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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verbrennungssteuersystem
und insbesondere auf ein Verbrennungssteuersystem für homogene
Ladung.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
offenbarte Verbrennungssteuersystem für homogene Ladung ist darauf
gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitsmaschine mit einem
kompressionsgezündeten
bzw. verdichtungsgezündeten
Motor mit homogener Ladung und einem Verbrennungssteuersystem gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
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2 ist
eine diagrammartige und schematische Darstellung eines kompressionsgezündeten Motors
mit homogener Ladung mit einem Verbrennungssteuersystem gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel;
und
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3 ist
eine diagrammartige und schematische Darstellung eines kompressionsgezündeten Motors
mit homogener Ladung mit einem Verbrennungssteuersystem gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte
Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.