DE102006007279A1

DE102006007279A1 - Kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102006007279A1
Application number: DE102006007279A
Authority: DE
Inventors: David D. Madison Wickman; Carl-Anders Royal Oak Hergart
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: DE102006007279B4; US7121254B2; CN1821561A; US20060180121A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist ein Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor und ein Betriebsverfahren, das die Lastgrenze eines ruhigen Betreibens eines Kompressionszündungsmotors mit vorgemischter Ladung (PCCI-Motors) durch Einspritzen eines sekundären Kraftstoffs B in Verhältnissen mit magerer Stöchiometrie entweder in den Einlassluftstrom oder direkt in den Zylinder, um ein homogenes Gemisch aus Kraftstoff B und Luft zu bilden, ausdehnt. In der Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs wird ein Ereignis einer direkten Einspritzung von Kraftstoff A vom PCCI-Typ verwendet, um eine Verbrennung von sowohl Kraftstoff A als auch B zu der geeigneten Zeit einzuleiten. Bei niedrigen Lasten zeichnet sich die Verbrennungsbetriebsart durch den PCCI-Typ mit hohen EGR-Raten aus. Bei mittleren Lasten ist die Verbrennungsbetriebsart einer homogenen Verbrennung von Kraftstoff B gekoppelt mit der PCCI-Verbrennung von Kraftstoff A. Bei den höchsten Lasten kehrt der Motor zu einer herkömmlichen Betriebsart einer Dieselverbrennung von Kraftstoff A zurück, um eine Leistungsdichte aufrechtzuerhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor mit einem dualen Kraftstoffeinspritzsystem und ein Betriebsverfahren, um auf diese Weise den Lastbereich auszudehnen, in dem der kompressionsgezündete Motor in einer Betriebsart einer Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung (PCCI von premixed charge compression ignition) arbeiten kann, ohne übermäßige Mengen an Stickoxiden, Ruß und Geräuschen zu erzeugen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verbrennungsmotoren können im Allgemeinen in eine von zwei Klassen eingeordnet werden, fremdgezündete und kompressionsgezündete Motoren. Fremdgezündete Motoren arbeiten typischerweise durch Einführen eines stöchiometrischen Gemischs aus Luft und Kraftstoff in den Zylinder des Motors. Der Kolben komprimiert dann dieses Gemisch, und bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel entzündet eine Zündkerze das Gemisch aus Kraftstoff und Luft, was eine Flammenfront erzeugt, die sich über die Verbrennungskammer ausbreitet. Die schnelle Erhöhung der Wärme von dem verbrannten Kraftstoff löst eine Erhöhung des Drucks aus, was den Kolben in dem Zylinder nach unten drängt. Die Fähigkeit, das Verbrennungsereignis über die Verwendung einer Zündkerze zeitlich genau zu steuern, ist ein Vorteil des fremdgezündeten Motors. Der fremdgezündete Motor kann jedoch auf eine gewisse Weise uneffizient sein, da das Kompressionsverhältnis des Motors auf einem Niveau gehalten wird, das unter dem optimalen Niveau liegt, um ein Zündungsklopfen zu vermeiden. Ein Zündungsklopfen tritt auf, wenn sich das Gemisch aus Kraftstoff und Luft unabhängig von der Zündkerze entzündet, und kann einen Motorschaden bewirken. Folglich weisen fremdgezündete Motoren typischerweise Kompressionsverhältnisse zwischen 8 und 11 auf.

Der Kompressionszündungsmotor arbeitet andererseits mit einem relativ hohen Kompressionsverhältnis, das typischerweise in dem Bereich von 15–22 liegt. Dieses hohe Kompressionsverhältnis steigert die mechanische Effizienz des kompressionsgezündeten Motors. Der Kompressionszündungsmotor arbeitet durch Einführen von nicht gedrosselter Luft in den Zylinder, um auf diese Weise durch Verringern von Pumpverlusten die Effizienz gegenüber der des gedrosselten fremdgezündeten Motors zu erhöhen. Bei einem herkömmlichen kompressionsgezündeten Motor wird die zeitliche Steuerung der Zündung durch die Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Zylinder in der Nähe des Endes des Kompressionshubs gesteuert, wenn die eingeschlossene Luft in der Verbrennungskammer eine ausreichende Temperatur hat, um den Kraftstoff zu entzünden. Die Wärmefreigabe des Verbrennungsprozesses verursacht eine Erhöhung des zylinderinternen Drucks, der den Kolben auf die gleiche Weise wie bei dem fremdgezündeten Motor nach unten drängt.

Es kann sein, dass der Kompressionszündungsmotor, obwohl er effizient ist, mehr Emissionen erzeugt als ein fremdgezündeter Motor. Die beiden Emissionsbestandteile, die von Hauptinteresse sind, sind Partikel oder "Ruß" und Stickoxide oder NOx. Ruß wird in lokal stöchiometrisch fetten Bereichen in der Verbrennungskammer gebildet. Diese überaus fetten Bereiche treten aufgrund der Nichthomogenität der Ladung aus Kraftstoff und Luft auf, die durch das Fehlen eines angemessenen Vormischens des Kraftstoffs und der Luft bei einer Zündung veranlasst wird. Die Bildung von Stickoxiden ist eine Funktion der Verbrennungschemie. Der kompressionsgezündete Motor verbrennt aufgrund seiner lokal stöchiometrischen Verbrennung das Gemisch aus Kraftstoff und Luft bei hohen Temperaturen, was hohe NOx-Emissionen in dem Abgasstrom verursacht. Der Expansionsprozess tritt so schnell auf, dass die chemischen Reaktionen abklingen und die Mengen an NOx nicht dazu in der Lage sind, ein chemisches Gleichgewicht zu erreichen, was zu hohen NOx-Emissionen des Motorausgangs führt. Die Behandlung von NOx bestand herkömmlich aus Konvertersystemen wie beispielsweise einer selektiven Katalysatorreduktion (SCR von Selective Catalyst Reduction) für Motoren, die mit Luft- und Kraftstoffverhältnissen mit magerer Stöchiometrie arbeiten. Das SCR-System spritzt Harnstoff oder Ammoniak in den Abgasstrom ein, um NOx in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Motorkonstrukteure können auch versuchen, die Verbrennungstemperatur in einem kompressionsgezündeten Motor durch Verringern des Kompressionsverhältnisses zu verringern. Dies kann die NOx-Bildung verringern und kann auch zu Verringerungen der Effizienz und Schwierigkeiten beim Starten bei niedrigen Temperaturen führen.

Das jüngste Interesse hinsichtlich Kraftstoffwirtschaftlichkeit und gesetzlich angeordneter Emissionsanforderungen hat die Bemühungen wieder darauf konzentriert, hocheffiziente kompressionsgezündete Motoren mit niedrigen Emissionen und hocheffiziente Betriebsverfahren zu entwickeln. Beispiele für solche Technologien sind die Verbrennungsbetriebsarten der Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung (PCCI) und der Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCI von Homogeneous Charge Compression Ignition). Die PCCI-Verbrennungsbetriebsart umfasst ein Standard-Kompressionszündungsverbrennungssystem mit hohen Raten an aggressiv gekühlter Abgasrückführung (EGR von exhaust gas recircu lation) und einer zeitlichen Steuerung eines frühen Einspritzbeginns (SOI von start of injection). Die Kombination von hohen EGR-Raten und eines frühen SOI führt zu einem langen Zündverzögerungszeitraum vor dem Verbrennungsbeginn (SOC von start of combustion). Der Zündverzögerungszeitraum übersteigt die Kraftstoffeinspritzdauer während der PCCI-Verbrennung, was zu einem Ereignis einer vorgemischten Verbrennung bei dem SOC führt. Die vorgemischte Natur des Gemischs aus Kraftstoff und Luft reduziert zusammen mit einer hohen EGR-Rate die Bildung von lokal fetten Bereichen mit hoher Temperatur, die zu einer Rußbildung beitragen. Die hohe EGR-Rate wirkt als ein Ladungsverdünner, der die Verbrennungstemperatur unter die drückt, bei der erhebliche Mengen an NOx gebildet werden.

Die PCCI-Verbrennungsbetriebsart ist bei niedrigen Motordrehzahlen und -lasten effektiv, bei denen die Menge an eingespritztem Kraftstoff sehr niedrig ist und die Zeit, die für ein Vormischen verfügbar ist, sehr lang ist. Wenn sich die Motorlast erhöht, wird die Menge an bei dem schnellen Brennprozess mit Vormischung freigegebener Wärme groß genug, um übermäßige Verbrennungsgeräusche zu erzeugen. Dies tritt sogar auf, wenn während des Zündverzögerungszeitraums ein ausreichendes Vormischen des Kraftstoffs und der Luft stattfindet. Übermäßige Verbrennungsgeräusche sind für Verbraucher störend; folglich hat die PCCI-Verbrennung eine niedrige Motorlastgrenze.

Bei einer gegebenen Geräuschbeschränkung kann die HCCI-Verbrennung bei höheren Motorlasten arbeiten als die PCCI-Verbrennung, da die nahezu homogene Ladung aus Kraftstoff und Luft während einer Verbrennung zu einer niedrigeren lokalisierten Temperatur in der Verbrennungskammer führt. Aufgrund der niedrigen Flüchtigkeit von Dieselkraftstoff ist es schwierig, ein homogenes Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu erzeugen.

Um zu versuchen, solch ein Gemisch herzustellen, muss eine frühe direkte Kraftstoffeinspritzung verwendet werden. Ein herkömmlicher Dieselkraftstoffeinspritzer weist einen breiten Einspritzersprühkegel auf, und die frühe zeitliche Steuerung des Einspritzens, die für die HCCI-Verbrennung erforderlich ist, kann einen erheblichen Kraftstoffaufprall auf die Zylinderwand verursachen. Ein Kraftstoffaufprall auf die Zylinderwand hemmt die Bildung eines homogenen Gemischs aus Kraftstoff und Luft und kann eine Kraftstoffverdünnung des Schmieröls verursachen. Um diese Zustände zu korrigieren, sind Kraftstoffeinspritzer mit verschiedenen Sprühmustern und Kolbenmulden erforderlich, um die Sprühmuster zu ergänzen. Dies ist typischerweise ein teures Unterfangen, das für eine Perfektion viele Experimente und viel Entwicklung erfordert.

Bei homogenen Gemischen aus Kraftstoff und Luft kann bei kompressionsgezündeten Motoren eine vorzeitige Zündung auftreten. Die hohe Cetanzahl von Dieselkraftstoff stellt die relative Leichtigkeit dar, mit der sich das Gemisch aus Kraftstoff und Luft entzündet. Diese vorzeitige Zündung kann Geräusche, eine schlechte Leistung und in extremen Fällen einen Motorschaden verursachen. Deshalb ist ein reduziertes Kompressionsverhältnis notwendig, um den SOC für einen HCCI-Motor geeignet abzustimmen. Diese Reduzierung der Kompressionsrate führt zu einer Verringerung der Effizienz. Um eine annehmbare Kaltstartleistung zu erhalten, muss ein hohes Kompressionsverhältnis erhalten bleiben. Deshalb wird bei einem HCCI-Motor oft ein Motorsystem mit variabler Kompressionsrate eingesetzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein duales Kraftstoffeinspritzsystem für einen kompressionsgezündeten Verbrennungsmotor bereit, der in der PCCI-Betriebsart über einem breiten Lastbereich mit sowohl einem stark vorgemischten Gemisch aus Kraftstoff A und Luft als auch einem homogenen Gemisch aus Kraftstoff B und Luft ohne einen vorzeitigen Verbrennungsstart arbeiten kann. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Betriebsstrategie für einen kompressionsgezündeten Motor mit einer hohen Effizienz und niedrigen Emissionen bereit.

Die vorliegende Erfindung verwendet ein duales Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem bei einer Ausführungsform Benzin in den Einlassluftstrom oder direkt in den Zylinder des PCCI-fähigen Motors eingespritzt wird, um die Entstehung eines vorzeitigen SOC zu verhindern. Ein homogenes Gemisch aus Kraftstoff und Luft kann durch Einspritzen von Benzin in Verhältnissen mit magerer Stöchiometrie in die Einlassöffnung oder den Einlasskanal des Motors erzeugt werden. Ein homogenes Gemisch aus Benzin und Luft kann auch durch Einspritzen von Benzin direkt in den Zylinder des Motors während des Ansaughubs oder frühzeitig bei dem Kompressionshub erzeugt werden. Dieses Gemisch ist aufgrund des Kraftstoff- und Luftverhältnisses mit magerer Stöchiometrie sowie der relativ hohen Oktanzahl von Benzin gegen eine vorzeitige Zündung beständig. Je höher die Oktanzahl ist, um so niedriger ist die Tendenz, dass sich der Kraftstoff selbst entzündet. In der Nähe des oberen Totpunkts (TDC von top dead center) des Kompressionshubs kann ein Ereignis einer direkten Dieselkraftstoffeinspritzung vom PCCI-Typ verwendet werden, um den SOC einzuleiten. Nach dem Ereignis einer Wärmefreigabe des Dieselkraftstoffs entzündet sich das homogene Gemisch aus Benzin und Luft und brennt mit einer Rate, die langsam genug ist, um die Erzeugung von übermäßigen Verbrennungsgeräuschen zu unterdrücken, aber schnell genug ist, um eine hohe Effizienz aufrechtzuerhalten. Diese duale Kraftstoffeinspritzarchitektur ermöglicht, dass eine Verbrennung vom vorgemischten Typ mit geringer Emission bei viel höheren Lasten verwendet wird, als dies bei einem PCCI-System mit einem Kraftstoff der Fall ist. Dieses System beseitigt die Beschränkungen, die bei dem HCCI-Motor mit einem Kraftstoff betroffen sind, wie beispielsweise den Bedarf an Systemen mit variablem Kompressionsverhältnis, einen Kraftstoffaufprall an der Zylinderwand und eine Kraftstoffverdünnung des Schmieröls.

Spezialisierte und teure Dieselkraftstoffsystem-Modifikationen können durch die vorliegende Erfindung vermieden werden. Das sekundäre Kraftstoffsystem der vorliegenden Erfindung ist relativ preiswert und ist ein hoch entwickeltes System, das Fachleuten bekannt ist.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Motors mit hoher Effizienz und niedrigen Emissionen bereit. Die bevorzugte Betriebsstrategie ist, die PCCI-Verbrennung mit direkter Einspritzung von Dieselkraftstoff und hohe Raten von aggressiv gekühlter EGR für Motorlasten unter der Verbrennungsgeräuschgrenze zu verwenden. Für Motorlasten über der Geräuschgrenze ist das vorgeschlagene Betriebsverfahren die HCCI-Verbrennung eines Gemischs aus Benzin und Luft und die PCCI-Verbrennung von Dieselkraftstoff. Das Benzin wird durch eine Kraftstoffeinspritzung über eine Öffnung oder eine direkte Einspritzung eingespritzt, und ein Zünd-Timing wird durch die PCCI-Verbrennung des Dieselkraftstoffs in der Nähe des TDC des Kompressionshubs gesteuert. Für die höchsten Lasten, bei denen die Motorleistungsdichte aufrechterhalten bleiben muss, kehrt das System in die herkömmliche Dieselverbrennungsbetriebsart zurück. Die Übergangspunkte für jede Betriebsart zeichnen sich durch ein Drehzahl- und Lastkennfeld aus, das in der Motorsteuereinheit enthalten ist. Diese Übergangspunkte variieren mit Motorarchitekturen. Die Motorlast kann durch die Menge an zu dem Zylinder gelieferten Kraftstoff bestimmt werden, die durch die Motorsteuereinheit gesteuert wird. Fachleute werden andere Mittel zum Bestimmen der Motorlast, wie beispielsweise zylinderinterne Drucksensoren, erkennen. Die Motordrehzahl kann aus dem Kurbelwellenpositionssensor oder durch andere Fachleuten bekannte Mittel bestimmt werden.

Der zuvor beschriebene Verbrennungsmotor und das zuvor beschriebene Betriebsverfahren sind nur eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung kann mehrere Ausführungsformen wie verschiedene Kraftstoffe und verschiedene Orte für den sekundären Kraftstoffeinspritzer aufweisen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass der Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor mit der hoch effizienten PCCI-Betriebsart über größere Lastzustände betrieben wird, was zu einem gesteuerten SOC und einer gesteuerten Wärmefreigaberate, verringerten NOx- und Rußemissionen und abgeschwächten Verbrennungsgeräuschen führt.

Demgemäß ist die vorliegende Erfindung ein kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor mit der Fähigkeit einer dualen Kraftstoffeinspritzung, der in einer Betriebsart einer reinen Dieselverbrennung oder in einer Betriebsart einer Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung betriebsfähig ist und ein Zylindergehäuse aufweist, das mindestens einen Zylinder, einen Kolbenaufbau, der in dem Zylinder betriebsfähig ist, einen Zylinderkopf, der eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung definiert und an dem Zylindergehäuse angebracht ist, eine Verbrennungskammer, die durch den Zylinderkopf und den Kolbenaufbau gebildet ist, und einen Lufteinlass umfasst. Der Verbrennungsmotor der vorliegenden Erfindung weist einen primären Kraftstoffeinspritzer, der dazu dient, eine gemessene Menge an Kraftstoff A direkt in den Zylinder des Motors einzuspritzen, und einen sekundären Kraftstoffeinspritzer auf, der dazu dient, eine gemessene Menge an Kraftstoff B zu dem gleichen Zylinder zu liefern. Ein Auslasskrümmer in Verbindung mit der Auslassöffnung des Zylinderkopfs stellt eine Leitung bereit, in der die Abgase von dem Zylinder zu dem Fahrzeugabgassystem geführt werden. Der Auslasskrümmer weist eine kleine Abzweigung auf, um zu ermöglichen, dass Abgase über ein EGR-System, das durch die Steuereinheit gesteuert wird, in den Einlassluftstrom zurückgeführt zu werden. Diese Steuereinheit kann auch das Einspritzer-Timing des primären Kraftstoffeinspritzers und des sekundären Kraftstoffeinspritzers steuern, um die jeweiligen gemessenen Mengen an Kraftstoff A und Kraftstoff B zu liefern.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Betriebsverfahren des beanspruchten kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors mit der Fähigkeit einer dualen Kraftstoffeinspritzung. Bei niedrigen Motorlasten befiehlt die Steuereinheit dem EGR-System, dem Einlassluftstrom eine hohe Rate an aggressiv gekühltem rückgeführtem Abgas zu liefern. Gleichzeitig befiehlt die Steuereinheit dem primären Kraftstoffeinspritzer, eine gemessene Menge an Kraftstoff A ausreichend frühzeitig während des Kompressionshubs einzuspritzen, um den Zylinder zu Beginn der Verbrennung mit einer vorgemischten Ladung aus Kraftstoff und Luft zu versehen. Bei mittleren Motorlasten befiehlt die Steuereinheit dem sekundären Kraftstoffeinspritzer, eine gemessene Menge an Kraftstoff B entweder frühzeitig während des Ansaughubs oder frühzeitig während des Kompressionshubs des Kolbens mittels eines sekundären Kraftstoffeinspritzers einzuspritzen, der in dem Einlassluftstrom angeordnet ist, oder alternativ so in dem Zylinderkopf angeordnet ist, dass er direkt Kraftstoff B in den Zylinder einspritzen kann. Diese Kraftstoffzufuhrstrategie ermöglicht die Bildung eines homogenen Gemischs aus Kraftstoff B und Luft mit magerer Stöchiometrie in dem Zylinder. Nachfolgend befiehlt die Steuereinheit dem primären Kraftstoffeinspritzer, eine gemessene Menge an Kraftstoff A direkt in den Zylinder einzuspritzen, wenn sich der Kolbenaufbau in der Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs befindet. Bei hohen Motorlasten befiehlt die Steuereinheit dem primären Kraftstoffeinspritzer, eine gemessene Menge an Kraftstoff A in der Nähe des Endes des Kompressionshubs des Kolbens in einer Betriebsart einer reinen Dieselverbrennung in den Zylinder einzuspritzen.

Kraftstoff A und Kraftstoff B können der gleiche Kraftstoff oder verschiedene Kraftstoffe sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Kraftstoff A Diesel und Kraftstoff B ist Benzin. Der sekundäre Kraftstoffeinspritzer kann in dem Lufteinlass, der Einlassöffnung des Zylinderkopfs oder in dem Kopf angeordnet sein, um direkt Kraftstoff B in den Zylinder einzuspritzen.

Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der geeignetsten Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenschnittansicht eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors mit einem einzelnen Zylinder, die alternative Orte für einen sekundären Kraftstoffeinspritzer, der in dem Einlassluftstrom eines Kompressionszündungsmotors (in dem Lufteinlass oder alternativ in der Einlassöffnung des Kopfs) angeordnet ist, und einen alternativen Ort in dem Zylinderkopf, um Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer einzuspritzen, zeigt; und
2 ist eine grafische Darstellung, die die verschiedenen Motordrehzahl- und Motorlastbereiche und die jeweiligen Betriebsarten für den Motor in 1 darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt einen verbesserten kompressionsgezündeten Verbrennungsmotor 10 dar, der in einer Betriebsart einer Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung über einem viel größeren Bereich an Motorlastzuständen betriebsfähig ist, ohne übermäßige Geräusche, Rußemissionen und NOx-Emissionen zu erzeugen. Dieser erweiterte Bereich wird durch die Verwendung einer Strategie einer dualen Kraftstoffeinspritzung erleichtert. Der Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor 10 zeichnet sich durch eine Zylinderauskleidung 12 aus, die durch ein Zylindergehäuse 14 umschlossen ist und eine Zylinderbohrung 13 definiert, in der ein Kolben 16 für eine Hubbewegung untergebracht ist. Der Kolben 16 ist mit einem äußeren Ende der Pleuelstange 18 verbunden. Wenn sich der Kolben 16 in der Nähe des TDC des Kompressionshubs befindet, bildet die Mulde in dem Kolben 16 mit dem Zylinderkopf 22 eine Verbrennungskammer 20.
Während des Ansaughubs des Kolbens 16 strömt eine gemessene Menge an Kraftstoff B von dem sekundären Kraftstoffeinspritzer 24 in die Einlassöffnung 26, die durch den Zylinderkopf 22 definiert ist. Der sekundäre Kraftstoffeinspritzer 24 kann in dem Lufteinlasskanal 25 untergebracht sein, wie es der sekundäre Kraftstoffeinspritzer 24' zeigt. Eine gemessene Menge an Kraftstoff B verlässt den sekundären Kraftstoffeinspritzer 24 in einem Sprühkegel 28. Diese Kraftstoffeinspritzung wird über die elektrische Verbindung 32 genau durch die Steuereinheit 30 gesteuert. In dem Lufteinlasskanal 25 ist auch eine Abgasrückführungs-Einspritzöffnung (EGR-Einspritzöffnung) 34 angeordnet. Die drei Bestandteile Luft, Kraftstoff B und EGR (wenn befohlen) werden dann an dem offenen Einlassventil 36 vorbei in die Zylinderbohrung 13 eingeführt. Das Gemisch aus Kraftstoff B und Luft ist aufgrund der hohen Flüchtigkeit von Kraftstoff B sowie den günstigen Zerstäubungseigenschaften des sekundären Kraftstoffeinspritzers 24 nahezu homogen. Die Menge an Kraftstoff B, die während des Ansaughubs des Kolbens 16 in die Zylinderbohrung 13 eingeführt wird, weist eine magere Stöchiometrie auf, um die Möglichkeit einer Selbstentzündung zu vermeiden.
Auf eine Beendigung des Ansaughubs des Kolbens 16 hin beginnt der Kompressionshub. Zu dieser Zeit beginnt der Kolben 16, sich in der Zylinderbohrung 13 nach oben zu bewegen. Diese Aufwärtsbewegung des Kolbens 16 komprimiert das eingeschlossene Gemisch aus Luft, Kraftstoff B und EGR (wenn befohlen). Gleichzeitig befiehlt die Steuereinheit 30 dem primären Kraftstoffeinspritzer 38 mittels der elektrischen Verbindung 40, eine gemessene Menge an Kraftstoff A direkt in die Verbrennungskammer 20 einzuspritzen. Der primäre Kraftstoffeinspritzer 38 spritzt eine gemessene Menge an Kraftstoff A frühzeitig genug während des Kompressionshubs des Kolbens 16 ein, um ein geeignetes Vormischen des Gemischs aus Luft, Kraftstoff B und EGR (wenn befohlen) zu ermöglichen. Diese direkte Einspritzung von Kraftstoff A vom (PCCI)-Typ kann verwendet werden, um den SOC einzuleiten. Nachfolgend dem Ereignis der Wärmefreigabe des Verbrennungsereignisses von Kraftstoff A entzündet sich das homogene Gemisch aus Kraftstoff B und Luft und verbrennt mit einer Rate, die langsam genug ist, um die Erzeugung von übermäßigen Verbrennungsgeräuschen zu unterdrücken, aber schnell genug ist, um eine hohe Effizienz zu erhalten. Das Gemisch aus Kraftstoff B und Luft ist aufgrund der Natur der mageren Stöchiometrie des Gemischs und der relativ hohen Oktanzahl von Kraftstoff B gegen eine Selbstentzündung beständig. Je größer die Oktanzahl ist, desto niedriger ist die Tendenz, dass sich der Kraftstoff selbst entzündet. Diese Architektur einer dualen Kraftstoffeinspritzung ermöglicht, dass die Betriebsart der PCCI-Verbrennung mit niedrigen Emissionen bei viel höheren Motorlasten verwendet werden kann als ein PCCI-Motor mit einem einzelnen Kraftstoff.
Auf eine Beendigung des Verbrennungsereignisses in der Verbrennungskammer 20 hin drängen die sich schnell ausdehnenden Gase den Kolben 16 nach unten, was der Expansionshub genannt wird. Der Auspuffhub beginnt, wenn der Kolben 16 seine Bewegung an dem Boden des Expansionshubs umdreht und beginnt, sich in der Zylinderbohrung 13 nach oben zu bewegen. Die Verbrennungsprodukte oder Abgase werden von der Zylinderbohrung 13 durch den Kolben 16 an dem offenen Auslassventil 42 vorbei und in die Auslassöffnung 44 gedrängt, die durch einen Durchgang in dem Zylinderkopf 22 definiert ist. Die Verbrennungsprodukte werden dann in den Auslasskrümmerkanal 45 geführt, der durch den Auslasskrümmer 46 definiert ist, um durch das Abgassystem (nicht dargestellt) des Fahrzeugs in die Umgebung entlüftet zu werden. Einige der Abgase können jedoch in den EGR-Durchgang 48 eintreten, der typischerweise in dem Auslasskrümmer 46 angeordnet ist. Die EGR-Rate wird durch die Steuereinheit 30 über eine elektrische Verbindung 50 mit dem EGR-Ventil 52 gesteuert.
1 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anstelle des Einspritzens von Kraftstoff B in den Einlassluftstrom durch den sekundären Kraftstoffeinspritzer 24 oder 24' kann Kraftstoff B direkt durch den sekundären Kraftstoffeinspritzer 24'' in die Zylinderbohrung 13 eingespritzt werden. Der sekundäre Kraftstoffeinspritzer 24'' wird durch die Steuereinheit 30 mittels der elektrischen Verbindung 32'' gesteuert, um eine gemessene Menge an Kraftstoff B in die Zylinderbohrung 13 zu liefern. Die Einspritzung kann während des Ansaughubs oder frühzeitig während des Kompressionshubs des Kolbens 16 stattfinden. Kraftstoff B sollte zu einer geeigneten Zeit eingespritzt werden, um zu ermöglichen, dass sich ein homogenes Gemisch aus Kraftstoff B und Luft bildet.
1 zeigt zur Klarheit einen Motor mit einem einzelnen Zylinder. Fachleute werden jedoch erkennen, dass die vorliegende Erfindung ebenfalls auf kompressionsgezündete Motoren mit mehreren Zylindern angewandt werden kann.
Das bevorzugte Betriebsverfahren für den kompressionsgezündeten Verbrennungsmotor 10 ist grafisch in 2 dargestellt. Wenn der Kompressionszündungsmotor 10 in dem Bereich 70 niedriger Motorlasten arbeitet, arbeitet er vollständig in der Betriebsart einer Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung. Während dieser Zeit befiehlt die Steuereinheit 30, dass eine hohe Rate an aggressiv gekühltem EGR-Gas durch die EGR-Öffnung 34 in den Einlassluftstrom eingeführt wird. Die Steuereinheit 30 verbietet auch den Betrieb des sekundären Kraftstoffeinspritzers 24. Das Gemisch aus EGR und Luft tritt dann in die Zylinderbohrung 13 ein und wird komprimiert, wenn sich der Kolben 16 während des Kompressionshubs in der Zylinderbohrung 13 nach oben bewegt. Während des Kompressionshubs wird dem primären Kraftstoffeinspritzer 38 durch die Steuereinheit 30 befohlen, eine gemessene Menge an Kraftstoff A direkt in die Zylinderbohrung 13 zu liefern. Die zeitliche Steuerung dieses Einspritzereignisses muss eine geeignete Zeit gewähren, damit Kraftstoff A vor dem Verbrennungsstart mit dem Gemisch aus EGR und Luft vorgemischt wird. Die vorgemischte Natur der Verbrennung zusammen mit der hohen EGR-Rate verhindert die Bildung der lokal reichen Bereiche mit hoher Temperatur, an denen Rußemissionen gebildet wer den. Die hohe EGR-Rate drückt die Spitzengastemperatur auf ein Niveau, das unter dem liegt, bei dem sich erhebliche Mengen an NOx bilden.
Wenn die Motorlast verringert wird, wird die Menge an während des schnellen vorgemischten Brennprozesses freigegebener Wärme groß genug, um übermäßige Verbrennungsgeräusche zu erzeugen. Die Steuereinheit 30 befiehlt dem Motor, in dem zweiten Betriebsbereich 80 zu arbeiten. In diesem zweiten Betriebsbereich 80 arbeitet der Motor unter Verwendung der Strategie einer dualen Kraftstoffeinspritzung, die der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Eine gemessene Menge an Kraftstoff B wird durch die sekundären Kraftstoffeinspritzer 24 oder 24' in den Einlassluftstrom eingespritzt, oder kann direkt durch einen sekundären Kraftstoffeinspritzer 24'' in die Zylinderbohrung 13 eingespritzt werden. Die Menge an Kraftstoff B wird in Verhältnissen von Gemischen aus Kraftstoff und Luft eingespritzt, die eine magere Stöchiometrie aufweisen. Es wird ein nahezu homogenes Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt, das aufgrund der relativ hohen Oktanzahl von Kraftstoff B und dem geringen Kraftstoff- und Luftverhältnis gegen eine Selbstentzündung beständig ist. Wenn sich der Kolben 16 in der Nähe des oberen Totpunkts befindet, spritzt der primäre Kraftstoffeinspritzer 38 in einer Einspritzbetriebsart vom PCCI-Typ eine gemessene Menge an Kraftstoff A ein, um zu der geeigneten Zeit einen SOC einzuleiten. Auf die Beendigung des Wärmefreigabeereignisses der Verbrennung von Kraftstoff A hin brennt das homogene Gemisch aus Kraftstoff B und Luft nachfolgend. Das Gemisch aus Kraftstoff B und Luft brennt mit einer Rate, die ausreichend langsam ist, um keine übermäßigen Verbrennungsgeräusche zu erzeugen, aber nicht so langsam ist, dass eine Verbrennungseffizienz geopfert wird. In Abhängigkeit von den Anforderungen des Motors 10 kann dem EGR-Ventil 52 während des zweiten Betriebsbereichs 80 durch die Steuereinheit 30 ein Öffnen oder Schließen befohlen werden.
Der dritte Betriebsbereich 90 zeichnet sich durch hohe Motorlasten aus, bei denen eine maximale Leistung und ein maximales Drehmoment erforderlich sind. Die Steuereinheit 30 deaktiviert den sekundären Kraftstoffeinspritzer 24 und ermöglicht dem Motor 10, in einer herkömmlichen Betriebsart einer reinen Dieselverbrennung zu arbeiten. In dieser Betriebsart spritzt der Kraftstoffeinspritzer 38 eine gemessene Menge an Kraftstoff A spät während des Kompressionshubs ein, um den SOC einzuleiten.
Die Betriebsbereiche 70, 80 und 90 werden über Experimente mit einem bestimmten Motor bestimmt. Verschiedene Motortypen weisen unterschiedliche Betriebseigenschaften auf, die erfasst werden müssen, wenn die Umschaltpunkte für die Betriebsbereiche 70, 80 und 90 ausgewählt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform würde als Kraftstoff B Benzin umfassen. Benzin hat eine relativ hohe Oktanzahl und ist deshalb gegen eine Selbstentzündung beständig. Die hohe Flüchtigkeit von Benzin stellt eine stark homogene Ladung aus Kraftstoff B und Luft bereit. Der bevorzugte Kraftstoff A ist Diesel. Sowohl Diesel als auch Benzin sind für Verbraucher leicht verfügbar und werden deshalb bevorzugt, obwohl Fachleute erkennen werden, dass Kraftstoff A und Kraftstoff B verschiedene Kraftstoffe sein können, wie die bevorzugte Ausführungsform lehrt, oder der gleiche Kraftstoff sein können. Kraftstoff A und Kraftstoff B können jeden Typ von verbrennbarem Kraftstoff in flüssiger Form, wie beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol, Ethanol etc. oder in gasförmiger Form wie beispielsweise Erdgas, Propan, Wasserstoff etc. umfassen, ohne den Gedanken des Beanspruchten zu verletzen.
Während die geeignetsten Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor mit der Fähigkeit einer dualen Kraftstoffeinspritzung, der in einer Betriebsart einer reinen Dieselverbrennung oder einer Betriebsart einer Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung betriebsfähig ist und umfasst: ein Zylindergehäuse, das mindestens einen Zylinder umfasst; einen Kolbenaufbau, der in dem Zylinder betriebsfähig ist; einen Zylinderkopf, der eine Einlassöffnung definiert, an dem Zylindergehäuse angebracht ist und eine Verbrennungskammer mit dem Kolben bildet, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs befindet; einen Lufteinlass, um während des Ansaughubs des Kolbens Luft in den Zylinder zu lassen; einen primären Kraftstoffeinspritzer, der dazu dient, eine gemessene Menge an Kraftstoff A direkt in den Zylinder einzuspritzen; einen sekundären Kraftstoffeinspritzer, der dazu dient, eine gemessene Menge an Kraftstoff B zu dem Zylinder zu liefern; einen Auslasskrümmer zum Auslassen der Produkte des Verbrennungsprozesses während des Auspuffhubs des Kolbenaufbaus; ein Abgasrückführsystem, das dazu dient, eine Menge an rückgeführtem Abgas in den Zylinder zu liefern; und ein Steuermodul, das auf eine Motorlast anspricht, um selektiv den primären Kraftstoffeinspritzer und den sekundären Kraftstoffeinspritzer zu steuern und somit eine gemessene Menge des Kraftstoffs A und/oder des Kraftstoffs B in den Zylinder zu liefern und das Abgasrückführsystem zu steuern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff A und der Kraftstoff B die gleichen Kraftstofftypen sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff A und der Kraftstoff B verschieden sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Kraftstoff A Diesel ist und der Kraftstoff B Benzin ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der sekundäre Kraftstoffeinspritzer in dem Lufteinlass angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der sekundäre Kraftstoffeinspritzer in der Einlassöffnung des Zylinderkopfs angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der sekundäre Kraftstoffeinspritzer in dem Zylinderkopf angeordnet ist, um den Kraftstoff B direkt in den Zylinder einzuspritzen.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors mit der Fähigkeit einer dualen Kraftstoffeinspritzung, das umfasst, dass bei niedrigen Motorlasten hohe Raten an aggressiv gekühltem rückgeführtem Abgas zu dem Zylinder des Motors befohlen werden, gleichzeitig einem primären Kraftstoffeinspritzer befohlen wird, eine gemessene Menge an Kraftstoff A in der Nähe des TDC des Kom pressionshubs des Kolbens einzuspritzen, um zu dem Zündbeginn eine vorgemischte Ladung aus Kraftstoff und Luft bereitzustellen; bei mittleren Motorlasten einem sekundären Kraftstoffeinspritzer befohlen wird, eine gemessene Menge an Kraftstoff B frühzeitig während des Ansaughubs oder alternativ frühzeitig während des Kompressionshubs des Kolbens einzuspritzen, um ein homogenes Gemisch aus Kraftstoff B und Luft mit magerer Stöchiometrie in dem Zylinder zu bilden, und nachfolgend dem primären Kraftstoffeinspritzer befohlen wird, eine gemessene Menge des Kraftstoffs A direkt in den Zylinder einzuspritzen, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs befindet; und bei hohen Motorlasten dem primären Kraftstoffeinspritzer befohlen wird, eine gemessene Menge des Kraftstoffs A in der Nähe des Endes des Kompressionshubs des Kolbens bei einer herkömmlichen Dieselverbrennungsbetriebsart in den Zylinder einzuspritzen.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei der Kraftstoff A und der Kraftstoff B die gleichen Kraftstofftypen sind.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei der Kraftstoff A und der Kraftstoff B verschieden sind.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei der Kraftstoff A Diesel ist und der Kraftstoff B Benzin ist.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei der sekundäre Kraftstoffeinspritzer in dem Lufteinlass des Motors angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei der sekundäre Kraftstoffeinspritzer in der Einlassöffnung des Zylinderkopfs angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines kompressionsgezündeten Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, wobei der sekundäre Kraftstoffeinspritzer in dem Zylinderkopf angeordnet ist, um den Kraftstoff B direkt in den Zylinder einzuspritzen.
Kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor, der in einer Betriebsart einer reinen Dieselverbrennung oder einer Betriebsart einer Kompressionszündung mit vorgemischter Ladung betriebsfähig ist und umfasst: ein Zylindergehäuse, das mindestens einen Zylinder umfasst; einen Kolbenaufbau, der in dem Zylinder betriebsfähig ist; einen Zylinderkopf mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, der an dem Zylindergehäuse angebracht ist und eine Verbrennungskammer mit dem Kolben bildet, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs befindet; einen Lufteinlass, um während des Ansaughubs des Kolbens Luft in den Zylinder zu lassen; einen primären Kraftstoffeinspritzer, der dazu dient, eine gemessene Menge an Dieselkraftstoff direkt in den Zylinder einzuspritzen; einen sekundären Kraftstoffeinspritzer, der in dem Lufteinlass angeordnet ist und dazu dient, eine gemessene Menge an Benzin zu dem Zylinder zu liefern; ein Auslasssystem zum Auslassen der verbrannten Inhalte des Verbrennungsprozesses während des Auspuffhubs des Kolbenaufbaus; ein Abgasrückführsystem, das dazu dient, eine Menge an rückgeführtem Abgas in den Zylinder zu liefern; und ein Steuermodul, das eine Motorlast erfassen und den primären Kraftstoffeinspritzer und den sekundären Kraftstoffeinspritzer unabhängig steuern kann, um eine gemessene Menge des Diesels und des Benzins in den Zylinder zu liefern und das Abgasrückführsystem zu steuern.