DE102005026681A1 - Verbrennungssteuersystem für homogene Ladung - Google Patents

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Abstract

Ein Verbrennungsmotor hat mindestens eine Brennkammer und einen Kolben, der verschiebbar in der mindestens einen Brennkammer angeordnet ist. Der Kolben ist konfiguriert, um sich zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition hin- und herzubewegen. Der Verbrennungsmotor hat auch eine Luftversorgung in selektiver Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer und eine Brennstoffversorgung in selektiver Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer. Der Verbrennungsmotor hat weiter eine Versorgung für nicht brennbares Gas und mindestens eine Einspritzvorrichtung in Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer und der Versorgung für nicht brennbares Gas. Die mindestens eine Einspritzvorrichtung ist konfiguriert, um nicht brennbares Gas von der Versorgung in die mindestens eine Brennkammer einzuleiten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verbrennungssteuersystem und insbesondere auf ein Verbrennungssteuersystem für homogene Ladung.
  • Hintergrund
  • Verbrennungsmotoren, die Dieselmotoren, Benzinmotoren, Erdgasmotoren und andere in der Technik bekannte Motoren aufweisen, können eine komplexe Mischung aus Luftverunreinigungen ausstoßen. Die Luftverunreinigungen können aus gasförmigen Komponenten zusammengesetzt sein, die Stickoxide (NOx) aufweisen können.
  • Aufgrund gesteigerter Rücksicht auf die Umwelt sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden, und die Menge an NOx, die in die Atmosphäre aus einem Motor ausgestoßen wird, kann abhängig von der Art des Motors, von der Größe des Motors und/oder von der Klasse des Motors reguliert werden. Ein Verfahren, das von Motorherstellern eingerichtet worden ist, um die Regelung dieser Motoremissionen zu erfüllen, ist gewesen, kompressionsgezündete bzw. verdichtungsgezündete Motoren mit homogener Ladung (HCCI-Motoren) zu entwickeln, die komprimiertes Erdgas (CNG = compressed natural gas) verbrennen.
  • Eine HCCI-Verbrennung findet spontan und homogen ohne Flammenfortschritt statt. In dem HCCI-Motor wird Brennstoff homogen mit Luft vermischt, jedoch mit einem hohen Verhältnis von Luft zu Brennstoff. Wenn der Kolbens sich dem oberen Totpunkt (TDC) des Kompressionshubes nähert, bewirkt die Aufheizung des Kolbens durch Kompression innerhalb des Zylinders, dass die Mischung selbst zündet (spontan verbrennt). Die homogene Mischung aus komprimiertem Erdgas und Luft kombiniert mit einem Mager verbrennungsprozess erzeugt eine niedrigere lokale Flammentemperatur, die das Ausmaß der NOx-Produktion verringert.
  • Ein Problem, das mit HCCI-Motoren assoziiert ist, weist die Steuerung des Verbrennungszeitpunktes auf. Insbesondere müssen spezielle Mengen von Brennstoff und Luft in der Brennkammer präzise aufrechterhalten werden, um eine Selbstzündung zu einem beabsichtigten Zeitpunkt sicherzustellen. Diese Notwendigkeit einer Präzision führt zu transienten Problemen bei der Steuerung, was erfordert, dass das System anfängliche Bedingungen im Zylinder sicherstellt und dann die Temperatur später im Zyklus basierend aufgemessenen Zylinderdrücken abschätzt. Instrumente und Berechnungsleistung mit hohen Kosten können erforderlich sein, um diese komplexen Prozesse mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.
  • Wie im US-Patent 6 640 773 (dem '773-Patent) offenbart, das an Ancimer u.a. am 4. November 2003 ausgegeben wurde, kann eine Verbrennungssteuerung der homogenen Mischung aus komprimiertem Erdgas und Luft mit einem Dual-Brennstoffsystem erreicht werden. Das '773-Patent beschreibt die Einleitung eines gasförmigen Hauptbrennstoffes (komprimiertes Erdgas, Propan, Bio-Gas, Deponiegas oder Wasserstoffgas) und von Luft in den Zylinder, um eine im Wesentlichen homogene Mischung vor der Verbrennung zu formen. Das '773-Patent beschreibt weiter die Einleitung eines Vorbrennstoffes (Dieselbrennstoff oder Dimethylether) in den Zylinder nahe dem oberen Totpunkt (TDC) des Kompressionshubes, der leichter als der Hauptbrennstoff zündet. Nach einer Selbstzündung des Vorbrennstoffes nehmen die Temperatur und der Druck des Hauptbrennstoffes schnell zu, um eine Selbstzündung des Hauptbrennstoffes zu bewirken. In dieser Weise steuert die Einspritzung des Vorbrennstoffes den Zeitpunkt der Selbstzündung des Hauptbrennstoffes.
  • Obwohl die Vorrichtung des '773-Patentes die Steuerung des Verbrennungszeitpunktes eines HCCI-Motors verbessern kann, erfordert die Vorrichtung zwei getrennte Brennstoffsysteme, eines für den Hauptbrennstoff und eines für den Vorbrennstoff. Die zwei getrennten Brennstoffsysteme können die Kosten und die Komplexität des HCCI-Motors steigern. Zusätzlich können die Vorteile der Verwendung von wenig NOx produzierenden Hauptbrennstoff durch Anwendung des mehr NOx erzeugenden Vorbrennstoffes verbessert werden.
  • Das offenbarte Verbrennungssteuersystem für homogene Ladung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Verbrennungsmotor gerichtet, der mindestens eine Brennkammer und einen Kolben aufweist, der verschiebbar in der mindestens einen Brennkammer angeordnet ist. Der Kolben ist konfiguriert, um sich zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition hin und her zu bewegen. Der Verbrennungsmotor weist auch eine Luftversorgung in selektiver Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer auf, und eine Brennstoffversorgung in selektiver Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer. Der Verbrennungsmotor weist weiter eine Versorgung für nicht brennbares Gas und mindestens eine Einspritzvorrichtung in Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer und der Versorgung von nicht brennbarem Gas auf. Die mindestens eine Einspritzvorrichtung ist konfiguriert, um nicht brennbares Gas von der Versorgung in die mindestens eine Brennkammer einzuleiten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors gerichtet. Das Verfahren weist die Einleitung einer Brennstoffmenge und von Luft in mindestens eine Brennkammer des Verbrennungsmotors auf, und weiter die Bewegung eines Kolbens zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition, um die Menge von Brennstoff und Luft zu komprimieren. Das Verfahren weist weiter auf, eine Menge von nicht brennbarem Gas einzuspritzen, um eine Selbstzündung der Menge von Brennstoff und Luft zu bewirken.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine mit einem kompressionsgezündeten bzw. verdichtungsgezündeten Motor mit homogener Ladung und einem Verbrennungssteuersystem gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
  • 2 ist eine diagrammartige und schematische Darstellung eines kompressionsgezündeten Motors mit homogener Ladung mit einem Verbrennungssteuersystem gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel; und
  • 3 ist eine diagrammartige und schematische Darstellung eines kompressionsgezündeten Motors mit homogener Ladung mit einem Verbrennungssteuersystem gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 veranschaulicht eine Arbeitsmaschine 5 mit einem beispielhaften kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung (HCCI-Motor) und einem Verbrennungssteuersystem 12 (CCS-System; CCS = combustion control system). Die Arbeitsmaschine 5 kann eine feste oder mobile Maschine mit einer Traktionsvorrichtung bzw. Antriebsvorrichtung 13 sein. Die Arbeitsmaschine 5 kann eine gewisse Art eines Betriebes ausführen, die mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise Bergbau, Bau, Ackerbau oder irgendein anderer in der Technik bekannter Industriezweig. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 5 eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Dozer, ein Lader, ein Baggerlader, ein Bagger, ein Motorgrader, ein Kipplastwagen oder irgendeine andere Erdbewegungsma schine. Die Arbeitsmaschine 5 kann auch einen Generatorsatz, eine Pumpe, ein Schifffahrzeug, ein Flugzeug oder irgendeine andere einen Betrieb ausführende Arbeitsmaschine aufweisen.
  • Der kompressionsgezündete Motor 10 mit homogener Ladung kann konfiguriert sein, um eine im Wesentlichen homogene Mischung aus Brennstoff und Luft zu komprimieren, die dann steuerbar selbst gezündet wird, um mechanische Arbeit und Abgas zu erzeugen. Wie in 2 veranschaulicht, kann der kompressionsgezündete Motor 10 mit homogener Ladung ein Lufteinleitungssystem 14, ein Brennstoffsystem 16, ein Ventilbetätigungssystem 18, eine Vielzahl von Brennkammern 20 (von denen nur eine gezeigt ist), eine Kolbenanordnung 22, die in jeder der Brennkammern 20 angeordnet ist, und ein Abgassystem bzw. Auslasssystem 24 aufweisen.
  • Das Lufteinleitungssystem 14 kann konfiguriert sein, um Luft in den kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung zu ziehen, und kann eine Einlasssammelleitung 26 und einen Einlassanschluss 28 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Lufteinleitungssystem 14 ein Ladeluftsystem mit einem durch eine Turbine angetrieben oder durch einen Motor angetriebenen (nicht gezeigten) Kompressor sein kann, oder zusätzliche Luftbehandlungskomponenten aufweisen kann, wie beispielsweise eine Auslassklappe, eine Drossel, ein Abgasrückzirkulationssystem, eine Luftreinigungsvorrichtung, einen Luftkühler oder irgendeine andere in der Technik bekannte Luftbehandlungskomponente.
  • Die Einlasssammelleitung 26 kann konfiguriert sein, um Luft zu jeder der Brennkammern 20 zu verteilen und kann einen Einlass 30 oder ein Auslass 32 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Einlasssammelleitungen 26 in dem kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung vorgesehen werden können, wobei jede Sammelleitung 26 Luft zu getrennten Bänken der Brennkammern 20 verteilt.
  • Der Einlassanschluss 28 kann mit der Einlasssammelleitung 26 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 34 verbunden sein und konfiguriert sein, um strömungsmittelmäßig die Luft von der Einlasssammelleitung 26 mit dem Ventilbetätigungssystem 18 zu übermitteln, das mit jeder Brennkammer 20 assoziiert ist. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Einlassanschlüsse 28 mit jeder Brennkammer 20 assoziiert sein können.
  • Das Brennstoffsystem 16 kann konfiguriert sein, um Brennstoff zu dem kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung zu liefern, und kann eine Quelle 36 für unter Druck gesetzten Brennstoff und ein Ventil 38 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, das zusätzliche Komponenten vorgesehen werden können, wie beispielsweise eine Brennstoff-Common-Rail (gemeinsame Druckleitung), die konfiguriert ist, um Brennstoff zu einer Vielzahl von Ventilen 38 zu verteilen, weiter eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, eine Vorbrennkammer oder irgendeine andere in der Technik bekannte Brennstoffsystemkomponente.
  • Die Quelle 36 für unter Druck gesetzten Brennstoff kann einen komprimierten gasförmigen Brennstoff aufweisen, wie beispielsweise Erdgas, Propan, Bio-Gas, Deponiegas oder Wasserstoffgas. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Quelle 36 für unter Druck gesetzten Brennstoff eine Pumpe sein kann, die konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit unter Druck zu setzen, wie beispielsweise Benzin, Methanol, Ethanol oder einen anderen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff mit einer ziemlich hohen Oktanzahl und einer ziemlich niedrigen Cetanzahl.
  • Das Ventil 38 kann mit der Quelle 36 für unter Druck gesetzten Brennstoff über einen Strömungsmitteldurchlassweg 39 und an einen Strömungsmitteldurchlassweg 34 angeschlossen sein, um die Brennstoffmenge zu steuern, die von der Quelle für unter Druck gesetzten Brennstoff zum Strömungsmitteldurchlassweg 34 übermittelt wird. Das Ventil 38 kann ein Kolbenventil, ein Verschlussventil, ein Klappenventil, ein Rückschlagventil, ein Membranventil, einen Schleusenventil, ein Schieberventil, ein Kugelventil, ein Drehschieberventil oder irgendein anderes in der Technik bekanntes Ventil sein. Das Ven til 38 kann elektromagnetbetätigt, hydraulisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen Weise betätigt sein. Insbesondere kann das Ventil 38 bewegbar sein zwischen einer ersten Position, wo Brennstoff in dem Strömungsmitteldurchlassweg 34 fließt, und einer zweiten Position, wo Brennstoff vom Strömungsmitteldurchlassweg 34 abgeblockt wird.
  • Die Brennstoffmenge, die in dem Strömungsmitteldurchlassweg 34 durch das Ventil 38 fließen darf, steuert das Verhältnis von Brennstoff zu Luft, das in die Brennkammer 20 eingeleitet wird. Insbesondere wenn erwünscht ist, eine magere Mischung aus Brennstoff und Luft (eine Mischung mit einer relativ niedrigen Menge von Brennstoff im Vergleich zur Luftmenge) in die Brennkammer 20 einzuleiten, kann das Ventil 38 in der ersten Position für eine kürzere Zeitperiode bleiben, als wenn eine fettere Mischung aus Brennstoff und Luft (eine Mischung mit einer relativ großen Menge an Brennstoff im Vergleich zu der Luftmenge) erwünscht ist. Genauso kann das Ventil 38 in der ersten Position für eine längere Zeitperiode bleiben, wenn eine fette Mischung aus Brennstoff und Luft erwünscht ist, als wenn eine magere Mischung erwünscht ist. Es wird in Betracht gezogen, dass das Ventil 38 weggelassen werden kann, falls erwünscht, und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung vorgesehen werden kann.
  • Das Ventilbetätigungssystem 18 kann konfiguriert sein, um Brennstoff und Luft in die Brennkammer 20 einzulassen und Abgas aus der Brennkammer 20 auszulassen, und kann mindestens ein Einlassventil 40, mindestens ein Auslassventil 42 und eine Rückstellfeder 44 aufweisen, die mit sowohl dem Einlassventil 40 als auch dem Auslassventil 42 assoziiert ist. Zusätzliche Komponenten können in dem Ventilbetätigungssystem 18 vorgesehen sein, wie beispielsweise eine (nicht gezeigte) Ventilbetätigungsvorrichtung, zusätzliche Einlassventile 40, die mit jeder Brennkammer 20 assoziiert sind, zusätzliche Auslassventile 42, die mit jeder Brennkammer 20 assoziiert sind, eine Brücke, die die Einlassventile 40 oder die Auslassventile 42 von jeder Brennkammer verbinden, und andere in der Technik bekannte Komponenten. Die Ventilbetätigungsvorrichtung kann irgendwelche Mittel zur Betäti gung des Einlassventils 40 oder des Auslassventils 42 aufweisen, wie beispielsweise eine Nocken/Druckstangen/Kipphebel-Anordnung, eine Elektromagnetbetätigungsvorrichtung, eine hydraulische Betätigungsvorrichtung oder irgendwelche anderen Betätigungsmittel, die in der Technik bekannt sind.
  • Das Einlassventil 40 kann selektiv strömungsmittelmäßig den Einlassanschluss 28 mit der Brennkammer 20 verbinden und kann ein Ventilglied 46, einen Schaft 48, der das Ventilglied 46 mit der Ventilbetätigungsvorrichtung verbindet, und einen Sitz 50 aufweisen. Insbesondere kann das Ventilglied 46 bewegbar sein zwischen einer ersten Position, wo Brennstoff und Luft in die Brennkammer 20 fließt, und einer zweiten Position, wo das Ventilglied 46 mit dem Sitz 50 in Eingriff steht, um Brennstoff und Luft von der Brennkammer 20 abzublocken.
  • Das Auslassventil 42 kann strömungsmittelmäßig selektiv das Auslasssystem 24 mit der Brennkammer 20 verbinden, um selektiv zu gestatten, das Abgas aus der Brennkammer 20 in das Auslasssystem 24 fließt, und kann ein Ventilglied 52, einen Schaft 54, der das Ventilglied 52 mit der Ventilbetätigungsvorrichtung verbindet, und einen Sitz 56 aufweisen. Insbesondere kann das Ventilglied 52 bewegbar sein zwischen einer ersten Position, wo das Abgas aus der Brennkammer 20 fließt, und einer zweiten Position, wo das Ventilglied 52 mit dem Sitz 56 in Eingriff kommt, um abzublocken, dass Abgas aus der Brennkammer 20 austritt.
  • Die Rückstellfeder 44 kann konfiguriert sein, um die Einlass- und Auslassventile 40, 42 zu ihren jeweiligen zweiten Positionen vorzuspannen. Insbesondere kann die Rückstellfeder 44 betriebsmäßig mit jedem der Einlassventile 40 und Auslassventile 42 mittels eines (nicht gezeigten) Haltegliedes verbunden sein, das mit den Schäften 48 und 54 verbunden ist. Wenn die Einlass- oder Auslassventile 40, 42 sich zu ihrer ersten Position bewegen, kann die Rückstellfeder 44 gegen eine Oberfläche der Brennkammer 20 drücken und das jeweilige Ventil in die zweite Position drücken. Es wird in Be tracht gezogen, dass andere Rückstellfedern für das Einlassventil 40 als für das Auslassventil 42 vorgesehen werden. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass die Rückstellfeder 44 weggelassen werden kann, falls erwünscht, und dass andere Mittel zur Vorspannung des Einlassventils 40 und des Auslassventils 42 in die zweite Position vorgesehen werden können.
  • Die Brennkammer 20 kann konfiguriert sein, um Brennstoff und Luft von dem Brennstoffsystem 16 und dem Lufteinleitungssystem 14 aufzunehmen, um den Verbrennungsprozess aufzunehmen, und um Abgas, das aus dem Verbrennungsprozess herrührt, zum Auslasssystem 24 zu leiten. Die Brennkammer 20 kann eine Zylinderbohrung 58 aufweisen, die in einem Motorblock 60 geformt ist, und einen Zylinderkopf 62, der mit dem Motorblock 60 verbunden ist. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Komponenten in der Brennkammer 20 vorgesehen sein können, wie beispielsweise eine (nicht gezeigte) Kühlkammer, die zwischen der Zylinderbohrung 58 und dem Motorblock 60 angeordnet ist, eine (nicht gezeigte) Zylinderhülse bzw. Zylinderauskleidung, die in der Zylinderbohrung 58 angeordnet ist, (nicht gezeigte) Mittel zur Abdichtung des Zylinderkopfes 62 zum Motorblock 60 hin, und andere in der Technik bekannte Brennkammerkomponenten.
  • Die Kolbenanordnung 22 kann verschiebbar in der Zylinderbohrung 58 angeordnet sein und konfiguriert sein, um sich zwischen einer unteren Totpunktposition (BDC) oder untersten Position in der Brennkammer 20, und einer oberen Totpunktposition (TDC) oder obersten Position in der Brennkammer 20 hin und her zu bewegen. Insbesondere kann die Kolbenanordnung 22 einen Kolben 64 und eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 66 aufweisen, die die Kolbenanordnung 22 mit einer Kurbelwelle 68 des kompressionsgezündeten Motors 10 mit homogener Ladung verbindet. Wenn sich die Kurbelwelle 68 um 180 Grad dreht, bewegen sich der Kolben 64 und die damit verbundene Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 66 über einen vollen Hub zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt. Der kompressionsgezündete Motor 10 mit homogener Ladung kann ein Vier-Takt-Motor sein, wobei ein vollständiger Zyklus einen Einlasshub (oberer Totpunkt bis zum unteren Totpunkt), einen Kompressionshub bzw. Verdichtungshub (unteren Totpunkt bis zum oberen Totpunkt), einen Leistungshub (oberer Totpunkt bis zum unteren Totpunkt) und einen Auslasshub (unterer Totpunkt bis zum oberen Totpunkt) aufweist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der kompressionsgezündete Motor 10 mit homogener Ladung alternativ ein Zwei-Takt-Motor sein kann, wobei ein vollständiger Zyklus einen Kompression/Auslasshub (unterer Totpunkt bis zum oberen Totpunkt) und einen Leistung/Auslass/Einlasshub (oberer Totpunkt bis zum unteren Totpunkt) aufweist.
  • Das Auslasssystem 24 kann konfiguriert sein, um Abgas aus der Brennkammer 20 in die Atmosphäre zu leiten, und kann einen Auslassanschluss 70 und eine Auslasssammelleitung 72 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Auslasssystem 24 andere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise eine Turbine, ein Abgasrückzirkulationssystem, ein Partikelfilter, ein katalytisches Nachbehandlungssystem oder irgendwelche anderen in der Technik bekannten Auslasssystemkomponenten.
  • Die Auslasssammelleitung 72 kann konfiguriert sein, um Abgas von jeder der Brennkammern 20 aufzunehmen und das Abgas in die Atmosphäre zu leiten. Die Auslasssammelleitung 72 kann einen Einlass 74 und einen Auslass 76 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Auslasssammelleitungen 72 in dem kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung vorgesehen sein können, wobei jede Auslasssammelleitung 72 Abgas von getrennten Seiten der Brennkammern 20 aufnimmt.
  • Der Auslassanschluss 70 kann mit der Auslasssammelleitung 72 über einen Strömungsmitteldurchlassweg 78 verbunden sein und konfiguriert sein, um strömungsmittelmäßig das Abgas aus dem Auslassventil 72, das mit jeder Brennkammer 20 assoziiert ist, zur Auslasssammelleitung 72 zu übermitteln. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Auslassanschlüsse 70 mit jeder Brennkammer 20 assoziiert sein können.
  • Das Verbrennungssteuersystem 12 kann konfiguriert sein, um den Verbrennungszeitpunkt einer im Wesentlichen homogenen Mischung aus Brennstoff und Luft zu steuern, die durch den kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung komprimiert wurde, und kann eine Quelle 80 für unter Druck gesetztes Gas, eine Einspritzvorrichtung 82, eine elektronische Steuereinheit (ECU = electronic control unit) 84, einen Kurbelwellenwinkelsensor 86 und einen Einlasssammelleitungssensor 88 aufweisen. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Komponenten in dem Verbrennungssteuersystem 12 vorgesehen sein könnten, wie beispielsweise zusätzliche Motorsensoren.
  • Die Quelle 80 für unter Druck gesetztes Gas kann konfiguriert sein, um eine (nicht gezeigte) Gasversorgung unter Druck zu setzen und das unter Druck gesetzte Gas zur Einspritzvorrichtung 82 über den Strömungsmitteldurchlassweg 90 zu leiten. Die Quelle 80 für unter Druck gesetztes Gas kann irgendwelche Mittel aufweisen, um ein gasförmiges Strömungsmittel unter Druck zu setzen, wie beispielsweise eine Drehkolbenpumpe mit fester oder variabler Verdrängung, eine Membranpumpe oder irgendeine andere in der Technik bekannte Pumpe. Die Gasversorgung kann irgendein nicht brennbares Gas aufweisen, wie beispielsweise Luft, Sauerstoff oder mit Stickstoff angereicherte Luft, CO2, rückzirkuliertes Abgas vom kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung oder irgendein anderes nicht brennbares Gas, dass in der Technik bekannt ist. Das nicht brennbare Gas kann vor der Einspritzung in die Brennkammer 20 komprimiert werden, beispielsweise auf ungefähr 2000 psi. Es wird in Betracht gezogen, dass wenn der kompressionsgezündete Motor 10 mit homogener Ladung ein turboaufgeladenes Lufteinleitungssystem aufweist, Luft, die vom Kompressor des Turboladers komprimiert wird, in die Quelle 80 für unter Druck gesetztes Gas geleitet werden kann, um den Wirkungsgrad des Verbrennungssteuersystems 12 zu steigern. Während des Vorgangs des Unterdrucksetzens steigt die Temperatur des nicht brennbaren Gases proportional zum Anstieg des Druckes und kann Temperaturen von beispielsweise ungefähr 1000° C erreichen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass Mittel zur Aufheizung des nicht brennbaren Gases ebenfalls vorgesehen sein können.
  • Die Einspritzvorrichtung 82 kann konfiguriert sein, um selektiv eine Menge von unter Druck gesetztem nicht brennbarem Gas in die Brennkammer 20 einzulassen. Insbesondere kann die Einspritzvorrichtung 82 sich zwischen einer ersten Position, wo das unter Druck gesetzte nicht brennbare Gas in die Brennkammer 20 fließt, und einer zweiten Position bewegen, wo das unter Druck gesetzte nicht brennbare Gas von der Brennkammer 20 abgeblockt wird. Es wird in Betracht gezogen, dass die Quelle 80 für unter Druck gesetztes Gas weggelassen wird, falls erwünscht, und die Einspritzvorrichtung 82 veranlasst wird, das nicht brennbare Gas während der Einspritzung in die Brennkammer 20 unter Druck zu setzen.
  • Die elektronische Steuereinheit 84 kann in Verbindung mit dem Kurbelwellenwinkelsensor 86 über eine Kommunikationsleitung 92 sein, mit dem Einlasssammelleitungssensor 88 über die Kommunikationsleitung 94, mit dem Ventil 38 über die Kommunikationsleitung 96 und mit der Einspritzvorrichtung 82 über die Kommunikationsleitung 98, um getrennt Betriebsvorgänge des Ventils 38 und der Einspritzvorrichtung 82 ansprechend auf Signale vom Kurbelwellenwinkelsensor 86 und dem Einlasssammelleitungssensor 88 zu steuern. Der Kurbelwellenwinkelsensor 86 kann in der Nähe der Kurbelwelle 68 angeordnet sein und kann konfiguriert sein, um eine augenblickliche Winkelposition der Kurbelwelle 68 zu messen, und um ein Signal zu erzeugen, das dem gemessenen Kurbelwellenwinkel entspricht. Der Einlasssammelleitungssensor 88 kann in der Einlasssammelleitung 26 angeordnet sein und kann konfiguriert sein, um einen augenblicklichen Druck und/oder eine augenblickliche Temperatur in der Einlasssammelleitung 26 zu messen und ein Drucksignal und/oder ein Temperatursignal ansprechend darauf zu erzeugen. Es wird in Betracht gezogen, dass eine größere oder geringere Anzahl von Sensoren in dem Verbrennungssteuersystem 12 vorgesehen sein kann, und dass der Einlasssammelleitungssensor 88 weggelassen werden kann, falls erwünscht. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Einlasssammelleitungssensor 88 alternativ in der Brennkammer 20 gelegen sein kann, um einen Druck und/oder eine Temperatur des Strömungsmittels in der Brennkammer 20 zu messen.
  • 3 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel des kompressionsgezündeten Motors 10 mit homogener Ladung. Im Gegensatz zu 2 weist der kompressionsgezündete Motor 10 mit homogener Ladung der 3 eine Vorbrennkammer 100 mit Zumessöffnungen 102 auf. Die Vorbrennkammer 100 kann in Strömungsmittelverbindung mit der Brennkammer 20 über Zumessöffnungen 102 sein, und kann der gleichen Mischung aus Brennstoff und Luft ausgesetzt sein, die in der Brennkammer 20 vorhanden ist. Es wird in Betracht gezogen, dass irgend eine Anzahl von Zumessöffnungen 102 in der Vorbrennkammer 100 vorgesehen sein kann. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Einspritzvorrichtung 82 so angeordnet sein, dass eine Einspritzung von der Einspritzvorrichtung 82 in die Vorbrennkammer 100 anstatt in die Brennkammer 20 geleitet wird.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das offenbarte Verbrennungssteuersystem kann auf irgend einen kompressionsgezündeten Motor mit homogener Ladung anwendbar sein, wo eine präzise Steuerung der Einleitung der Verbrennung erwünscht ist. Der Betrieb des Verbrennungssteuersystems 12, das mit dem kompressionsgezündeten Motor mit homogener Ladung assoziiert ist, wird nun erklärt.
  • Während eines Einlasshubes des kompressionsgezündeten Motors 10 mit homogener Ladung kann das Einlassventil 40 in der ersten Position sein, wie in 1 gezeigt, wenn der Kolben 64 sich in der Brennkammer 20 zwischen der oberen Totpunktposition und der unteren Totpunktposition bewegt. Während des Einlasshubes kann die Abwärtsbewegung des Kolbens 64 zur unteren Totpunktposition einen Unterdruck in der Brennkammer 20 erzeugen. Der Unterdruck bzw. niedrige Druck kann dahingehend wirken, dass er Brennstoff und Luft aus dem Strömungsmitteldurchlassweg 34 in die Brennkammer 20 über den Einlassanschluss 28 zieht. Wie oben beschrie ben, kann ein Turbolader alternativ verwendet werden, um komprimierte Luft und Brennstoff in die Brennkammer 20 zu drücken. Der Brennstoff kann in den Luftstrom entweder vom Turbolader oder zum Turbolader eingeleitet werden oder kann alternativ direkt in die Brennkammer 20 eingespritzt werden.
  • Folgend auf den Einlasshub können sowohl das Einlassventil 40 als auch das Auslassventil 42 in der zweiten Position sein, wo die Mischung aus Brennstoff und Luft davon abgeblockt wird, aus der Brennkammer 20 während des aufwärts gerichteten Kompressionshubes des Kolbens 64 auszutreten. Wenn sich der Kolben von der unteren Totpunktposition zur oberen Totpunktposition während des Kompressionshubes bewegt, kann die Mischung aus Brennstoff und Luft in der Brennkammer 20 homogen vermischt und komprimiert werden. Zu einem Zeitpunkt während des Kompressionshubes oder alternativ gerade nach der Vollendung des Kompressionshubes kann das unter Druck gesetzte nicht brennbare Gas in die Brennkammer 20 eingespritzt bzw. eingeleitet werden. Die Einspritzung des unter Druck gesetzten nicht brennbaren Gases kann den Druck und/oder die Temperatur der homogenen Brennstoff/Luft-Mischung in der Brennkammer 20 über die Selbstzündungsschwelle der homogenen Mischung aus Brennstoff und Luft steigern. Die Einspritzung kann so auftreten, dass eine Selbstzündung gerade nach dem oberen Totpunkt eingerichtet wird, wo der Kolben 64 sich nach unten während des Leistungshubes bewegt. Es wird in Betracht gezogen, dass die Selbstzündung gerade vor dem oberen Totpunkt auftreten kann, wenn der Kolben 64 den Kompressionshub vollendet. Es wird auch in Betracht gezogen, dass eine zusätzliche Einspritzung des nicht brennbaren Gases in die Brennkammer 20 entweder während des Einlasshubes oder während des Auslasshubes geleitet wird, um eine Verwirbelung zu steigern, wodurch die Mischung von Brennstoff und Luft verbessert wird.
  • In dem alternativen Ausführungsbeispiel der 3 kann zu dem Zeitpunkt während des Kompressionshubes oder gerade nach der Vollendung des Kompressionshubes die Einspritzvorrichtung 82 das unter Druck gesetzte nicht brennbare Gas in die Vorbrennkammer 100 einspritzen und nicht direkt in die Brennkammer 20. Weil die Vorbrennkammer 100 strömungsmittelmäßig mit der gleichen homogenen Mischung wie die Brennkammer 20 über die Zumessöffnungen 102 verbunden bzw. beliefert wird, bewirkt die Einspritzung des nicht brennbaren Gases eine Selbstzündung der Mischung innerhalb der Vorbrennkammer 100. Wenn die Mischung innerhalb der Vorbrennkammer 100 zündet, erstreckt sich der Verbrennungsprozess, der in der Vorbrennkammer 100 auftritt, in die Brennkammer 20 über Zumessöffnungen 102, um die Temperatur und den Druck der Mischung in der Brennkammer 20 über die Selbstzündungsschwelle der Mischung in der Brennkammer 20 anzuheben. In dieser Weise bewirkt die Einspritzung in der Vorbrennkammer 100 eine Selbstzündung der Brennstoff/Luft-Mischung in der Brennkammer 20. Weil das Volumen der Vorbrennkammer 100 kleiner als das Volumen der Brennkammer 20 ist, kann die Einspritzungsmenge des nicht brennbaren Gases in die Vorbrennkammer 100, die erforderlich ist, um eine Selbstzündung der homogenen Mischung zu bewirken, geringer sein als wenn die Einspritzung direkt in die Brennkammer 20 auftritt.
  • Das Brennstoff/Luft-Verhältnis der Mischung innerhalb der Brennkammer 20 und der Zeitpunkt der Einspritzung des nicht brennbaren Gases können von dem Verbrennungssteuersystem 12 gesteuert werden. Insbesondere kann die elektronische Steuereinheit 84 das Ventil 38 zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegen und getrennt die Einspritzvorrichtung 82 ansprechend auf eine oder mehrere vorbestimmte Bedingungen betätigen. Die vorbestimmten Bedingungen können mit einem Temperatur- oder Drucksignal in Beziehung sein, das von dem Einlasssammelleitungssensor 88 erzeugt wird und/oder mit einem Signal, das vom Kurbelwellenwinkelsensor 86 erzeugt wird. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche Motorparameter abgefühlt und/oder überwacht werden können, und dass das Verbrennungssteuersystem 12 das Ventil 38 und/oder die Einspritzvorrichtung 82 basierend auf den zusätzlichen Motorparametern steuern kann.
  • Weil das Verbrennungssteuersystem 12 ein komprimiertes nicht brennbares Gas verwendet, um eine Selbstzündung der im Wesentlichen homogenen Mischung aus Brennstoff und Luft in der Brennkammer 20 zu bewirken, kann nur ein einziges Brennstoffsystem erforderlich sein. Das einzige Brennstoffsystem gestattet einen kostengünstigen kompressionsgezündeten Motor 10 mit homogener Ladung, während es die Vorteile der Anwendung eines Hauptbrennstoffes mit niedriger NOx-Erzeugung beibehält.
  • Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten kompressionsgezündeten Motor mit homogener Ladung und an dem Verbrennungssteuersystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus der praktischen Ausführung des offenbarten kompressionsgezündeten Motors mit homogener Ladung und des Verbrennungssteuersystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen angezeigt wird.

Claims (10)

  1. Verbrennungsmotor (10), der Folgendes aufweist: mindestens eine Brennkammer (20); einen Kolben (65), der verschiebbar in der mindestens einen Brennkammer angeordnet ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer oberen Totpunktposition und eine unteren Totpunktposition hin und her zu bewegen; eine Luftversorgung in selektiver Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer; eine Brennstoffversorgung (36) in selektiver Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer; eine Versorgung (82) für nicht brennbares Gas; und mindestens eine Einspritzvorrichtung (82) in Strömungsmittelverbindung mit der mindestens einen Brennkammer und der Versorgung für nicht brennbares Gas, wobei die mindestens eine Einspritzvorrichtung konfiguriert ist, um das nicht brennbare Gas von der Versorgung in die mindestens eine Brennkammer einzuspritzen.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Brennkammer eine Vorbrennkammer aufweist, wobei die Einspritzung des nicht brennbaren Gases in die Vorbrennkammer geschieht.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffversorgung und die Luftversorgung selektiv mit der mindestens einen Brennkammer verbunden werden, wenn der Kolben sich von der oberen Totpunktposition zur unteren Totpunktposition während eines Einlasshubes bewegt, und zwar derart, dass eine im Wesentlichen homogene Brennstoff/Luft-Mischung gebildet wird, wenn der Kolben sich von der unteren Totpunktposition zur oberen Totpunktposition während eines Kompressionshubes vor der Einspritzung des nicht brennbaren Gases bewegt
  4. Verbrennungsmotoren nach Anspruch 3, wobei die Einspritzung des nicht brennbaren Gases eine Selbstzündung der im Wesentlichen homogenen Mischung aus Brennstoff und Luft verursacht.
  5. Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, wobei die Einspritzung des nicht brennbaren Gases die Vermischung einer Menge von der Brennstoffversorgung und einer Menge von der Luftversorgung in der mindestens einen Brennkammer erleichtert.
  6. Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, wobei das nicht brennbare Gas eingespritzt wird, wenn sich der Kolben von der oberen Totpunktposition zur unteren Totpunktposition während eines Leistungshubes bewegt.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors 10, welches Folgendes aufweist: Einleitung einer Menge aus Brennstoff und Luft in mindestens eine Brennkammer (20) des Verbrennungsmotors; Bewegung eines Kolbens (65) zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition, um die Menge von Brennstoff und Luft zu komprimieren; und Einspritzung einer Menge von nicht brennbarem Gas in die mindestens eine Brennkammer, um eine Selbstzündung der Menge aus Brennstoff und Luft zu bewirken.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Menge aus Brennstoff und Luft in die mindestens eine Brennkammer eingeleitet wird, wenn der Kolben sich von der oberen Totpunktposition zur unteren Totpunktposition während eines Einlasshubes bewegt, so dass eine im Wesentlichen homogene Mischung gebildet wird, wenn der Kolben sich von der unteren Totpunktposition zur oberen Totpunktposition während eines Kompressionshubes bewegt, und zwar vor der Einspritzung des nicht brennbaren Gases.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter aufweist, homogen die Menge aus Brennstoff und Luft vor der Einleitung der Menge aus Brennstoff und Luft in die mindestens eine Brennkammer zu vermischen.
  10. Arbeitsmaschine (5), die Folgendes aufweist: eine Antriebsvorrichtung (13); und den Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1–6, der konfiguriert ist, um die Antriebsvorrichtung anzutreiben.
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