Steuereinspritzungen vor dem Auslösen des SOC des Vorgemischs in der Brennkammer 16 durchführt. Außerdem wird der Direktkraftstoffinjektor 26 vorzugsweise so gesteuert, daß die Menge des während jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen eingespritzten Dieselkraftstoffmenge 10 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs oder weniger ausmacht, wie vorzugsweise 5 Prozent. Durch die Bereitstellung einer Vielzahl früher Steuereinspritzungen in kleinen Mengen vermeidet die vorlie genden Erfindung die Wahrscheinlichkeit, daß Dieselkraftstoff auf die Zylinderwandung der Brennkammer 16 trifft, während doch genug Dieselkraftstoff (zweiter Kraftstoff) zugeführt wird, um den Zeitpunkt des SOC des Vorgemischs in einem PCCI-Verbrennungsvorgang präzis zu steuern.
Es wird hervorgehoben, daß die oben erwähnte mögliche Ausführung der Bereitstellung von bis zu vierzehn (14) frühen Steuereinspritzungen die Rail-Dynamiken oder andere Faktoren nicht berücksichtigt, die eine so große Anzahl früher Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen des Direktkraftstoffinjektor 26 einschränken können. Außerdem ist es unwahrscheinlich, daß eine so hohe Anzahl früher Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen tatsächlich bei handelsüblichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In dieser Hinsicht und auf der Grundlage der Versuche der Antragsteller der vorliegenden Erfindung sind zwei bis vier frühe Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen wahrscheinlich genug, um den Zeitpunkt des SOC des Vorgemischs unten den meisten Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 10 im PCCI-Betrieb vorzuverlegen. Je nach den Kenndaten des Direktkraftstoffinjektors 26, der Merkmale des Verbrennungsmotors 10 und der Betriebsbedingungen, kann der Direktkraftstoffinjektor 26 jedoch so betrieben werden, daß er zusätzliche frühe Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen in die Brennkammer 16 durchführt. Es muß jedoch auch festgehalten werden, daß frühe Steuereinspritzungen von 5 Prozent des gesamten einzuspritzenden Kraftstoffs (im vorliegenden Fall etwa 5 mm³) bloß ein Beispiel sind, das auf das spezifische Commonrail-Kraftstoffinjektorsystem und die spezifische Geometrie der Brennkammer 16 des Verbrennungsmotors 10 angewandt wurde. Bei anderen Anwendungen sind die Kraftstoffeinspritzsysteme und der Motor in ihren Spezifikationen anders und daher auch die Menge des bei den frühen Steuereinspritzungen eingespritzten Kraftstoffs. Während die Menge von 5 mm³ Kraftstoff etwa 5 Prozent des gesamten unter den Last- und Dichtebedingungen zu verbrennenden Kraftstoffs ausmachte, können die Menge und/oder der Prozentsatz unter anderen Bedingungen anders sein. Jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen kann zum Beispiel 10 mm³ betragen oder sogar mehr, aber der Prozentsatz jeder der frühen Steuereinspritzungen anteilsmäßig zur gesamten Menge des zu verbrennenden Kraftstoffs sollte auf weniger als 10 Prozent gehalten werden und vorzugsweise auf weniger als 5 Prozent.
Die spezifischen Details der Art, in welcher jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen mit den anderen in Wechselwirkung tritt, wird noch nicht komplett verstanden. Die Antragsteller der vorliegenden Erfindung sind der Ansicht, daß bei einer frühen Steuereinspritzung aus einem einzigen Spritzer der anfängliche Anteil des eingespritzten Kraftstoffs aus jeder Düsenöffnung des Direktkraftstoffinjektor 26 einen Weg durch das Vorgemisch in der Brennkammer 16 bohrt. Es wird angenommen, daß dieser Bohrweg es den darauffolgenden Anteilen des einspritzten Kraftstoffs erlaubt, weiter in den anfänglichen Kraftstoff vorzudringen. Jedes folgende Kraftstoffpartikel hat weniger in der Nähe der Düsenöffnungen verstreute Energie und mehr Energie, um in der Brennkammer 16 voranzukommen und trifft daher auf die Zylinderwandung der Brennkammer 16 auf.
Werden jedoch die zwei oder mehr frühen Steuereinspritzungen des zweiten Kraftstoffs 27, die jeweils weniger als 5 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs ausmachen, in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eingespritzt werden, kann das gründliche Mischen jeder der frühen Steuereinspritzungen durch die Turbulenz in der Brennkammer 16 gefördert werden. Diese Turbulenz bricht wahrscheinlich die Kraftstoffzungen, die aus jeder Düsenöffnung des Direktkraftstoffinjektors 26 während jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen austreten, um das gründliche Mischen zu fördern, so daß die frühe Steuereinspritzung mit dem Vorgemisch gemischt wird, bis eine weitere frühe Steuereinspritzung eintrifft. Das ist besonders der Fall, wenn die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführung bereitgestellt wird, während das Ansaugventil 20 mindestens teilweise offen steht und der Kolbenaufbau 14 sich im Einlaß- bzw. Ansaughub befindet, denn wenn das Vorgemisch in den Zylinder gesaugt wird, wird dabei wahrscheinlich viel Turbulenz in der Zone in der Nähe der Spitze des Direktkraftstoffinjektors 26 verursacht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch auch festgestellt, daß es nicht wünschenswert ist, daß eine Vielzahl früher Steuereinspritzungen auf das offene Ansaugventil 20 auftrifft. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß der Zeitpunkt der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen richtig festgelegt wird, um die Möglichkeit des Auftreffens auf dem Ansaugventil 20 zu vermeiden, zum Beispiel durch den Zeitpunkt der frühen Steuereinspritzungen und/oder durch Optimieren der Düsengeometrie des Direktkraftstoffinjektors 26.
Außerdem können die zwei frühen Steuereinspritzungen zu jeweils weniger als 10 Prozent des gesamten Kraftstoffs und vorzugsweise 5 Prozent durch einen ausreichenden Zeitraum getrennt werden, um das Mischen einer Steuereinspritzung zu erlauben, bevor eine weitere Steuereinspritzung begonnen wird, und/oder um es dem Direktkraftstoffinjektor 26 zu ermöglichen, sich von einer Steuereinspritzung zu erholen, bevor er eine andere Steuereinspritzung beginnt. Durch Trennen jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen durch einen Zeitraum tritt jede frühe Steuereinspritzung in einem "frischen" Gemisch ein, nachdem die vorhergehende frühe Steuereinspritzung von der Düse des Direktkraftstoffinjektors 26 durch die Turbulenz des Vorgemischs in die Brennkammer 16 hinunter gespült wurde. So ist der oben angenommene Bohrwegeffekt nicht gegeben, so daß die Möglichkeit eines Auftreffens des Dieselkraftstoffs weiter minimiert wird. In dieser Hinsicht wurde festgestellt, daß ein Zeitraum von 500 bis 2500 μs, zum Beispiel 1250 μs bei der in 1 gezeigten Ausführung ausreicht, um das Mischen einer Steuereinspritzung vor dem Beginn einer anderen Steuereinspritzung zu erlauben und es dem Direktkraftstoffinjektor 26 auch erlaubt, sich von einer Steuereinspritzung zu erholen, bevor er eine andere Steuereinspritzung beginnt. So kann der Brennkammer 16 die erforderliche Menge der frühen Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs bereitgestellt werden, bevor signifikante exotherme Reaktionen eintreten, so daß das Steuern und Vorverlegen des Zeitpunkts des SOC für die PCCI-Verbrennung erlaubt wird. Es wird jedoch hervorgehoben, daß bei anderen Ausführungen oder Betriebsarten ein gewisser Grad an Schichtung der frühen Steuereinspritzung ebenfalls dienlich sein kann.
Wie oben beschrieben kann durch den Direktkraftstoffinjektor 26 der 1 eine Vielzahl von frühen Steuereinspritzungen bereitgestellt werden, um das Auftreffen des zweiten Kraftstoffs, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff auf der Zylinderwandung der Brennkammer 16 zu vermeiden und den Zeitpunkt des SOC während des PCCI-Betriebs zu steuern. Es sollte auch offensichtlich sein, daß die bereitgestellte Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen verwendet werden kann, um die Temperatur des Vorgemischs während des Kompressionshubs des Kolbenaufbaus 14 ebenfalls zu steuern. Da es bei der Ausführung der 1 möglich ist, die Menge des zweiten Kraftstoffs 27, die während der frühen Steuereinspritzungen eingespritzt wird, zu ändern, kann eine sehr schnelle Steuerung des SOC während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 im PCCI-Betrieb verwirklicht werden. In dieser Hinsicht hatten Tests mit Einspritzung der frühen Steuereinspritzungen in die Brennkammer 16 bei 100 Kurbelwinkelgrad vor dem TDC gezeigt, daß 1 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs, wie zum Beispiel 1 mm³, der frühen Steuereinspritzung bei der vorliegenden Motorkonfiguration etwa die gleiche Wirkung haben wie das Ändern der Temperatur des Ansaugkrümmers um 10°K. Das ist sehr vorteilhaft, denn große Änderungen der Temperatur des Ansaugkrümmers lassen sich nicht schnell durchführen. Es sollte auch beachtet werden, daß bei leichten Motorlasten und im Leerlauf der Effekt in Zusammenhang mit der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen auf Grund der geringen Menge des Vorgemischs, über die die Energie der frühen Steuereinspritzungen verteilt werden muß, steigt. So kann die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführung verwendet werden, bis geeignete Motorparameter, wie die Temperatur der Ansaugluft oder des Ansaugkrümmers, eine wünschenswerte Bedingung erreichen. Dann kann die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen minimiert oder eingestellt werden, sobald die wünschenswerte Bedingung erfüllt ist.
3 zeigt einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor 50 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Verbrennungsmotor 50 umfaßt eine Mischvorrichtung 52, die die gleiche Aufgabe erfüllt wie die Mischvorrichtung, die in Bezug auf 1 besprochen wurde und ein Vorgemisch für die Vielzahl der Zylinder 54 bereitstellt. In dieser Hinsicht kann die Mischvorrichtung 52 ein Ventil- bzw. Drosselkörperinjektor in der hier dargestellten Ausführung sein, aber bei anderen Ausführungen auch ein Öffnungskraftstoffinjektor oder ein Vergaser. Ein Kompressor 56 kann stromauf des Ansaugkrümmers 58 angeordnet werden, um den Ansaugdruck aufzuladen. Der Kompressor 56 kann von herkömmlichen Mitteln angetrieben werden, wie von einer Turbine 57 mit Abgasantrieb, die vorzugsweise eine Turbine mit variabler Geometrie mit einstellbaren Schaufeln (nicht dargestellt) ist, die einen Positionseinstellung der Abgase erlauben, die durch die Turbine fließen, so daß die Drehreaktion der Turbine variiert werden kann. Ein Bypasskreislauf 60 mit Abgasschieber 62 kann wie herkömmlich vorgesehen sein, um die Aufladung zu begrenzen, die der Kompressor 56 bereitstellt. Außerdem kann eine optionale Abgasdrossel(klappe) (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Ein Chargenluftkühler 64 kann daneben stromab des Kompressors 56 vorgesehen sein, um das Vorgemisch zu kühlen, bevor es in die Vielzahl der Zylinder 54 gelangt. Der Verbrennungsmotor 50 kann auch eine Ansaugdrosselklappe 66 nach dem Kühler 64 wie in 3 gezeigt aufweisen und außerdem eine Abgasrückführung (EGR) 68 besitzen, die einen Teil der Abgase in die Ansaugung wie gezeigt zurückführt, vorzugsweise dem Kühler 66 nachgeschaltet. In dieser Hinsicht umfaßt das EGR-System 68 ein EGR-Ventil 69, das die Menge der Abgase steuert, die in das Vorgemisch zurückgeführt wird. Es wird betont, daß die Ansaugdrosselklappe 66 als Alternative bei anderen Ausführungen dem Chargenluftkühler 64 vorgeschaltet angeordnet werden kann.
Jeder Zylinder der Vielzahl der Zylinder 54 des Verbrennungsmotors 50 der 3 umfaßt vorzugsweise einen Direktkraftstoffinjektor (nicht dargestellt) wie den der 1, um mindestens eine frühe Steuereinspritzung bereitzustellen und vorzugsweise eine Vielzahl früher Steuereinspritzungen, wie oben beschrieben. Außerdem ist der Verbrennungsmotor 50 dazu geeignet, in mehreren Verbrennungsbetriebsarten betrieben zu werden, wie zum Beispiel im PCCI-Betrieb, im reinen Dieselbetrieb, bei dem der Direktkraftstoffinjektor (nicht dargestellt) der Zylinder 54 eher wie ein herkömmlicher Dieselinjektor verwendet wird, oder im Doppelkraftstoffbetrieb, bei dem Erdgas und Dieselkraftstoff in gewissen anteilsmäßigen Mengen verbrannt werden, wie zum Beispiel beim Anlassen, bei Betrieb mit leichter Last, schwerer Last und unter anderen Bedingungen.
In dieser Hinsicht werden der Kompressor 56, der Kühler 64, die Ansaugdrosselklappe 66 und das EGR-System 68 sowie die Mischvorrichtung 52 vorzugsweise von einer ECU (nicht dargestellt) wie der der 1 so wie hiernach beschrieben gesteuert, um das Steuern der Verbrennung und des Zeitpunkts des SOC des Vorgemischs, das von der Mischvorrichtung 52 bereitgestellt wird, zu unterstützen. Ein Bypassventil oder ein Abgasschieber 62 des Bypasskreislaufs 60 kann zum Beispiel von der ECU gesteuert werden, um die Menge des Abgases zu regeln, die das dazugehörende Abgassystem 70 der Turbine 57 zuführt, und dadurch den Kompressor 56 zu regeln, um den Ansaugdruck nach Wunsch zu regeln. In ähnlicher Weise kann das EGR-Ventil 69 des EGR-Systems 68 von der ECU gesteuert werden, um sowohl die Zusammensetzung, als auch die Temperatur des Vorgemischs zu variieren, das in den Brennkammern der Zylinder 54 verbrannt wird. Ebenso kann ein Steuerventil (nicht dargestellt) im Kühler 64 vorgesehen und von der ECU gesteuert werden, um eine variable Steuerung der Kühlwirkung des Kühlers 64 zu erlauben, während Verbindungen und Drosselplatten nach dem Stand der Technik von der ECU gesteuert werden können, um die Ansaugdrossel 66 so zu betreiben, daß das Drosseln des Vorgemischs variiert wird. So kann der Verbrennungsmotor 50 durch eine ECU (nicht dargestellt) gesteuert werden, um die Zusammensetzung, den Druck und die Temperatur des Vorgemischs zyklusweise in Verbindung mit mindestens einer frühen Steuereinspritzung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung variabel zu steuern, um dadurch die PCCI-Verbrennungskenndaten zu steuern, wie den Zeitpunkt des SOC, um die Kraftstoffeffizienz zu steigern und Emissionen zu verringern.
Nachfolgend wird eine Steuerstrategie besprochen, die verwendet werden kann, um das Ziel der Kraftstoffeffizienz und verringerten Emissionen zu verwirklichen, insbesondere bei Anwendungen mit leichter Last oder bei Übergangsperioden, wenn der Verbrennungsmotor 50 der 3 von einer Betriebsart, wie dem Dieselbetrieb oder Betrieb mit Doppelkraftstoff, auf eine andere Betriebsart übergeführt wird, wie den PCCI-Betrieb. Es ist anfangs hervorzuheben, daß eine ausführliche Besprechung der verschiedenen Strategien für den Betrieb und das Steuerung eines Motors, der im PCCI-Betrieb arbeitet, in einer Anmeldung mit dem Titel "Multiple Operating Mode Engine And Method Of Operation" besprochen wird, die gleichzeitig mit der vorliegenden Patentanmeldung am 8. Mai 2001 (Docket Nr. 740270-2697; Serien-Nr. unbekannt) eingereicht wurde, wobei deren gesamter Inhalt hiermit als Preferenz eingeführt wird.
Bei der vorliegenden unten beschriebenen Steuerstrategie erfüllt der Direktkraftstoffinjektor die Funktion der Zuführung sowohl der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen als auch die Funktion der Bereitstellung von Dieselkraftstoff während des Dieselbetriebs oder Betriebs mit Doppelkraftstoff, wie zuvor besprochen. Es wird auch hier hervorgehoben, daß der erste Kraftstoff bei der Ausführung der 3 Erdgas und der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff ist, daß andere Kraftstoffe oder deren Mischungen ebenfalls verwendet werden können. Bei der vorliegenden Steuerstrategie können beim Betrieb des Verbrennungsmotors 50 die relativen Anteile des Erdgases und des Dieselkraftstoffs weitgehend variiert werden. Das Steuern der Mischvorrichtung 52, die das Erdgas dem Vorgemisch zuführt, und der Direktkraftstoffinjektor (nicht dargestellt), der das Dieselkraftstoff zuführt, sowie die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen, kann auf einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors 50 beruhen, wie auf der Temperatur, Last, Drehzahl, Drosselklappenposition, Kraftstoffqualität usw., und/oder wie von einem Bediener vorgegeben. In dieser Hinsicht können die Anteile des Erdgases (erster Kraftstoff) und des Dieselkraftstoffs (zweiter Kraftstoff) in einer Nachschlag- bzw. Bezugstabelle oder anders von der ECU berechnet werden.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen oder bei bestimmten Betriebsarten des Verbrennungsmotors 50 kann die anteilsmäßige Menge des Erdgases, das den Brennkammern der Zylinder 54 von der Mischvorrichtung 52 zugeführt wird, zum Beispiel so gering sein wie 1% des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs, während die anteilsmäßige Menge des vom Direktkraftstoffinjektor zugeführten Dieselkraftstoffs sehr groß ist, zum Beispiel 99% des gesamten in der Brennkammer zu verbrennenden Kraftstoffs. Fälle, bei welchen diese anteilsmäßige Menge des Erdgases und des Dieselkraftstoffs zugeführt werden können, können während des Anlassens des Verbrennungsmotors, während des Betriebs mit leichten oder schweren Lasten oder während des Betriebs bei kalten Motortemperaturen auftreten, wenn die PCCI-Verbrennung des Vorgemischs schwierig zu verwirklichen ist. In ähnlicher Weise wie beim oben beschriebenen Gebrauch bedeutet der Begriff "gesamter Kraftstoff' hier die Summe des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs gemeinsam basierend auf einem beliebigen messbaren Parameter. Wenn sich die beiden Kraftstoffe äquivalent messen lassen, kann die prozentuale Menge des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs in Bezug auf den gesamten Kraftstoff auf der Grundlage des Volumens oder des Gewichts bestimmt werden. Bei anderen Fällen kann der Prozentsatz der Menge der Kraftstoffe in Bezug auf den gesamten Kraftstoff auf der Grundlage des Energiegehalts in BTU oder Joule usw. bestimmt werden.
Umgekehrt kann bei anderen Betriebsbedingungen oder Betriebsarten des Verbrennungsmotors 50 die anteilsmäßige Menge des Erdgases (erster Kraftstoff), die von der Mischvorrichtung 52 zugeführt wird, sehr groß sein, zum Beispiel 99,9% des gesamten Kraftstoffs, der verbrannt werden soll, während die anteilsmäßige Menge des Dieselkraftstoffs (zweiter Kraftstoff), die der Direktkraftstoffinjektor einspritzt, sehr gering ist, wie zum Beispiel 0,1% des gesamten Kraftstoffs, der in der Brennkammer verbrannt wird. Fälle, bei welchen diese anteilsmäßigen Mengen des ersten und des zweiten Kraftstoffs bereitgestellt werden, können während des im wesentlichen stabilen Betriebszustands des Verbrennungsmotors auftreten, während welchem die Kraftstoffeffizienz und die verringerten Emissionen sowie andere Vorteile der PCCI-Verbrennung voll verwirklicht werden können. Natürlich sind die beiden oben genannten Szenarien Extrembeispiele zur allgemeinen Illustration eines Beispielbereichs der anteilsmäßigen Mengen an erstem und zweitem Kraftstoff, und der Verbrennungsmotor 50 kann in einer Betriebsweise betrieben werden, bei der die anteilsmäßigen Mengen zwischen diesen beiden oben genannten Extrembeispielen liegen.
In Übereinstimmung mit einer Ausführung der Steuerstrategie für den Betrieb des Verbrennungsmotors 50 bei dem sich die Last der Brennkammer 50 nach oben oder unten ändert, wird die Menge des dem Ansaugkrümmer 58 zugeführten Vorgemischs entsprechend geändert, indem einer oder mehrere der Faktoren Kraftstoffdurchfluß des ersten Kraftstoffs, Drosselklappe 66, die Position der einstellbaren Schaufeln der Turbine 57, die Position des Abgasschiebers 62 und/oder die optionale Abgasdrosselklappe (nicht dargestellt) entsprechend geändert wird. In dieser Hinsicht können die oben genannten Parameter nach Bedarf variiert werden, um die Verbrennungskenndaten und den SOC zu steuern, während ein relativ konstantes Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs aufrecht erhalten wird, d. h. das Verhältnis Kraftstoff-Luft dividiert durch das Verhältnis des stöchiometrischen Verhältnisses von Kraftstoff zu Luft. Ein Äquivalenzverhältnis von etwa 0,25 bis 0,5 und vorzugsweise 0,3 bis 0,4 hat sich als effektiver Äquivalenzverhältnisbereich herausgestellt, der das Steuern der Verbrennungskenndaten, wie zum Beispiel des Zeitpunkts des SOC, mit den oben genannten Parameter und der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen erlaubt. Durch Einsatz der oben besprochenen Steuerstrategie kann die Mischvorrichtung 52 recht einfach durch eine ECU (nicht dargestellt) oder eine ähnliche Vorrichtung gesteuert werden, um nur das Äquivalenzverhältnis aufrecht zu erhalten. Natürlich können bei anderen Ausführungen auch andere Äquivalenzverhältnisse angewandt oder je nach den verschiedenen Bedingungen angepaßt werden, zu welchen die Kraftstoffqualität, die Kraftstoffzusammensetzung, Feuchtigkeit, Raumtemperatur und Betriebstemperaturen usw. gehören.
Beim Sinken der Last wird die anteilsmäßige Menge des vom zweiten Kraftstoff gestellten Kraftstoffs, wie zum Beispiel des Dieselkraftstoffs, der während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen eingespritzt wird, gesteigert werden, um den Zeitpunkt des SOC vorzuverlegen und den SOC am Soll- bzw. Zielkurbelwinkel zu halten. Angesichts der oben stehenden Besprechung wird die frühe Steuereinspritzung vorzugsweise in einer Vielzahl von frühen Steuereinspritzungen bereitgestellt, so daß das eingespritzte Dieselkraftstoff nicht auf die Wandung der Zylinder 54 auftrifft. Wenn die anteilsmäßige Menge des zweiten Kraftstoffs, die während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen eingespritzt wird, jedoch steigt, wird das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs relativ konstant gehalten, so daß das Gesamtäquivalenzverhältnis auf Grund des reicheren bzw. fetteren Gemischs steigt und höhere Zyklusspitzentemperaturen und NOx-Emissionen verursacht. Natürlich muß auch hervorgehoben werden, daß solche Steigerungen der Menge des zweiten Kraftstoffs, die während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen eingespritzt wird, nicht nur auf Grund der Lasten des Verbrennungsmotors 50 erforderlich sein können, sondern auch bei anderen Bedingungen, wie zum Beispiel durch die Kraftstoffqualität, Kraftstoffzusammensetzung, Feuchtigkeit, Raumtemperatur und Betriebstemperaturen usw.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführung kann eine Steuerstrategie angewandt werden, bei der bei der Steigerung der Menge des während der frühen Steuereinspritzung eingespritzten Kraftstoffs gesteigert wird, EGR-Gas zum Vorgemisch im Ansaugkrümmer über das EGR-System 68 hinzugefügt wird. Die Massendurchsatzrate der hinzugefügten EGR kann anteilsmäßig zur Massendurchsatzrate des Dieselkraftstoffs sein, das während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen eingespritzt wird. 4 zeigt eine Linie 80, die die Massendurchsatzrate des zweiten Kraftstoffs (Dieselkraftstoff) zeigt, das während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eingespritzt wird (x-Achse) und die entsprechende Massendurchsatzrate des EGR-Gases (y-Achse), die der Ansaugluft in Übereinstimmung mit der vorliegenden Steuerstrategie zugeführt wird. Wie ersichtlich ist die Linie 80 bei der bevorzugten Ausführung linear und proportional, so daß die Änderung der Massendurchsatzrate des EGR-Gases im Wesentlichen konstant in Bezug auf die Änderung der Massendurchsatzrate der frühen Steuereinspritzungen geändert wird. Außerdem zeigt der Basispunkt 82 der Linie 80, daß bei der vorliegenden Steuerstrategie ein Basisniveau der frühen Steuereinspritzung-Massendurchsatzrate besteht, bei dem das EGR-Gas in das Vorgemisch eingeführt wird. Da her wird unter dieser Basispunkt-82-Massendurchsatzrate kein EGR-Gas in das Vorgemisch eingeführt.
Die relativen Massendurchsatzraten der Ansaugluft, des Erdgases, des EGR-Gases und der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen kann auf dem folgenden Ansatz basieren:
wobei LHV_NG und LHV_Diesel die niedrigeren Heizwerte des Erdgases bzw. des Dieselkraftstoffs sind.
Die oben stehende Gleichung setzt voraus, daß die frühen Basislinien-Dieselkraftstoffsteuereinspritzungen viel geringer sind als die Massendurchsatzrate des Erdgases, wenn die EGR-Massendurchsatzrate sehr gering ist. Aus der oben stehenden Gleichung läßt sich auch ableiten, daß:
Bei anderen Ausführungen kann die Massendurchsatzrate des EGR-Gases jedoch in Bezug auf die Änderung der Massendurchsatzrate der frühen Steuereinspritzungen geändert werden, so daß die Linie nicht linear oder mit einer anderen Steigung verläuft. Ebenso kann der Basispunkt 82 geändert werden, so daß EGR-Gas sofort zugeführt wird, wenn die frühen Steuereinspritzungen erfolgen.
Die Massendurchsatzraten, bei welchen EGR-Gas und die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen Dieselkraftstoff hinzugefügt werden, wird vorzugsweise so ausgewählt, daß die Zyklusspitzentemperatur in der Nähe der optimalen Temperatur aller Lasten und Motordrehzahlen liegt. Diese Zyklusspitzentemperatur ist zwar nicht perfekt konstant, liegt jedoch bei etwa 2000°K, einer Temperatur, die bei vielen PCCI-Verbrennungsbetriebsbedingungen als sehr wünschenswert befunden wurde. Es wird darauf hingewiesen, daß die Zyklusspitzentemperatur nicht direkt gemessen werden muß. Statt dessen können andere verwandte Parameter gemessen werden, um die Wechselwirkungs-Zyklusspitzentemperatur zu bestimmen. Die Wärmefreisetzungsrate, der SOC, die Klopfintensität, das Äqui valenzverhältnis, die Abgastemperatur und/oder Emissionen können gemessen und zum Bestimmen der. Zyklusspitzentemperatur verwendet werden. In der oben beschriebenen Vorgehensweise kann das EGR-System 68 dazu verwendet werden, die Massendurchsatzrate des EGR-Gases zu steuern, um die Zyklusspitzentemperatur aufrecht zu erhalten und unterstützen, indem der wünschenswerte SOC für jede gegebene Betriebsbedingung aufrecht erhalten wird, da das Hinzufügen von EGR-Gas zur Ansaugung die Ansaugluft erhöht, die den Zeitpunkt des SOC vorverlegt. Das der Ansaugung zugeführte EGR-Gas kann auch als Verdünnung wirken, um die oben besprochene Ziel-Zyklusspitzentemperatur zu verwirklichen oder aufrecht zu erhalten. Wenn die Last des Verbrennungsmotors 50 außerdem reduziert wird, während ein relativ konstantes Äquivalenzverhältnis aufrecht erhalten und die oben beschriebene Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen verwendet wird, um den wünschenswerten SOC aufrecht zu erhalten, können die Zyklusspitzentemperaturen eventuell über den oben genannten Bereich von 2000°K steigen. Um eine solche Steigerung der Zyklusspitzentemperaturen zu kompensieren, kann die entsprechende Menge EGR-Gas hinzugefügt werden, um die Zyklusspitzentemperaturen bis in die Nähe der optimalen Temperatur zu senken.
Ein vorteilhaftes Merkmal der oben beschriebenen Steuerstrategie ist die Tatsache, daß das Hinzufügen der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen und des EGR sich gegenseitig in der Hinsicht verstärken, daß sie in der Lage sind, den SOC vorzuverlegen, während die Last des Verbrennungsmotors 50 sinkt. Mit anderen Worten, wenn heißes EGR-Gas mit den frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen hinzugefügt wird, ist weniger Dieselkraftstoff während der frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen erforderlich, um die wünschenswerten Verbrennungskenndaten zu verwirklichen, wie zum Beispiel den Zeitpunkt des SOC. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal ist die Tastsache, das ein sehr einfacher Steuervorgang zum Steuern des Erdgasflusses bereitgestellt wird. Insbesondere kann die Mischvorrichtung 52 von der ECU gesteuert werden, so daß gerade genug Erdgas hinzugefügt wird, um ein Soll- bzw. Ziel-Äquivalenzverhältnis für das Vorgemisch wie oben beschrieben zu verwirklichen. Bei dieser Ausführung können daher komplizierte Strategien für richtige Äquivalenzverhältnisse während des Übergangsbetriebs des Verbrennungsmotors 50 vermieden werden. Natürlich kann bei anderen Ausführungen eine zusätzliche Anreicherung des Vorgemischs während solcher Übergangsvorgänge zugeführt werden. Außerdem können die frühen Dieselkraftstoff-Steuereinspritzungen und die Menge des EGR-Gases schnell und einfach moduliert werden, um den Zeitpunkt des SOC des Vorgemischs bei einer wünschenswerten Kurbelwinkelposition zu halten.
Wenn die Last des Verbrennungsmotors 50 fällt oder die Drehzahl steigt, besteht außerdem eine Tendenz des SOC des Vorgemischs, sich zu verzögern und später im Verbrennungszyklus zu zünden. Daneben können die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen und die Zuführung von EGR-Gas, wie oben beschrieben, die Drosselklappe 66 und/oder das Bypasssystem 60 entsprechend eingestellt werden, um dem Ansaugkrümmer 58 des Verbrennungsmotors 50 das erforderliche und aufgeladene Vorgemisch zuzuführen, um den wünschenswerten Zeitpunkt des SOC aufrecht zu erhalten.
Eine weitere Steuerstrategie für das Anlassen und den Betrieb des Verbrennungsmotors 50 der 3 wird nachfolgend besprochen. Bei der Ausführung, bei der der erste Kraftstoff, wie Erdgas, mit der Ansaugluft von der Mischvorrichtung 52 stromauf des Kompressors 56 gemischt wird, kann es wünschenswert sein, den Verbrennungsmotor 50 im reinen Dieselbetrieb anzulassen, bevor das Vorgemisch aus der Mischvorrichtung 52 zugeführt wird. Wie weiter oben bemerkt, kann das mit dem Direktkraftstoffinjektor (nicht dargestellt) verwirklicht werden, der in der Brennkammer jedes der Zylinder 54 vorgesehen wird. Das kann wünschenswert sein, um die Anlassfähigkeit des Motors 50 zu erleichtern und übermäßige Kohlenwasserstoffemissionen vor dem Erreichen der stabilen PCCI-Verbrennung zu vermeiden.
Während das Vorgemisch bei einem konstanten Äquivalenzverhältnis von etwa zwischen 0,3 und 0,4 nach dem Anlassen des Motors 50 wie oben beschrieben hinzuzufügen ist, kann der Verbrennungsmotor 50 im Standarddieselbetrieb gestartet werden, allerdings mit einer Ansaugung, die über die Ansaugdrosselklappe 66 gedrosselt wird. Die ursprüngliche Drosselposition der Ansaugdrosselklappe 66 kann so ausgewählt werden, daß eine Ziel-Leerlaufdrehzahl mit bestimmten vorausbestimmten Kraftstoffproportionen für den ersten und den zweiten Kraftstoff, wie zum Beispiel mit Erdgas und Dieselkraftstoff, erzielt wird. 50 Prozent des Kraftstoffs können zum Beispiel Erdgas sein, und die restlichen 50 Prozent des Kraftstoffs können Dieselkraftstoff sein, das direkt in die Zylinder 54 vom Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird, der außerdem dazu geeignet ist, die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen wie oben beschrieben durchzuführen. Ein Drehzahlregler (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um die Menge des Dieselkraftstoffs zu steuern, die in dieser Phase eingespritzt wird. Natürlich können auch andere Kraftstoffe und andere Kraftstoffanteile je nach Anwendung und Bedingungen verwendet werden. Wenn das Vorgemisch der Brennkammer der Zylinder 54 zugeführt wird, würde die Leistung des Verbrennungsmotors 50 etwas plötzlich steigen. Eine solche plötzliche Steigerung der Leistung wird jedoch von der normalen Beschleunigung des Motors 50 bis zur Leerlaufdrehzahl maskiert bzw. überdeckt.
Sobald der Verbrennungsmotor 50 eine vorausbestimmte Leerlaufdrehzahl im Doppelkraftstoffbetrieb erreicht, kann die ECU (nicht dargestellt) die Temperatur des Vorgemischs mit EGR-Gas über das EGR-System 68 und/oder die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen so wie oben beschrieben steigern. Es wird betont, daß die Temperatur des Vorgemischs auch mit einem optionalen Radiator (nicht dargestellt), durch Variieren des Kompressionsverhältnisses und/oder durch Variieren des Ventiltimings gesteigert werden kann. Außerdem wird betont, daß es bei anderen Ausführungen vorteilhaft sein kann, den Motor anzulassen, wenn die Ansaugdrosselklappe 66 weit offen ist. Ist das der Fall, kann die oben beschriebene Steuerstrategie angewandt werden, indem die Ansaugdrosselklappe 66 auf die oben beschriebene ursprüngliche Position geschlossen wird, sobald der Verbrennungsmotor 50 eine vorausbestimmte Schwellendrehzahl zwischen der Anlass- und der Leerlaufdrehzahl erreicht.
Die Kompressionstemperatur des Vorgemischs kann dann so weit angehoben werden, bis ein signifikanter Teil des Vorgemischs mit einer späten Dieselkraftstoff-Voreinspritzung in der Nähe des TDC durch den Direktkraftstoffinjektor in bekannter Weise gezündet wird. Mit anderen Worten unterstützt die späte Dieselkraftstoff-Voreinspritzung das Zünden des Vorgemischs nach dem Stand der Technik und betreibt dadurch den Verbrennungsmotor 50 in einem gestützten Betrieb mit später Voreinspritzung, der kein echter PCCI-Betrieb ist. In diesem Punkt kann die ECU den Anteil des Dieselkraftstoffs verringern, den die Direktkraftstoffinjektoren einspritzen, während die Menge des Vorgemischs, das den Zylindern zugeführt wird, gesteigert wird, so daß mehr Erdgas in der PCCI-Verbrennung verbrannt und weniger Dieselkraftstoff eingespritzt wird. Das er folgt vorzugsweise allmählich, während die Ansaugdrosselklappe so moduliert wird, daß ein im wesentlichen konstanter Ausgangsparameter aufrecht erhalten wird, wie zum Beispiel die Motordrehzahl oder die Leistung. Die Verringerung der eingespritzten Dieselkraftstoffmenge wird vorzugsweise fortgesetzt, bis die Menge des eingespritzten Dieselkraftstoffs die Mindestmenge erreicht, die erforderlich ist, um eine verlässliche und stabile PCCI-Verbrennung mit Voreinspritzunterstützung des Vorgemischs sicher zu stellen.
Während der Verbrennungsmotor 50 im PCCI-Betrieb mit später Voreinspritzungsunterstützung mit minimaler Dieselkraftstoffeinspritzung im Leerlauf dreht, kann die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, optional auch mit EGR-Gas oder anderen Parametern, wie weiter oben beschrieben, um den Zeitpunkt des SOC vorzuverlegen, so daß der SOC vor der späten Voreinspritzung eintritt und der Verbrennungsmotor 50 im echten PCCI-Betrieb läuft, bei dem das Vorgemisch durch den Druck selbst zündet, ohne daß die späte Voreinspritzung nötig ist. Wenn der Zeitpunkt des SOC des Vorgemischs ausreichend vorverlegt ist, um anhaltende PCCI-Verbrennung sicher zu stellen, kann die späte Voreinspritzung beendet werden. Als Option kann die späte Voreinspritzung aufrecht erhalten werden, um das Steuern der PCCI-Verbrennung und der Emissionen zu unterstützen. Wird die späte Voreinspritzung beendet, kann die Ansaugdrosselklappe 66 leicht weiter geöffnet werden, um mehr Vorgemisch zuzuführen, um den fehlenden Dieselkraftstoff wettzumachen bzw. zu kompensieren und den Leerlauf aufrecht zu erhalten. So kann der Verbrennungsmotor 50 einfach gesteuert werden, um den optimalen Betrieb im PCCI-Betrieb mit gesteigerter Kraftstoffeffizienz und verringerten Abgasemissionen zu erlauben. Wenn die Betriebsbedingungen für den PCCI-Betrieb günstiger werden, können die frühen Steuereinspritzungen unterbrochen werden und der Verbrennungsmotor 50 wird nur im PCCI-Betrieb betrieben, um die Kraftstoffeffizienz unter Minimierung der Abgasemissionen zu maximieren.
Bei Bedarf kann der Verbrennungsmotor 50 auf den Doppelkraftstoffbetrieb durch Umkehren der oben beschriebenen Steuerstrategie zurückgeführt werden. Dabei wird eine späte Diesel-Voreinspritzung in der Nähe des TDC bereitgestellt und die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen wird auf Null gesetzt, während die Menge des während der späten Voreinspritzung zugeführten Dieselkraftstoffs gesteigert wird, um den wünschenswerten Abtrieb des Verbrennungsmotors 50 aufrecht zu erhalten. Die ECU (nicht dargestellt) schließt dann die Ansaugdrosselklappe 66 und steigert die Menge der späten Dieseleinspritzung, um die wünschenswerten Kraftstoffproportionen zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftstoff unter Aufrechterhalten des konstanten Abtriebs zu verwirklichen.
Es muß auch hervorgehoben werden, daß auf Grund der Tatsache, daß der Verbrennungsmotor 50 mit einer Vielzahl von Zylindern 54 versehen ist, die ECU (nicht dargestellt) dazu geeignet sein kann, die relativen Anteile des ersten und des zweiten Kraftstoffs für jeden Zylinder getrennt zu ändern. Weniger als alle Zylinder der Vielzahl der Zylinder auf einmal können zum Beispiel von einer Betriebsart auf eine andere wie oben detailliert besprochen übergeführt werden, um dadurch einen glatten Übergang der Betriebsart des Verbrennungsmotors 50 noch weiter zu erleichtern.
Wie oben beschrieben, erlaubt die vorliegende Erfindung gesteigerte Kraftstoffeinsparung und verringerte Abgasemissionen, indem ein Verbrennungsmotor mit einem Direktkraftstoffinjektor bereitgestellt wird, der dazu geeignet ist, mindestens eine frühe Steuereinspritzung vorzugsweise jedoch eine Vielzahl früher Steuereinspritzungen durchzuführen, um eine präzise Steuerung des Zeitpunkts des SOC zu erlauben, ohne Auftreffen der Steuereinspritzung auf die Zylinderwandung. Außerdem können die Steuerstrategien, die hier beschrieben werden, dazu verwendet werden, den Verbrennungsmotor effektiv im PCCI-Betrieb zu betreiben, und das sowohl während des Anlassens, des Doppelkraftstoffbetriebs und während des Übergangs zwischen diesen und anderen Betriebsarten. Der Verbrennungsmotor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann daher mit einer oder mehreren der oben besprochenen Steuerstrategien in Verbindung mit der oben besprochenen Steuereinspritzung, bevorzugt einer Vielzahl von frühen Steuereinspritzungen gesteuert werden, so daß eine schnelle, zyklenweise Steuerung des Zeitpunkts des SOC verwirklicht werden kann.
Während verschiedene Ausführungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß sich die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Während spezifische Ausführungen des Verbrennungsmotors zum Beispiel verwendet wurden, um die vorliegenden Erfindung zu erklären, bei der der erste Kraftstoff Erdgas und der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff ist, darf die vorliegenden Erfindung nicht als auf diese Kraftstoffkombination beschränkt betrachtet werden. In dieser Hinsicht können andere Kraftstoffe, wie Benzin, Propan, Rohbenzin, Kerosin, andere Kraftstoffe und deren Mischungen, verwendet werden. Die vorliegenden Erfindung kann daher geändert, modifiziert und vom Fachmann weiter angewandt werden. Die Erfindung beschränkt sich daher nicht auf das Detail, das weiter oben gezeigt und beschrieben wurde, sondern umfaßt alle solchen Änderungen und Modifizierungen.

Claims

Verbrennungsmotor (10), der in einem Modus der Kompressionszündung eines Vorgemischs betreibbar ist, wobei mindestens ein Teil des Kraftstoffs bei einem kompressionsgezündeten Verbrennungsvorgang des Vorgemisches verbrannt wird, aufweisend: einen Motorkörper (12) mit einem Kolbenaufbau (14); eine Brennkammer (16), die von dem Kolbenaufbau (14) im Motorkörper (12) gebildet ist; ein Einlaßsystem (18) zum Zuführen von Einlaßluft zur Brennkammer (16) während eines Einlaßhubs des Kolbenaufbaus (14); eine Mischvorrichtung, die einen ersten Kraftstoff (23) mit der Einlaßluft mischt, um ein brennbares Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff (23) bereitzustellen; einen Direktkraftstoffinjektor (26), der ausgebildet ist, um einen zweiten Kraftstoff (27) in die Brennkammer (16) direkt einzuspritzen; und ein Steuersystem, das ausgebildet ist, um den Direktkraftstoffinjektor (26) so zu steuern, um mindestens eine frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs (27) in die Brennkammer (16) vor dem Beginn des kompressionsgezündeten Verbrennungsvorgangs des Vorgemisches in der Brennkammer (16) bereitzustellen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs (27) die Brennkammer (16) während eines Einlaßhubs und oder eines Kompressionshubs, während dessen das Vorgemisch in der Brennkammer (16) komprimiert wird, eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung des zweiten Kraftstoffs (27) in die Brennkammer (16) während des Einlaßhubs des Kolbenaufbaus (14) eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem weiter ausgebildet ist, mindestens einen der Faktoren Einspritzzeit, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge der frühen Steuereinspritzung zu steuern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem weiter ausgebildet ist, die Menge des zweiten Kraftstoffs (27), die während der frühen Steuereinspritzung vom Direktkraftstoffinjektor (26) basierend auf der Grundlage mindestens einem der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart eingespritzt wird, variabel zu steuern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Zeitpunkt und die Menge der mindestens einen frühen Steuereinspritzung basierend auf einem gewünschten Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs variabel gesteuert wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung weniger als 10 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung weniger als 5 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Kraftstoff verschiedene Kraftstofftypen sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, wobei der erste Kraftstoff (23) und oder der zweite Kraftstoff (27) mindestens einer der Kraftstoffe Dieselkraftstoff, Erdgas, Benzin, Propan, Rohbenzin (Naphta) und Kerosin ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Mischvorrichtung mindestens eines der Elemente Vergaser, Drosselkörperinjektor und Öffnungskraftstoffinjektor (22) umfaßt, die ausgebildet ist, Luft und den ersten Kraftstoff (23) stromauf der Brennkammer (16) zu mischen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung eine Vielzahl früher Steuereinspritzungen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen des zweiten Kraftstoffs (27) in die Brennkammer (16) während des Einlaßhubs und oder des Kompressionshubs, während dessen das Vorgemisch in der Brennkammer (16) komprimiert wird, eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, wobei das Steuersystem weiter ausgebildet ist, mindestens einen der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge von jeder der Vielzahl von frühen Steuereinspritzungen zu steuern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, wobei das Steuersystem weiter ausgebildet ist, die Menge des zweiten Kraftstoffs (27), der während jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen durch den Direktkraftstoffinjektor basierend auf der Grundlage mindestens eines der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, variabel zu steuern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, wobei der Zeitpunkt und die Menge der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen basierend auf einem gewünschten Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs variabel gesteuert wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, wobei der erste Kraftstoff (23) Erdgas und der zweite Kraftstoff (27) Dieselkraftstoff ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, wobei der Motorkörper (12) eine Vielzahl von Zylindern umfaßt, die jeweils einen Kolbenaufbau (14) aufweisen, der eine Brennkammer (16) bildet, wobei das Steuersystem weiter ausgebildet ist, die Menge des zweiten Kraftstoffs (27), die vom Direktkraftstoffinjektor (26) während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen eingespritzt wird, in weniger als allen Zylindern der Vielzahl Zylinder auf einmal zu variieren.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, wobei jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen weniger als 10 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs (23) beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 19, wobei jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen weniger als 5 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs (23) beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, wobei jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen von der anderen durch einen Zeitraum getrennt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 21, wobei der Zeitraum zwischen jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen ausreicht, um ein Mischen einer frühen Steuereinspritzung vor dem Beginn einer anderen frühen Steuereinspritzung zu gestatten.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 21, wobei der Zeitraum zwischen jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen ausreicht, um es dem Direktkraftstoffinjektor (26) zu gestatten, sich von einer frühen Steuereinspritzung zu erholen, bevor er eine weitere frühe Steuereinspritzung beginnt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 21, wobei der Zeitraum zwischen 500 μs und 2500 μs beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 24, wobei der Zeitraum etwa 1250 μs beträgt.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) in einem Modus der Kompressionszündung eines Vorgemischs, wobei mindestens ein Teil des Kraftstoffs (23) bei einem kompressionsgezündeten Verbrennungsvorgang des Vorgemischs verbrannt wird, wobei der Verbrennungsmotor (10) einen Kolbenaufbau (14) aufweist, der eine Brennkammer (16) bildet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen von mindestens Einlaßluft zur Brennkammer (16) während eines Einlaßhubs des Kolbenaufbaus (14); Mischen eines ersten Kraftstoffs (23) mit der Einlaßluft, um ein brennbares Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff (23) bereitzustellen; Durchführen eines Kompressionshubs des Kolbenaufbaus (14) nach dem Einlaßhub; Zünden des Vorgemischs; und direktes Einspritzen von mindestens einer frühen Steuereinspritzung eines zweiten Kraftstoffs (27) in die Brennkammer (16) vor dem Beginn des kompressionsgezündeten Verbrennungsvorgangs des Vorgemisches in der Brennkammer (16).
Verfahren nach Anspruch 26, ferner aufweisend den Schritt des Einspritzens der mindestens einen frühen Steuereinspritzung in die Brennkammer (16), während eines Einlaßhubs und oder eines Kompressionshubs, während dessen das Vorgemisch in der Brennkammer (16) komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung in die Brennkammer (16) während des Einlaßhubs des Kolbenaufbaus (14) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner aufweisend den Schritt des Steuerns mindestens einer der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge der mindestens einen frühen Steuereinspritzung.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner aufweisend den Schritt des variablen Steuerns der Menge der Einspritzung des zweiten Kraftstoffs (23) bei mindestens einer der frühen Steuereinspritzungen durch den Direktkraftstoffinjektor (26) basierend auf mindestens einem der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors (10).
Verfahren nach Anspruch 29, ferner aufweisend den Schritt des variablen Steuerns des Zeitpunkts und der Menge der mindestens einen frühen Steuereinspritzung basierend auf einem gewünschten Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der erste Kraftstoff (23) und der zweite Kraftstoff (27) unterschiedliche Kraftstofftypen sind.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der erste und oder der zweite Kraftstoffs mindestens einer der Kraftstoffe Dieselkraftstoff, Erdgas, Benzin, Propan, Rohbenzin und Kerosin ist.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der erste Kraftstoff (23) Erdgas und der zweite Kraftstoff (27) Dieselkraftstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die mindestens eine frühe Steuereinspritzung eine Vielzahl von frühen Steuereinspritzungen ist.
Verfahren nach Anspruch 35, ferner aufweisend den Schritt des Einspritzens der frühen Steuereinspritzungen in die Brennkammer (16) während des Einlaßhubs und oder des Kompressionshubs, während dessen das Vorgemisch in der Brennkammer (16) komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner aufweisend den Schritt des Steuerns mindestens einer der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen.
Verfahren nach Anspruch 37, ferner aufweisend den Schritt des variablen Steuerns der Menge des zweiten Kraftstoffs (27), die während jeder der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen durch den Direktkraftstoffinjektor (26) basierend auf mindestens einer der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 37, ferner aufweisend den Schritt des variablen Steuerns des Zeitpunkts und der Menge der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen basierend auf einem gewünschten Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen weniger als 10 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs beträgt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen weniger als 5 Prozent des gesamten zu verbrennenden Kraftstoffs (23) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei jede der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen von der anderen durch einen Zeitraum getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Zeitraum ausreicht, um ein Mischen einer Steuereinspritzung vor dem Beginn einer anderen Steuereinspritzung zu gestatten.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Zeitraum ausreicht, um es dem Direktkraftstoffinjektor (26) zu gestatten, sich von einer Steuereinspritzung zu erholen, bevor er eine andere Steuereinspritzung beginnt.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Zeitraum zwischen 500 μs und 2500 μs liegt.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Zeitraum etwa 1250 μs beträgt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Verbrennungsmotor (10) eine Vielzahl von Zylindern umfaßt, die jeweils einen Kolbenaufbau (14) aufweisen, der eine Brennkammer (16) bildet, wobei das Verfahren ferner aufweist den Schritt des Variierens der Menge des zweiten Kraftstoffs (27), die durch den Direktkraftstoffinjektor (26) während der Vielzahl der frühen Steuereinspritzungen in weniger als allen der Zylinder der Vielzahl der Zylinder auf einmal eingespritzt wird.