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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Verbrennungsmotor und
insbesondere auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
in mehr als einem Verbrennungsbetriebszustand.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren
werden weithin für eine
Vielzahl von Zwecken verwendet. Die Transportinfrastruktur beruht
fast ausschließlich
auf der Anwendung von Motoren, um Leistung für Mobilität vorzusehen. Die Erzeugung
von elektrischer Leistung beruht auch stark auf Verbrennungsmotoren.
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Die
ausufernde Anwendung von Motoren in unserer Gesellschaft hat eine
Anzahl von Betrachtungspunkten erzeugt, wobei einer davon die immer weiter
ansteigenden Mengen von Verbrennungsnebenprodukten betrifft, die
ausgestoßen
werden. Obwohl heutige Motoren mit viel geringeren Emissionsniveaus
arbeiten, als frühere
Generationen von Motoren, erzeugt die schnell ansteigende Anzahl
von Motoren die Notwendigkeit, die Emissionsniveaus noch weiter
zu reduzieren.
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Regierungen
auf der ganzen Welt erkennen dieses Problem und unternehmen Regulierungsschritte,
um die Emissionsniveaus der Motoren anzusprechen. Beispielsweise
müssen
die Niveaus der Stickoxide (NOx), der Kohlenwasserstoffe (HC), des Kohlenmonoxid
(CO) und des Rußes
unter anderem drastisch reduziert werden, um die aufkommenden Regierungsstandards
zu erfüllen.
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Funkengezündete Motoren
tendieren durch die Natur ihres Betriebes und die Natur der verwendeten
Brennstoffarten dazu geringe Niveaus an NOx- und Partikelemissionen
zu erzeugen. Kompressionsgezündete
bzw. verdich tungsgezündete
Motoren, beispielsweise Diesel-Motoren, erzeugen im Allgemeinen
höhere
Pegel von NOx- und Partikelemissionen. Diesel-Motoren sind jedoch
immer noch populärer
im Gebrauch, da sie einen höheren
thermischen Wirkungsgrad bieten als ihre funkengezündeten Konkurrenten,
und sie somit eine höhere
Leistungsausgabe für
Arbeitsanwendungen bieten.
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Ein
Versuch, die Emissionen von kompressionsgezündeten Motoren zu reduzieren,
ist die Anwendung von Nachbehandlungssystemen gewesen, um die unerwünschten
Emissionen aus dem Abgas der Motoren zu verändern oder zu entfernen. Eine Form
der nach Behandlungstechnologie, die sich als vielversprechend bei
der Verringerung der NOx-Emissionen von kompressionsgezündeten Motoren
gezeigt hat, ist eine NOx-Adsorptionstechnologie, eine Katalysatortechnologie.
Jedoch hat sich der erfolgreiche Aufbau einer NOx-Adsorptionstechnologie
als schwierig erwiesen. Erstens müssen NOx-Adsorptionsmittel für eine ausreichende NOx-Reduktion bei
niedrigen Temperaturen sehr starke Einträge von teuren Edelmetallen
haben. Tatsächlich
können
die NOx-Adsorptionsmittel, die erfolgreich bei Bedingungen mit niedriger
Temperatur arbeiten, bis zu zweimal den Edelmetallgehalt von NOx-Adsorptionsmitteln erfordern,
die nur bei Bedingungen mit höherer
Temperatur arbeiten. Zweitens ist die Effektivität der NOx-Adsorptionstechnologie
bei Bedingungen mit sehr niedriger Temperatur fraglich. Um die Leistung bei
diesen Bedingungen zu verbessern, kann ein teures und brennstoffintensives
thermisches Management nötig
sein. Drittens wird der Katalysator einer NOx-Adsorptionsvorrichtung
durch Schwefel vergiftet, auch bei den gegenwärtigen besonders niedrigen Schwefelniveaus
und Brennstoff. Dieser Vergiftungsprozess reduziert die gesamte
Lebensspanne des Katalysators.
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Ein
weiterer Versuch, die Emissionen von kompressionsgezündeten Motoren
zu reduzieren, ist die Anwendung einer Verbrennung durch Kompressionszündung mit
homogener Ladung (HCCl-Verbrennung) gewesen. Motoren, die in dem
HCCl-Betriebszustand arbeiten, haben viel Interesse hervorgerufen,
und zwar aufgrund des Potenziales, mit hoher Brennstoffausnutzung
zu arbeiten, während
sie wenig Verbrennungsemissionen erzeugen. Kompres sionsgezündete Motoren
mit homogener Ladung (HCCl-Motoren) weichen von herkömmlichen
kompressionsgezündeten
Dieselmotoren dahingehend ab, dass die Dieselmotoren Brennstoff
zünden,
der fett ist, d. h. hoch konzentriert ist, und zwar in einem Bereich
einer Brennkammer, während
HCCl-Techniken eine
verteilte homogene Brennstoff/Luft-Mischung zum Zeitpunkt der Verbrennung
erzeugen. Die Verbrennung einer homogenen Brennstoft/Luft-Mischung
gestattet, dass ein Motor so arbeitet, dass die Verbrennungsnebenprodukte
beträchtlich
verringert werden. Jedoch hat eine erfolgreiche Einrichtung einer
HCCl-Verbrennung bei allen Motorbelastungsbedingungen sich als schwierig
erwiesen. Bei Bedingungen mit hoher Motorbelastung verursacht die
HCCl-Verbrennung eine hohe mechanische Belastung der Motorteile
aufgrund eines höheren
Spitzenzylinderdruckes als eine herkömmliche Dieselverbrennung.
Motorkomponenten, die üblicherweise
verwendete Materialzusammensetzungen haben, können eventuell diesen höheren Drücken nicht
widerstehen. Um den Zeitpunkt der HCCl-Verbrennung bei Bedingungen
mit höherer
Belastung zu steuern, kann es auch nötig sein, beträchtliche
strukturelle Veränderungen
an dem Motor vorzunehmen, was beispielsweise Mechanismen zum Variieren
des Kompressionsverhältnisses
des Motors mit einschließt.
Eine Strategie zur Anwendung einer HCCl-Verbrennung ist offenbart im US-Patent
6 561 157, das an Loye und andere am 13. März 2003 ausgegeben wurde. In dem '157-Patent wird eine
PCCl-Verbrennung ähnlich der
HCCl-Verbrennung während
einiger Teile eines Motorbetriebes verwendet, und andere Verbrennungsbetriebszustände, wie
beispielsweise der Standard-Dieselbetriebszustand, der funkengezündete Betriebszustand
und ein Dual-Brennstoff-Übergangsbetriebszustand
mit homogener Ladung werden während
anderer Teile des Motorbetriebs verwendet.
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Die
vorliegende Erfindung 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
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines
Verbrennungsmotors den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand
auf. Das Verfahren weist auch das Umschalten des Betriebs des Motors
in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand auf. Das Verfahren
weist auf, einen Abgasstrom des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung
im Wesentlichen nur während
des Betriebs in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand zu leiten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand
auf. Das Verfahren weist auch auf, den Betrieb des Motors in einen
zweiten Verbrennungsbetriebszustand umzuschalten. Das Verfahren
weist auf, einen Abgasstrom des Motors in Kontakt mit einer NOx-Adsorptionsvorrichtung
während
irgendeines anderen Verbrennungsbetriebszustandes als dem ersten
Verbrennungsbetriebszustand zu leiten.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines
Verbrennungsmotors auf, zu bewirken, dass ein Abgasstrom eines Motors,
wobei der Motor fähig
ist, selektiv in einem Verbrennungsbetriebszustand mit kompressionsgezündeter homogener
Ladung (HCCl-Verbrennungsbetriebszustand) und in mindestens einem
anderen Verbrennungsbetriebszustand zu arbeiten, eine NOx-Adsorptionsvorrichtung
im Wesentlichen nur während
dem mindestens einen anderen Verbrennungsbetriebszustand zu berühren.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist ein Verbrennungsmotors einen Motorkörper mit
einer Brennkammer auf. Ein Abgasstrom tritt aus der Brennkammer
aus. Ein Brennstoffsystem ist mit dem Motorkörper verbunden. Das Brennstoffsystem
ist geeignet, eine HCCl-Brennstoffladung
in die Brennkammer zu liefern. Das Brennstoffsystem ist auch geeignet,
mindestens eine andere Brennstoffladung in die Brennkammer zu liefern. Der
Motor weist eine NOx-Adsorptionsvorrichtung auf, die positioniert
ist, um in Strömungsmittelverbindung
mit dem Abgasstrom im Wesentlichen nur dann zu sein, wenn das Brennstoffsystem
die mindestens eine andere Brennstoffladung zur Brennkammer liefert.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist ein Verbrennungsmotor einen Motorkörper auf,
der eine Brennkammer definiert. Ein Abgasstrom tritt aus der Brennkammer
aus. Eine NOx-Adsorptionsvorrichtung
ist positioniert, um selektiv den Abgasstrom zu berühren. Der
Motor weist Mittel auf, um den Motor in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand
zu betreiben. Der Motor weist auch Mittel auf, um den Betrieb des
Motors in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umzuschalten.
Der Motor weist Mittel auf, um den Abgasstrom in Kontakt mit der
NOx-Adsorptionsvorrichtung im Wesentlichen nur während des Betriebs in dem zweiten
Verbrennungsbetriebszustand zu leiten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung weist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
den Betrieb des Motors in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand
auf, während
dem ein erster Abgasstrom erzeugt wird. Der erste Abgasstrom hat
eine erste Konzentration von NOx, die geringer oder kleiner als
eine vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration
ist. Das Verfahren weist auch auf, den Betrieb des Motors in einen
zweiten Verbrennungsbetriebszustand umzuschalten, während dem
ein zweiter Abgasstrom erzeugt wird. Der zweite Abgasstrom hat eine
zweite Konzentration aus NOx, die größer ist als die vorbestimmte
Referenz-NOx-Konzentration.
Das Verfahren weist weiter auf, den zweiten Abgasstrom in Kontakt
mit mindestens einer NOx-Adsorptionsvorrichtung zu bringen. Das
Verfahren weist die Entfernung von NOx aus dem zweiten Abgasstrom
auf, wenn der zweite Abgasstrom in Kontakt mit der mindestens einen NOx-Adsorptionsvorrichtung
ist, um einen behandelten Abgasstrom zu erzeugen. Der behandelte
Abgasstrom hat eine Konzentration von NOx, die geringer oder gleich
der vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentration ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Abbildung eines Verbrennungsmotors;
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2 ist
ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens des Motors der 1;
und
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3 ist
eine Kurvendarstellung der Verbrennungsbetriebszustände des
Motors der 1 als eine Funktion der Motorbelastung
und der Motordrehzahl.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 ist dort eine schematische
Abbildung eines Verbrennungsmotors 10 gezeigt. Der Motor 10 weist
einen Motorkörper 12 auf, der
eine Brennkammer 14 definiert. Der Motorkörper 12 kann
einen (nicht gezeigten) Zylinderblock und einen (nicht gezeigten)
Zylinderkopf aufweisen, der an dem Zylinderblock angebracht ist,
oder andere in der Technik bekannte Motorstrukturen. Der Motorkörper 12 definiert
einen Zylinder 16, in dem ein Kolben 18 angeordnet
ist. Der Kolben 18 ist in Kontakt mit der Brennkammer 14.
Der Motor 10 weist auch ein Einlasssystem 20 auf,
um Luft oder eine Kombination aus Einlassluft und Brennstoff in
die Brennkammer 14 zu liefern, und ein Auslasssystem 22,
welches gestattet, dass ein Abgasstrom aus der Brennkammer 14 austritt.
Obwohl nur ein Zylinder 16 in 1 veranschaulicht
ist, kann die vorliegende Erfindung in Verbrennungsmotoren 10 mit
verschiedenen Konfigurationen verwendet werden, die Motoren 10 mit
irgendeiner Anzahl von Zylindern 16 aufweisen, beispielsweise
vier, fünf,
sechs, acht, zehn, zwölf
oder sechzehn Zylinder 16. Zusätzlich kann, obwohl der Motor 10 in
erster Linie mit Bezug auf einen Vier-Takt-Motor 10 besprochen wird, in
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Motor 10 in Form eines Zwei-Takt-Motors 10 sein.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 1 weist das Einlasssystem 20 eine Einlasssammelleitung 24 und
einen Einlassanschluss 26 auf, um Einlassluft oder eine
Luft/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer 14 zu leiten.
Ge nauso weist das Auslasssystem 22 einen Auslassanschluss 28 auf,
um Abgas so zu leiten, wie unten beschrieben. Ein oder mehrere Einlassventile 30 und
ein oder mehrere Auslassventile 32 sind in den jeweiligen
Anschlüssen 26 und 28 positioniert
und werden zwischen offenen und geschlossenen Positionen durch ein
herkömmliches Ventilsteuersystem
bewegt, oder durch ein System mit variabler Ventilzeitsteuerung,
um den Fluss der Einlassluft oder der Luft/Brennstoff-Mischung in
die Brennkammer 14 hinein bzw. den Fluss des Abgasstroms
aus der Brennkammer heraus zu steuern.
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Der
Motor 10 hat ein Brennstoffsystem 34, das mit
dem Motorkörper 12 verbunden
ist. In dem Ausführungsbeispiel
der 1 weist das Brennstoffsystem 34 eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung 36 auf, um Brennstoff in
die Brennkammer 14 einzuspritzen. Das Brennstoffsystem 34 ist
geeignet, um eine Dieselbrennstoffladung in die Brennkammer 14 zu
liefern. Die Lieferung einer Dieselbrennstoffladung weist typischerweise
die direkte Einspritzung einer Brennstoffmenge in die Brennkammer 14 auf,
wenn der Kolben 18 nahe einer oberen Totpunktposition ist. Die
Lieferung einer Dieselbrennstoffladung kann irgendein anderes Verfahren
aufweisen, welches eine Verbrennung über eine Kompressionszündung bzw. Verdichtungszündung eines
stark konzentrierten Bereiches von Brennstoff in der Brennkammer 14 zur Folge
hat, was eine selbst fortschreitende Flammenfront erzeugt.
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Das
Brennstoffsystem 34 ist auch geeignet, um eine HCCl-Brennstoffladung
in die Brennkammer 14 zu liefern. Die Lieferung einer HCCl-Ladung
kann die Lieferung von irgendeiner frühen Pilot- bzw. Voreinspritzmenge
des Brennstoffes in die Brennkammer 14 aufweisen, das heißt die Einspritzung
einer Brennstoffmenge in die Brennkammer 14, bevor der Kolben 18 die
oberen Totpunktposition erreicht. Die Lieferung einer HCCl-Ladung
kann die Lieferung einer ersten Brennstoffmenge in die Brennkammer 14 in
einem ersten Verteilungswinkel und die Lieferung einer zweiten Brennstoffmenge
in die Brennkammer 14 in einem zweiten Verteilungswinkel
aufweisen. Die Lieferung einer HCCl-Ladung kann die Erzeugung einer
im Wesentlichen homogenen Mischung aus Luft und Brennstoff außerhalb
der Brennkammer 14 aufweisen, und dann die Lieferung der
homogenen Mischung in die Brennkammer 14. Die Erzeugung
der homogenen Mischung kann erreicht werden durch Einspritzung von
Brennstoff in die Einlasssammelleitung 24 des Motors 10 oder
in den Einlassanschluss 26 des Motors 10. Die
Lieferung einer HCCl-Ladung kann irgendeine Kombination von diesen
Verfahren aufweisen, oder irgendein anderes Verfahren, das innerhalb
der Brennkammer 14 vor der Verbrennung eine brennbare Mischung
erzeugen kann, wobei der Hauptteil davon durch Kompressionszündung ohne
Anwesenheit einer selbst fortschreitenden Flammenfront zu zünden ist.
Das Brennstoffsystem 34 kann auch geeignet sein, um irgendeine
andere Art einer Brennstoffladung in die Brennkammer 14 zu
liefern.
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Der
Motor 10 ist geeignet, um selektiv in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand
und einem zweiten Verbrennungsbetriebszustand zu arbeiten. Der Motor 10 kann
auch geeignet sein, in einem oder mehreren zusätzlichen Verbrennungsbetriebszustände zu arbeiten.
In einem Ausführungsbeispiel
ist der erste Verbrennungsbetriebszustand ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand,
das heißt
der Betriebszustand, in dem das Brennstoffsystem 34 eine HCCl-Brennstoffladung
in die Brennkammer 14 liefert. Der zweite Verbrennungsbetriebszustand
kann ein Dieselverbrennungsbetriebszustand sein, das heißt der Betriebszustand,
in dem das Brennstoffsystem 34 eine Dieselladung in die
Brennkammer 14 liefert.
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Der
Motor 10 weist mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 auf,
die positioniert ist, um den Abgasstrom des Motors 10 zu
berühren. In
einem Ausführungsbeispiel
ist die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 positioniert, um
in Kontakt mit dem Abgasstrom im Wesentlichen nur dann zu sein,
wenn der Abgasstrom das Ergebnis der Verbrennung einer anderen Art
von Brennstoffladung als einer HCCl-Brennstoffladung ist. In einem
anderen Ausführungsbeispiel
ist die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 positioniert, um
in Kontakt mit dem Abgasstrom während
jedes Verbrennungsbetriebszustandes des Motors 10 zu sein.
Das Abgassystem 22 kann einen Bypass- bzw. Überleitungspfad 40 aufweisen,
der ermöglicht,
dass der Abgasstrom um die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 geleitet
wird. Wie er hier verwendet wird, meint der Ausdruck "NOx-Adsorptionsvorrichtung" irgend eine Struktur,
Technologien oder ein System, das NOx aus dem Abgasstrom aus dem
Motor 10 für
eine begrenzte Zeit speichern kann, und nachdem ein gewisser Teil
einer NOx-Speicherfähigkeit
aufgefüllt
ist, einen Teil des gespeicherten NOx in Stickstoff umwandeln kann,
oder das gesamte NOx.
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Der
Motor 10 weist auch ein Steuersystem 42 auf, welches
eine elektronische Steuereinheit (ECU) 44 aufweist. Das
Steuersystem 42 weist mindestens einen Sensor 46 auf,
der geeignet ist, um einen Zustand des Motors 10 abzufühlen und
den Zustand an die elektronische Steuereinheit 44 zu übermitteln.
Der mindestens eine Sensor 46 ist stromaufwärts, stromabwärts oder
zumindest teilweise innerhalb der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 gelegen.
In einem Ausführungsbeispiel
ist der mindestens eine Sensor 46 geeignet, einen Lastzustand
des Motors 10 abzufühlen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann
der mindestens eine Sensor 46 geeignet sein, um einen Drehzahlzustand,
einen Temperaturzustand oder irgendeinen anderen Zustand abzufühlen, der
dem Steuersystem 42 dabei helfen würde, effektiv die Verbrennung
des Motors 10 zu steuern. Das Steuersystem 42 kann
die Informationen von dem mindestens einen Sensor 46 verarbeiten
und Steuersignale an die geeigneten Motorkomponenten liefern, um
effektiv den Betrieb des Motors 10 während jedes der Verbrennungsbetriebszustände zu steuern,
und um eine effektive und effiziente Umschaltung des Motorbetriebs
zwischen den Verbrennungsbetriebszuständen zu erreichen. Das Steuersystem 42 kann auch
die Informationen von dem mindestens einen Sensor 46 verarbeiten
und Steuersignale an die geeigneten Motorkomponenten liefern, um
effektiv Regenerationszyklen der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 zu
steuern. Das Steuersystem 42 ist geeignet, um zwischen
einer HCCl-Brennstoffladung
und anderen Arten von Brennstoffladungen auszuwählen und das Brennstoffsystem 34 anzuweisen,
eine dieser Ladungen zu liefern, wobei dies eine Dieselbrennstoffladung
mit einschließt.
Diese Auswahl durch das Steuersystem 42 kann ansprechend
auf die Übermittlung des
Motorzustandes geschehen, der von dem mindestens einen Sensor 46 geliefert
wird.
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Der
Motor 10 weist Betriebsmittel 48 auf, um den Motor 10 in
einem ersten Verbrennungsbetriebszustand zu betreiben. Die Betriebsmittel 48 können das
Brennstoffsystem 34, das Steuersystem 42 und/oder
anderen Strukturen aufweisen, die es ermöglichen, dass der Motor 10 in
dem ersten Verbrennungsbetriebszustand arbeitet. Der Motor 10 weist auch
Umschaltmittel 50 zum Umschalten des Betriebs des Motors 10 in
den zweiten Verbrennungsbetriebszustand auf. Die Umschaltmittel 50 können das Steuersystem 42,
die elektronische Steuereinheit 44, den mindestens einen
Sensor 46 und/oder andere Strukturen aufweisen, die ermöglichen,
dass der Motor 10 von dem ersten Verbrennungsbetriebszustand in
den zweiten Verbrennungsbetriebszustand umschaltet. Der Motor 10 weist
Leitungsmittel 52 auf, um den Abgasstrom in Kontakt mit
der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 zu leiten, und zwar im
Wesentlichen nur während
dem Betrieb des Motors 10 in dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand.
Die Leitungsmittel 52 können
das Abgassystem 22, den Auslassanschluss 28, den
Bypass- bzw. Überleitungspfad 40 und/oder
anderen Strukturen aufweisen, die ermöglichen, dass der Motor 10 die
NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 in Kontakt mit dem Abgasstrom
im Wesentlichen nur während
des zweiten Verbrennungsbetriebszustandes bringt.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Während des
Betriebs des Motors 10 arbeitet der Motor 10 selektiv
in unterschiedlichen Verbrennungsbetriebszuständen. In einem Ausführungsbeispiel
eines Betriebsverfahrens des Motors 10 wird die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 in
Kontakt mit dem Abgasstrom nur während
gewisser Verbrennungsbetriebszustände gebracht. In einem Verfahren
arbeitet der Motor 10 in einem ersten Verbrennungsbetriebszustand.
Der Abgasstrom tritt aus der Brennkammer 14 aus und berührt nicht
die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38.
Der Betrieb des Motors 10 wird dann in einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand
umgeschaltet. Der Umschaltungsprozess kann ein direkter Übergang
von dem ersten Verbrennungsbetriebszu stand in den zweiten Verbrennungsbetriebszustand
sein, oder der Motor 10 kann in einem oder mehreren anderen
Verbrennungsbetriebszuständen
zwischen dem ersten Verbrennungsbetriebszustand und dem zweiten
Verbrennungsbetriebszustand arbeiten, was einen Teil-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand
mit einschließt,
das heißt einen
Verbrennungsbetriebszustand, in dem die Verbrennung aus der Verbrennung
einer kompressionsgezündeten
teilweise homogenen Brennstoffladung (Teil-HCCl-Brennstoffladung) und einer herkömmlichen
Dieselbrennstoffladung besteht. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens
wird der Abgasstrom in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 im
Wesentlichen nur dann geleitet, wenn der Motor 10 in dem
zweiten Verbrennungsbetriebszustand arbeitet. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel
wird der Abgasstrom des Motors 10 in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 während irgendeinem
anderen Verbrennungsbetriebszustand als dem ersten Verbrennungsbetriebszustand
geleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist der erste Verbrennungsbetriebszustand der HCCl-Verbrennungsbetriebszustand.
Der zweite Verbrennungsbetriebszustand ist nicht der HCCl-Verbrennungsbetriebszustand.
Beispielsweise kann der zweite Verbrennungsbetriebszustand der Dieselverbrennungsbetriebszustand
sein.
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Ein
Betriebsverfahren des Motors 10 wird durch Bezugnahme auf
das Flussdiagramm der 2 erklärt. In einem ersten Steuerblock 54 fühlt der
mindestens eine Sensor 46 des Steuersystems 42 den
mindestens einen Zustand des Motors 10 ab, wie beispielsweise
einen Lastzustand, einen Drehzahlzustand oder einen Temperaturzustand.
Der mindestens eine Sensor 46 sendet ein Signal an die elektronische
Steuereinheit 44, welches den Status des Zustandes liefert.
Während
des Restes der Erklärung
des Betriebsverfahrens, das in dem Flussdiagramm der 2 veranschaulicht
ist, wird der mindestens eine Zustand der Lastzustand des Motors 10 sein.
Jedoch können
bei anderen Verfahren anderen Zustände abgefühlt und übermittelt werden.
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In
einem zweiten Steuerblock 56 vergleicht die elektronische
Steuereinheit 44 den Status des Lastzustandes mit einem
Referenzzustand 58. Der Referenzzustand 58 kann
entweder eine obere Schwelle eines niedrigen Lastzustandes oder
eine untere Schwelle eines oberen Lastzustandes sein. In einem Ausführungsbeispiel
ist der Referenzzustand 58 bei ungefähr 50% Motorbelastung. In einem
weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Referenzzustand 58 zwischen 40% Motorbelastung
und 60% Motorbelastung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Referenzzustand 58 zwischen
25% Motorbelastung und 75% Motorbelastung. Der Fachmann wird erkennen,
dass der Referenzzustand 58 basierend auf dem erwünschten
Betrieb des Motors 10 ausgewählt werden kann. Zusätzlich kann
der Referenzzustand 58 von anderen Bedingungen bzw. Zuständen des
Motors 10 abhängen,
wie in der Kurvendarstellung der 3 gezeigt. 3,
die eine Motorbelastung entlang der Y-Achse und eine Motordrehzahl entlang
der X-Achse besitzt, zeigt den Referenzzustand 58 als abhängig von
der Motorbelastung und der Motordrehzahl. Der Bereich 60 unter
der Linie, die den Referenzzustand 58 anzeigt, ist als
der Zustand mit niedriger Last definiert. Der Bereich 62 über der
Linie, die den Referenzzustand 58 zeigt, ist als der Zustand
mit hoher Last definiert. Wenn der Lastzustand des Motors 10,
der durch den mindestens einen Sensor 46 übermittelt
wird, niedriger als der Referenzzustand 58 ist, das heißt der Motor 10 arbeitet in
einem Zustand mit niedriger Belastung, schreitet das Verfahren voran
zu einem dritten Steuerblock 64. Wenn der Lastzustand des
Motors 10 größer als
der Referenzzustand 58 ist, das heißt der Motor 10 arbeitet
in einem Zustand mit hoher Belastung, schreitet das Verfahren zu
einem vierten Steuerblock 66 voran.
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In
dem dritten Steuerblock 64 wählt das Steuersystem 42 den
ersten Verbrennungsbetriebszustand des Motors 10. In einem
Ausführungsbeispiel
ist der erste Verbrennungsbetriebszustand der HCCl-Verbrennungsbetriebszustand.
Das Steuersystem 42 sendet ein Signal an das Brennstoffsystem 34,
welches bewirkt, dass das Brennstoffsystem 34 eine HCCl-Brennstoffladung
in die Brennkammer 14 liefert. Das Verfahren schreitet
dann voran zu einem fünften
Steuerblock 68. In dem fünften Steu erblock 68 bewirkt
das Steuersystem 42, dass der Abgasstrom des Motors 10 nicht
in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 ist. Der
Abgasstrom kann die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 über den Überleitungspfad 40 des
Auslasssystems 22 umgeben. Das Verfahren kehrt dann zum
ersten Steuerblock 54 zurück.
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In
dem vierten Steuerblock 66 wählt das Steuersystem 42 einen
anderen Verbrennungsbetriebszustand als den ersten Verbrennungsbetriebszustand
des Motors 10 aus. Das Steuersystem 42 kann den
zweiten Verbrennungsbetriebszustand auswählen, der der Diesel-Verbrennungsbetriebszustand
sein kann. In dem Diesel-Verbrennungsbetriebszustand sendet das
Steuersystem 42 ein Signal an das Brennstoffsystem 34,
was bewirkt, dass das Brennstoffsystem 34 eine Diesel-Brennstoffladung
in die Brennkammer 14 liefert. Das Verfahren schreitet dann
voran zu einem sechsten Steuerblock 70. In dem sechsten
Steuerblock 70 bewirkt das Steuersystem 42, dass
der Abgasstrom in Kontakt mit der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 ist.
Das Verfahren kehrt dann zum ersten Steuerblock 54 zurück.
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Wenn
man dem Betriebsverfahren des Motors 10 folgt, das in 2 diagrammartig
dargestellt ist, kann der Motor 10 von einem Betrieb aus
dem ersten Verbrennungsbetriebszustand in den zweiten Verbrennungsbetriebszustand
umschalten. Wenn beispielsweise der Motor 10 in dem HCCl-Verbrennungsbetriebszustand
arbeitet und der mindestens eine Sensor 46 einen Lastzustand
im ersten Steuerblock 54 abfühlt, der größer als der Referenzzustand 58 ist,
beispielsweise die obere Schwelle des Zustandes mit niedriger Belastung,
wird der Motorbetrieb in dem vierten Steuerblock 66 vom
HCCl-Verbrennungsbetriebszustand in irgendeinen anderen Betriebszustand
umgeschaltet, wie beispielsweise den Diesel Verbrennungsbetriebszustand.
Zusätzlich kann
der Motor 10 während
des Betriebes vom zweiten Verbrennungsbetriebszustand in den ersten
Verbrennungsbetriebszustand umschalten. Wenn beispielsweise der
Motor 10 in einem Nicht-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand läuft, wie
beispielsweise in dem Diesel-Verbrennungsbetriebszustand,
und wenn der mindestens eine Sensor 46 einen Lastzustand
im ersten Steuerblock 54 abfühlt, der geringer ist als der
Referenzzustand 58, beispielsweise die untere Schwelle
des Zustandes mit hoher Belastung, wird der Motorbetrieb in dem
dritten Steuerblock 64 von dem Nicht-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand in
den HCCl-Verbrennungsbetriebszustand
umgeschaltet. Daher ist die Umschaltung des Motors 10 von
einem Verbrennungsbetriebszustand zum Nächsten abhängig von einem Zustand des
Motors 10, beispielsweise vom Belastungszustand des Motors 10.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass das in 2 dargestellte
Verfahren eines von mehreren Verfahren ist, die verwendet werden
können,
um den Betrieb des Motors 10 zu steuern. Zusätzlich ist
die Kurvendarstellung der 3 nicht
das einzige Verfahren zur Bestimmung, wann der Motor 10 von
einem Verbrennungsbetriebszustand in den Nächsten umschalten sollte. Beispielsweise
kann der Referenzzustand 58 nichtlinear sein, oder kann
nicht von der Drehzahl abhängen.
Alternativ können
die Informationen, die verwendet werden, um zu bestimmen, wann der
Motor 10 zwischen den Verbrennungsbetriebszuständen umschalten
sollte, von anderen Faktoren abhängen,
wie beispielsweise von der Motordrehzahl und/oder der Temperatur,
und diese können in
anderen Formen abgebildet werden, wie beispielsweise als eine Karte,
als eine Nachschautabelle und so weiter.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
eines Betriebsverfahrens des Motors 10 arbeitet der Motor 10 in
einem ersten Verbrennungsbetriebszustand, während dem die Verbrennung einen
ersten Abgasstrom mit einer ersten Konzentration von NOx erzeugt.
Die erste Konzentration von NOx ist kleiner oder gleich einer vorbestimmten
Referenz-NOx-Konzentration. Beispiele von vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentrationen
weisen 3 Gramm pro Nutzleistungsstunde, 1,5 Gramm pro Nutzleistungsstunde
und 0,2 Gramm pro Nutzleistungsstunde (brake-horsepower-hour). Verschiedene
Faktoren können
den Wert der vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentrationen beeinflussen,
die Spezifikationen der Endanwender und Regelungen von der Regierung
mit einschließen,
wie beispielsweise jene, die von der Umweltschutzbehörde der
Vereinigten Staaten herausgegeben wurden. In einem Ausführungsbeispiel
ist der erste Verbrennungsbetriebszustand ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand,
und in einem anderen Ausführungsbeispiel
ist der erste Verbrennungsbetriebszustand ein Teil-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand.
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Bei
dem Betriebsverfahren des Motors 10 wird der Motor 10 in
einen zweiten Verbrennungsbetriebszustand umgeschaltet, während dem
die Verbrennung einen zweiten Abgasstrom mit einer zweiten Konzentration
von NOx erzeugt. Die zweite Konzentration von NOx ist größer als
die vorbestimmte Referenz-NOx-Konzentration.
In einem Ausführungsbeispiel
ist der zweite Verbrennungsbetriebszustand nicht ein HCCl-Verbrennungsbetriebszustand. Beispielsweise
kann der zweite Verbrennungsbetriebszustand ein Dieselverbrennungsbetriebszustand
sein.
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In
dem Betriebsverfahren des Motors 10 wird der zweite Abgasstrom
in Kontakt mit mindestens einer NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 geleitet.
Während
der zweite Abgasstrom in Kontakt mit der mindestens einen NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 ist, wird
NOx aus dem zweiten Abgasstrom entfernt, um einen behandelten Abgasstrom
zu erzeugen, der eine Konzentration von NOx besitzt, die kleiner
oder gleich der vorbestimmten Referenz-NOx-Konzentration ist.
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Bei
einem Betriebsverfahren des Motors 10 kann der erste Abgasstrom
die mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 umgeben,
wie beispielsweise über
den Überleitungspfad 40 des
Abgassystems 22. Ein alternatives Betriebsverfahren weist
das Leiten des ersten Abgasstroms in Kontakt mit der mindestens
einen NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 auf. Bei diesem alternativen
Verfahren kann die mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung regeneriert
werden, wenn die mindestens eine NOx-Adsorptionsvorrichtung in Kontakt
mit dem ersten Abgasstrom ist. Eine solche Regeneration kann erreicht
werden durch Einstellung des ersten Verbrennungsbetriebszustands,
so dass dieser fett läuft. Eine
solche Einstellung des Betriebs des ersten Verbrennungsbetriebszustands
kann durch das Steuersystem 42 gesteuert werden. Zusätzlich kann
das Umschalten des Betriebs zwischen dem ersten Verbrennungsbetriebszustand
und dem zweiten Verbrennungsbetriebszustand durch das Steuersystem 42 gesteuert
werden, wie oben besprochen.
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Die
Fähigkeiten
des Motors 10a) selektiv in mehr als einem Verbrennungsbetriebszustand
zuarbeiten, und b) selektiv eine NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 vorzusehen,
um den Abgasstrom des Motors 10 zu behandeln, ermöglicht,
dass die Stärken
von sowohl der NOx-Adsorptionsvorrichtungstechnologie als auch der
HCCl-Verbrennung verwendet werden, während man viele der Schwächen vermeidet.
Durch den Betrieb des Motors 10 in dem HCCl-Verbrennungsbetriebszustand
in erster Linie bei Bedingungen mit niedriger Belastung oder niedriger
Temperatur wird der Motor 10 nicht die hohen Zylinderdrücke ertragen
müssen,
die durch die HCCl-Verbrennung bei hoher Belastung verursacht werden.
Daher können
Motorkomponenten mit üblicherweise
verwendeten Materialzusammensetzungen in dem Motor 10 verwendet
werden. Zusätzlich
müssen
die zuvor erwähnten
signifikanten strukturellen Veränderungen, wie
beispielsweise das Vorsehen von Mechanismen zum Variieren des Kompressionsverhältnisses
des Motors 10, nicht vorgesehen werden.
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Weil
die HCCl-Verbrennung niedrigere Emissionsniveaus als die übliche Dieselverbrennung
erzeugt, kann die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 nicht benötigt werden,
um den Abgasstrom zu behandeln, der von dem HCCl-Verbrennungsprozess erzeugt wird. Die
NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 muss nur verwendet werden,
wenn der Motor 10 bei höheren Belastungen
und/oder höheren
Temperaturen in einem Nicht-HCCl-Verbrennungsbetriebszustand
arbeitet, wie beispielsweise in dem Diesel-Verbrennungsbetriebszustand. In solcher
Weise verwendet, wenn kann die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 niedrigere
Einträge
von teueren Edelmetallen haben. Ebenfalls können die Schwierigkeiten des
Betriebs der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 bei
Bedingungen mit sehr niedriger Temperatur vermieden werden. Weil
zusätzlich
die NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 nicht den Abgasstrom
des Motors 10 während
der gesamten Laufzeit des Motors 10 berührt, wird die Rate der Schwefelvergiftung
der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 reduziert,
und die effektive Lebensspanne der NOx-Adsorptionsvorrichtung 38 wird
gesteigert.
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Andere
Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der
Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.