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HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG
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Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren können ein Lasersystem im Motor auf verschiedene Arten verwenden.
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Beispielsweise beschreibt
US7532971B2 ein System einschließlich einer Motorsteuerungsvorrichtung, die konzipiert ist, um die Voreinspritzungszeitsteuerung basierend auf einer Wärmeerzeugungsmenge und einer Kraftstoffzufuhrmenge zu steuern, um die Verbrennungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Eine Zündvorrichtung, die auf die Verwendung eines Elektroerhitzers (Glühkerze) oder eine elektromagnetische Maßnahme wie beispielsweise einen Laser vertraut, um lokal das Energieniveau einer Atmosphäre im Zylinder zu einer höheren Seite zu verschieben und dadurch das Zünden zu erleichtern, wird ebenfalls beschrieben.
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Die Erfinder haben verschiedene Probleme bei dem oben genannten System erkannt. Insbesondere das Anheben des Energieniveaus der Atmosphäre im Zylinder mit dem Laser kann bei einigen Zuständen, wo zu viel Energie bereitgestellt wird, ein Zünden früher als gewünscht verursachen. Ebenfalls kann das Bereitstellen von zu wenig Energie unzureichend sein, um eine zuverlässige Kompressionszündung zu erhalten.
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Als solches kann eine Herangehensweise zur Adressierung der oben genannten Probleme die Fokussierung der Laserenergie auf unterschiedliche Stellen innerhalb des Zylinders sein. Durch Verändern des Fokuspunkts für unterschiedliche Aktionen, wie beispielsweise eine Stelle für das Zünden und eine zweite unterschiedliche Stelle für das Heizen (wie beispielsweise die periphere Zylinderwand), ist es möglich, ein zuverlässiges Zünden zu erzielen, während auch eine schnellere Motorerwärmung und deshalb eine reduzierte Reibung erreicht wird. Des Weiteren kann der Laserbetrieb an der ersten Stelle mit einer unterschiedlichen Zeitsteuerung des Verbrennungstaktes ausgeführt werden. Auf diese Weise kann die Verbrennungszylinderwand zu einer Zeit erhitzt werden, ohne den Zündzeitpunkt zu beeinträchtigen.
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Es ist selbstverständlich, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die weiter in der ausführlichen Beschreibung beschrieben werden. Es ist nicht beabsichtigt, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu bestimmen, dessen Umfang eindeutig durch die Ansprüche definiert wird, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Des Weiteren ist der beanspruchte Gegenstand nicht beschränkt auf Implementierungen, die irgendwelche Nachteile lösen, die oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenlegung erwähnt sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Prinzipschaltbild eines Verbrennungsmotors.
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2 ist ein Prinzipschaltbild eines beispielhaften Kolbens.
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3A ist ein Diagramm, das einen nicht heizenden Betrieb darstellt.
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3B ist ein Diagramm, das einen frühen Heizbetrieb darstellt.
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3C ist ein Diagramm, das einen späten Heizbetrieb darstellt.
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren veranschaulicht, um Laserzündung zu betreiben.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung bezieht sich auf ein Verfahren für ein Laserzündungssystem, das vorteilhafterweise den Laser sowohl für das zünden eines Luft/Kraftstoff-Gemischs als auch für ein schnelleres Erhitzen des Zylinders verwendet, um Reibung zu reduzieren. Reibungsverluste, die mit kalten Zylinderwänden verbunden sind, wie beispielsweise während eines Kaltstarts, entsprechen einer Abnahme im Verbrennungswirkungsgrad und deshalb einer Abnahme in der Kraftstoffeinsparung. Das offenbarte Verfahren fokussiert einen Laser auf unterschiedliche Stellen innerhalb des Zylinders und es fokussiert einen Laser weiter während unterschiedlicher Hübe oder Zeitsteuerung des Verbrennungstaktes. Während der Laser als eine Zündquelle während des Arbeitstaktes verwendet wird, arbeitet der Laser zusätzlich, um die Zylinderwände, beispielsweise vor der Luft/Kraftstoff-Verbrennung (während eines Ansaughubs) und/oder im Anschluss an die Verbrennung (während des Auslasshubs) zu erhitzen. Verschiedene Herangehensweisen, um die Fokussierung des Lasers zu ändern, können verwendet werden. Beispielsweise kann der Laser so neu positioniert werden, dass die Ausrichtung der Laserpunktquelle verändert ist, um unterschiedliche Bereiche des Zylinders zu erreichen. Als ein weiteres Beispiel kann der Laserstrahl mithilfe von einem oder mehreren Reflektoren auf unterschiedliche Stellen innerhalb des Zylinders gerichtet werden. Zusätzlich kann der Lasererreger die definierenden Lasermerkmale, wie beispielsweise Dauer, Frequenz, Zeit und Größenordnung der Laserenergie abhängig vom Verbrennungstakthub und/oder dem Betriebszustand des Fahrzeugs ändern.
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Ein beispielhafter Verbrennungsmotor ist in 1 dargestellt. 2 zeigt einen beispielhaften Motorkolben für die beispielhafte Ausführungsform, bei der die Laserstelle durch die Bewegung eines reflektierenden Bereichs geändert wird. Die 3A–C zeigen verschiedene Laserbetriebsmodi und 4 beschreibt verschiedene Verfahren für den Steuerungssystembetrieb, einschließlich der Laserzündung und des Lasererhitzens.
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Unter spezieller Bezugnahme auf 1 umfasst diese ein Prinzipschaltbild, das einen Zylinder des Mehrzylinderverbrennungsmotors 10 zeigt. Der Motor 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuerungssystem mit einer Steuerung 12 und durch Eingabe von einem Fahrzeugführer 132 über ein Eingabegerät 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst das Eingabegerät 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zur Erzeugung eines proportionalen Pedalpositionssignals PP.
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Der Verbrennungszylinder 30 des Motors 10 kann die Verbrennungszylinderwände 32 mit einem darin positionierten Kolben 36 umfassen. Der Kolben 36 kann mit der Kurbelwelle 40 so verbunden sein, dass die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Zwischengetriebe mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs verbunden sein. Weiterhin kann ein Anlasser über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startvorgang des Motors 10 zu ermöglichen.
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Der Verbrennungszylinder 30 kann Ansaugluft vom Ansaugkrümmer 44 über den Ansaugkanal 42 erhalten und Verbrennungsabgase über den Auslasskanal 48 ausstoßen. Ansaugkrümmer 44 und Auslasskanal 48 können selektiv mit dem Verbrennungszylinder 30 über das entsprechende Ansaugventil 52 und Auslassventil 54 kommunizieren. Bei einigen Ausführungsformen kann der Verbrennungszylinder 30 zwei oder mehr Ansaugventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile umfassen.
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Bei diesem Beispiel können das Ansaugventil 52 und die Auslassventile 54 durch die Nockenbetätigung über die entsprechenden Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 51 und 53 können jeweils eines oder mehrere Nockenprofilumschalt-(CPS), variable Nockensteuerungs-(VCT), variable Ventilsteuerungs-(VVT) und/oder Ventilhubänderungssysteme (VVL) umfassen, die von einer Steuerung 12 zur Änderung der Ventilbetätigung betätigt werden. Die Stellung des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 kann durch die Positionssensoren 55 bzw. 57 ermittelt werden. Bei anderen Ausführungsformen können Einlassventil 52 und/oder Auslassventil 54 durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 alternativ ein durch elektrische Betätigung gesteuertes Einlassventil und ein durch Nocken betätigtes Auslassventil mit CPS- und/oder VCT-System umfassen.
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Das Einspritzventil 66 ist direkt mit dem Verbrennungszylinder 30 gekoppelt gezeigt, um Kraftstoff direkt darin proportional zur Impulslänge des Signals FPW einzuspritzen, das vom Controller 12 über den elektronischen Treiber 68 empfangen wird. Auf diese Weise stellt das Einspritzventil 66 das bereit, was als Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungszylinder 30 bekannt ist. Das Einspritzventil kann beispielsweise auf der Seite des Verbrennungszylinders oder im Oberteil des Verbrennungszylinders montiert sein. Kraftstoff kann zum Einspritzventil 66 durch ein Kraftstoffzufuhrsystem (nicht gezeigt) einschließlich eines Kraftstofftanks, einer Kraftstoffpumpe und eines Kraftstoffverteilers geliefert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann Verbrennungszylinder 30 alternativ oder zusätzlich ein Einspritzventil umfassen, das im Ansaugkanal 42 in einer Konfiguration arrangiert ist, die bereitstellt, was als Saugkanaleinspritzung des Kraftstoffs in den Ansaugkanal vor Verbrennungszylinder 30 bekannt ist.
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Der Ansaugkanal 42 kann eine Ladungsbewegungssteuerklappe (charge motion control valve; CMCV) 74 und eine CMCV-Platte 72 umfassen, und er kann auch eine Drosselklappe 62 umfassen, die eine Drosselklappenplatte 64 aufweist. Bei diesem speziellen Beispiel kann die Stellung der Drosselklappenplatte 64 vom Controller 12 über ein Signal variiert werden, das einem Elektromotor oder Stellantrieb bereitgestellt wird, der in der Drosselklappe 62 enthalten ist. Eine Konfiguration, die als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) bezeichnet werden kann. Auf diese Weise kann die Drosselklappe 62 angesteuert werden, um die Ansaugluft zu variieren, die Verbrennungszylinder 30 neben anderen Motorzylindern bereitgestellt wird. Der Ansaugkanal 42 kann einen Luftmassenmesser 120 und einen Saugrohrdrucksensor 122 umfassen, um die entsprechenden Signale MAF und MAP an Controller 12 bereitzustellen.
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Der Abgassensor 126 ist gekoppelt mit Auslasskanal 48 und vorgeschaltet zu Katalysator 70 gezeigt. Sensor 126 kann irgendein geeigneter Sensor sein, der eine Anzeige des Abgas-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses anzeigt, wie beispielsweise eine lineare Lambdasonde oder UEGO (universal or wide-range exhaust gas oxygen; Universal- oder Weitbereich-Abgas-Sauerstoffgehalt), eine Lambdasonde mit zwei Zuständen oder EGO, ein HEGO (erwärmtes EGO), ein NOx-, HC- oder CO-Sensor. Die Abgasanlage kann Vorkatalysatoren und Unterbodenkatalysatoren sowie vor- und/oder nachgeschaltete Sensoren für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Auspuffkrümmer umfassen. Katalysator 70 kann bei einem Beispiel mehrere Katalysatorsteine umfassen. Bei einem weiteren Beispiel können mehrere Abgasemissionssysteme jeweils mit mehreren Steinen verwendet werden. Katalysator 70 kann bei einem Beispiel ein Dreiwege-Katalysator sein.
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Die Steuerung 12 ist in 1 als Mikrocomputer dargestellt und umfasst eine Mikroprozessoreinheit 102, Ein-/Ausgangs-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, die in diesem bestimmten Beispiel als ROM-Speicherchip 106 dargestellt sind, einen RAM-Speicher 108, einen Erhaltungsspeicher 110 (KAM-Speicher) und einen Datenbus. Der Controller 12 kann verschiedene Signale von Sensoren aufnehmen, die mit dem Motor 10 gekoppelt sind, zusätzlich zu den Signalen, die zuvor beschrieben wurden, einschließlich der Messung des eingeführten Luftmassenstroms (MAF) von Luftmassenmesser 120; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von Temperaturfühler 112 gekoppelt zur Kühlmuffe 114; ein Profile Ignition Pickup-Signal (PIP) von Halleffektsensor 118 (oder ein anderer Typ) gekoppelt mit der Kurbelwelle 40; Drosselklappenstellung (TP) von einem Drosselklappenstellungssensor; und der absolute Ansaugrohrdruck MAP von Sensor 122. Read Only Memory-Speichermedium 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert werden, welche Anweisungen repräsentieren, die von Prozessor 102 ausführbar sind, um die nachfolgend beschriebenen Verfahren sowie Varianten davon auszuführen. Die Motorkühlmuffe 114 ist mit dem Fahrzeuginnenraumheizsystem 9 gekoppelt.
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Laserzündungssystem 92 umfasst einen Lasererreger 88 und eine Lasersteuereinheit (laser control unit; LCU) 90. Die LCU 90 bewirkt, dass Lasererreger 88 Laserenergie generiert. Die LCU 90 kann operative Befehle von Controller 12 empfangen. Der Lasererreger 88 umfasst einen oszillierenden Laserteil 86 und einen Lichtkonvergierungsteil 84. Der Lichtkonvergierungsteil 84 konvergiert Laserlicht, das durch den oszillierenden Laserteil 86 in einem Laserfokuspunkt 82 des Verbrennungszylinders 30 generiert wird.
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Das Laserzündungssystem 92 ist konfiguriert, um in mehr als einer Kapazität mit der Zeitsteuerung jeder Operation basierend auf der Motorlage eines Viertaktverbrennungszyklus zu arbeiten. Beispielsweise kann Laserenergie verwendet werden, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch während eines Arbeitstaktes des Motors zu zünden, einschließlich während des Anlassens des Motors, während des Motoraufwärmbetriebs und während des betriebswarmen Motorbetriebs. Der Kraftstoff, der durch das Einspritzventil 66 eingespritzt wird, kann während mindestens eines Teils eines Ansaughubs ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bilden, wo das zünden des Luft/Kraftstoff-Gemischs mit der Laserenergie, die durch den Lasererreger 88 generiert wird, die Verbrennung des anderweitig nicht brennbaren Luft/Kraftstoff-Gemischs beginnt und den Kolben 36 nach unten treibt.
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Die LCU 90 kann den Lasererreger 88 lenken, um abhängig von Betriebszuständen Laserenergie an unterschiedlichen Stellen zu fokussieren. Beispielsweise kann die Laserenergie an einer ersten Stelle entfernt von der Zylinderwand 32 innerhalb des Innenbereiches des Zylinders 30 fokussiert werden, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu zünden. Bei einer Ausführungsform kann sich die erste Stelle nahe dem oberen Totpunkt eines Arbeitstaktes befinden. Weiter kann die LCU 90 den Lasererreger 88 lenken, um eine erste Vielzahl von Laserpulsen zu generieren, die an die erste Stelle gelenkt werden, und die erste Verbrennung aus dem Ruhezustand kann eine Laserenergie vom Lasererreger 88 empfangen, die größer ist als die Laserenergie, die an die erste Stelle für spätere Verbrennungen zugeführt wird.
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Die Laserenergie kann zusätzlich zur Verwendung von Laserenergie, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu zünden in einer weiteren Kapazität für das Erhitzen verwendet werden. Das Verwenden des Laserzündungssystems 92 für das Erhitzen kann selektiv erfolgen und als Reaktion auf eine Temperatur, wie beispielsweise die Kühlmitteltemperatur (ECT), ausgeführt werden. Bei einem Beispiel kann die LCU 90 den Lasererreger 88 lenken, um eine zweite Vielzahl von Laserpulsen, die größer ist als die erste Vielzahl von Laserpulsen, an einer zweiten Stelle, die sich von der ersten Stelle unterscheidet, zu generieren. Die zweite Stelle kann die Zylinderwand 32 umfassen, und Laserenergie kann an der zweiten Stelle während eines Auslasshubs des Viertaktverbrennungszyklus fokussiert werden. Als ein weiteres Beispiel kann die zweite Stelle einen Ansaughub umfassen.
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Der Controller 12 steuert die LCU 90 und weist ein nicht flüchtiges computerlesbares Speichermedium einschließlich eines Codes auf, um die Stelle der Laserenergiezufuhr basierend auf einer Temperatur, wie beispielsweise der ECT, anzupassen. Laserenergie kann an unterschiedliche Stellen innerhalb des Zylinders 30 gelenkt werden. Controller 12 kann auch zusätzliche oder alternative Sensoren, einschließlich zusätzlicher Temperaturfühler, Drucksensoren, Drehmomentsensoren sowie Sensoren, die die Motordrehzahl, die Menge der Luft und die Menge der Kraftstoffeinspritzung erkennen, integrieren, um die Betriebsweise des Motors 10 zu bestimmen. Zusätzlich oder alternativ kann die LCU 90 direkt mit verschiedenen Sensoren, wie beispielsweise Temperaturfühlern kommunizieren, um die ECT zu erkennen und die Betriebsweise des Motors 10 zu bestimmen.
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Wie oben angegeben, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und jeder Zylinder kann ähnlich seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Einspritzventil, Laserzündungssystem usw. umfassen.
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2 veranschaulicht ein Beispiel eines Kolbens 36, der im Motor 10 enthalten sein kann. Der Kolben von 2 umfasst einen verstellbaren reflektierenden Bereich 202, der hier als lokalisiert auf der Oberseite des Kolbens 36 gezeigt wird. Der verstellbare reflektierende Bereich 202 kann aus einer Vielzahl von geeigneten Größen oder Formaten bestehen, die vom Kolben 36 und dem Zylinder 30 aufgenommen werden können. Zusätzlich kann der Kolben 36 mit mehr als einem verstellbaren reflektierenden Bereich 202 verbunden sein. Um eine größere Verteilung der Laserlichtenergie überall im Verbrennungszylinder 30 zu erleichtern, können ein oder mehrere reflektierende Bereiche 202 das Laserzündungssystem 92 beim Erhitzen der Zylinderwand 32 durch Umlenken der Laserlichtenergie zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Zylinderstellen unterstützen. Die dynamische Natur des einen oder der mehreren reflektierenden Bereiche 202 ermöglicht, dass die reflektierenden Bereiche 202 in einigen Situationen verwendet werden (z. B. während des Erhitzens) und in anderen Situationen nicht zugänglich sind (z. B. während der Verbrennung oder wenn das Erhitzen nicht mehr von Vorteil ist), obwohl bei einer weiteren Ausführungsform der eine oder die mehreren reflektierende Bereiche 202 statisch und dennoch für den Lasererreger 88, der Laserenergie an der ersten Stelle fokussiert, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu zünden, nicht behindernd sein können. Ein oder mehrere reflektierende Bereiche 202 können an anderer Stelle innerhalb des Verbrennungszylinders 30 positioniert sein, um bei der Umleitung der Laserlichtenergie zu unterstützen und deshalb eine größere Verteilung der Laserlichtenergie innerhalb des Verbrennungszylinders 30 zu erleichtern. Alternativ kann bei einer weiteren Ausführungsform der Lasererreger 88 eine Vielzahl von Laserpulsen ohne die Hilfe von reflektierenden Bereichen 202, die innerhalb des Verbrennungszylinders 30 vorhanden sind, generieren.
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3 veranschaulicht drei unterschiedliche Betriebsweisen des Laserzündungssystems 92; obwohl zu verstehen ist, dass zusätzliche Betriebsweisen mit dem Laserzündungssystem 92 verbunden sein können. Unter Bezugnahme auf 1, arbeitet jeder Zylinder 30 in einem Mehrzylindermotor 10 in einem Viertaktverbrennungszyklus. Im Anschluss an eine erste Verbrennung oder ein Zünden des Motors 10 beginnt der Viertaktverbrennungszyklus mit einem Ansaughub einschließlich einer Einspritzung eines Luft/Kraftstoff-Gemischs während mindestens eines Abschnitts des Ansaughubs. Der folgende Hub ist ein Kompressionshub, bei dem Kolben 36 das Luft/Kraftstoff-Gemisch komprimiert, worauf der Verbrennungs- oder Arbeitstakt folgt. Während des Arbeitstaktes nähert sich Kolben 36 dem oberen Totpunkt und das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird durch eine Vielzahl von Laserpulsen gezündet, die durch den Lasererreger 88 generiert werden. Die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs treibt Kolben 36 nach unten. Die vierte und endgültige Komponente des Viertaktverbrennungszyklus ist ein Auslasshub, bei dem die Verbrennungszylinderinhalte durch das eine oder die mehreren Auslassventile 54, vor dem Erreichen des Katalysators 70 und dem Austritt durch das Endrohr, austreten.
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3 zeigt drei unterschiedliche beispielhafte Modi des Laserzündungssystems 92, welche die Frequenz von Laserpulsen darstellen, die durch den Lasererreger 88 in Bezug auf den Verbrennungstakt generiert werden, der mit einem Motorstart beginnt. Der Motorstart in den 3A–C umfasst eine erste Verbrennung oder ein Zünden (IG) während eines Anlassvorgangs, dem das Beschleunigen der Motordrehzahl folgt. Ein Anlassvorgang kann umfassen, dass der Motor 10 50 U/min erreicht, beispielsweise gefolgt von einer ersten Verbrennung IG. Während der ersten Verbrennung IG generiert Lasererreger 88 eine Vielzahl von Laserpulsen bei einem höheren Energieniveau relativ zu späteren Verbrennungen. Im Anschluss an eine erste Verbrennung IG kann der Motor 10 eine oder mehrere Verbrennungen aufweisen, bevor er in den Leerlauf übergeht. Das Folgende ist eine ausführliche Erörterung jedes beispielhaften Betriebs.
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3A ist ein Beispiel des Laserzündungssystems 92, das in einem nicht heizenden Betrieb arbeitet. Wenn der Lasererreger 88 durch die LCU 90 angewiesen wird, eine erste Vielzahl von Laserpulsen in einem nicht heizenden Betrieb zu generieren, fokussiert der Lasererreger 88 Laserlichtenergie an einer ersten Stelle, um die Verbrennung während eines ersten Abschnitts des Verbrennungstaktes, wie beispielsweise nahe am oberen Totpunkt eines Arbeitstaktes (P) zu beginnen, und der Lasererreger 88 bleibt während der Einlass-(I), Komprimierungs-(C) und Ausstoß-(E)-hübe untätig. Der Lasererreger 88 generiert eine erste Vielzahl von Laserpulsen während des Arbeitstaktes P bei einem Energieniveau, das niedriger ist als die erste Verbrennung IG. Der Verbrennungstakt fährt in der Reihenfolge von Ansaughub I, Kompressionshub C, Arbeitstakt P, und Auslasshub E fort, bevor er wiederum mit dem Ansaughub I beginnt, wobei der Lasererreger 88 die ganze Zeit eine erste Vielzahl von Laserpulsen während des Arbeitstaktes P für die Verbrennung generiert. Das Energieniveau der ersten Vielzahl von Laserpulsen kann von Arbeitstakt P zu Arbeitstakt P abhängig von der Motordrehzahl und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wie konfiguriert durch den Controller 12, variieren. Beispielsweise kann ein magereres Luft/Kraftstoff-Gemisch mit einem höheren Laserenergieniveau arbeiten als ein weniger mageres oder ein fetteres Luft/Kraftstoff-Gemisch, um das magere Luft/Kraftstoff-Gemisch effizienter zu verbrennen, und untere Motordrehzahlen können mit einem mangelnden Gemisch an Luft und Kraftstoff verbunden sein und deshalb auch Nutzen aus einem höheren Laserenergieniveau als bei höheren Motordrehzahlen ziehen, um die Verbrennung zu verbessern.
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3B ist ein Beispiel des Laserzündungssystems 92, das in einem Erstbetrieb oder frühen Heizbetrieb arbeitet. Ähnlich dem nicht heizenden Betrieb beschrieben in 3A besteht der frühe Heizbetrieb aus Lasererreger 88, der eine erste Vielzahl von Laserpulsen während eines ersten Abschnitts des Verbrennungstaktes generiert, wie beispielsweise einem Arbeitstakt P, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung zu zünden. Einige Motorzustände können ermöglichen, dass Lasererreger 88 während eines früheren Abschnitts des Verbrennungstaktes, wie beispielsweise während des Ansaughubs I, eine zweite Vielzahl von Laserpulsen generiert, die größer ist als die erste Vielzahl. Zum Beispiel während Kaltstartzuständen. Wenn Lasererreger 88 durch die LCU 90 angewiesen wird, in einem frühen Heizbetrieb zu arbeiten, fokussiert Lasererreger 88 eine erste Vielzahl der Laserlichtenergie an einer ersten Stelle nahe dem oberen Totpunkt eines Arbeitstaktes (P), und Lasererreger 88 fokussiert eine zweite Vielzahl, die größer ist als die erste Vielzahl der Laserlichtenergie an einer zweiten Stelle, die sich von der ersten Stelle unterscheidet, wobei die zweite Stelle die Zylinderwand 32 während des Ansaughubs I umfasst. Der Verbrennungstakt fährt in der Reihenfolge des Ansaughubs I, Kompressionshubs C, Arbeitstaktes P und Auslasshubs E fort, bevor er wiederum mit dem Ansaughub I beginnt, während die ganze Zeit mit dem Lasererreger 88 eine zweite Vielzahl von Laserpulsen während des Ansaughubs I für das Erhitzen generiert wird und eine erste Vielzahl von Laserpulsen während des Arbeitstaktes P für die Verbrennung. Das Energieniveau der zweiten Vielzahl von Laserpulsen, das während des Ansaughubs I generiert wird, ist niedriger relativ zum Energieniveau der ersten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Arbeitstaktes P generiert werden, wobei das spezielle Energieniveau der zweiten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Ansaughubs I generiert werden, von der Katalysatortemperatur abhängig ist. Beispielsweise würde ein höheres Laserenergieniveau während des Ansaughubs I einer niedrigeren Temperatur des Katalysators 70 (z. B. unterhalb einer Light-Off-Temperatur) entsprechen im Gegensatz zu einer höheren Temperatur des Katalysators 70, die einem niedrigeren Laserenergieniveau während des Ansaughubs I entsprechen würde. Zusätzlich kann die Dauer der zweiten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Ansaughubs I generiert werden, mit der Motortemperatur und/oder Motordrehzahl variieren. Beispielsweise kann die Dauer der zweiten Vielzahl von Laserpulsen während des Ansaughubs I länger sein, wenn die Motortemperatur niedriger ist als ein Schwellenwert oder wenn die Motordrehzahl niedriger ist als ein Schwellenwert. Desgleichen kann die Dauer der zweiten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Ansaughubs I generiert werden, kürzer sein, wenn die Motortemperatur höher ist oder wenn die Motordrehzahl höher ist.
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3C ist ein Beispiel des Laserzündungssystems 92, das in einem Zweitmodus oder späten Heizbetrieb arbeitet. Ähnlich dem nicht heizenden Betrieb beschrieben in 3A und dem Erstmodus oder frühen Heizbetrieb beschrieben in 3B besteht der späte Heizbetrieb aus Lasererreger 88, der eine erste Vielzahl von Laserpulsen während eines ersten Teils des Verbrennungstaktes generiert, wie beispielsweise einem Arbeitstakt P, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung zu zünden. Einige Motorzustände können ermöglichen, dass Lasererreger 88 eine zweite Vielzahl von Laserpulsen während eines späteren Teils des Verbrennungstaktes, wie beispielsweise während des Auslasshubs E, generiert. Beispielsweise kann während Kaltstartzuständen, bei denen die Generierung einer zweiten Vielzahl von Laserpulsen während des Ansaughubs I für eine rechtzeitige Motorerwärmung nicht ausreichend ist, eine Generierung einer zweiten Vielzahl von Laserpulsen während des Auslasshubs E erfolgen. Da das Luft/Kraftstoff-Gemisch in den Verbrennungszylinder 30 während des Ansaughubs I durch Einspritzventil 66 eingespritzt wird, besteht ein begrenztes Niveau an Laserlichtenergie, die verwendet werden kann, um eine frühe Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs zu vermeiden, welche zu Klopfen und/oder Frühzündung führen kann. Deshalb kann es unter ausgewählten Motorzuständen (z. B. wärmere Umgebungszustände) von Vorteil sein, das Laserzündungssystem 92 zu verwenden, um die Zylinderwand 32 während des Auslasshubs E zu erhitzen, wenn ein größeres Laserlichtenergieniveau erreicht werden kann. Wenn der Lasererreger 88 durch die LCU 90 angewiesen wird, in einem späten Heizbetrieb zu arbeiten, fokussiert der Lasererreger 88 eine erste Vielzahl der Laserlichtenergie an einer ersten Stelle nahe dem oberen Totpunkt eines Arbeitstaktes (P) und Lasererreger 88 fokussiert eine zweite Vielzahl der Laserlichtenergie, die größer ist als die erste Vielzahl, an einer zweiten Stelle, die sich von der ersten Stelle unterscheidet, wobei die zweite Stelle die Zylinderwand 32 während des Auslasshubs E umfasst. Zusätzlich ist die zweite Vielzahl der während des späten Heizbetriebs generierten Laserenergie größer als die zweite Vielzahl der während des frühen Heizbetriebs generierten Laserenergie. Der Verbrennungstakt fährt in der Reihenfolge von Ansaughub I, Kompressionshub C, Arbeitstakt P, und Auslasshub E fort, bevor er wiederum mit dem Ansaughub I beginnt, wobei der Lasererreger 88 die ganze Zeit eine erste Vielzahl von Laserpulsen während des Arbeitstaktes P für die Verbrennung generiert und eine zweite Vielzahl von Laserpulsen während des Auslasshubs E für das Erhitzen generiert. Das Energieniveau einer zweiten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Auslasshubs E generiert werden, ist niedriger relativ zum Energieniveau einer ersten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Arbeitstaktes P generiert werden, wobei das spezielle Energieniveau einer zweiten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Auslasshubs E generiert werden, ähnlich den Zuständen, die zuvor für den Erstmodus oder frühen Heizbetrieb beschrieben wurden, von der Temperatur des Katalysators 70 abhängig ist. Zusätzlich kann die Dauer einer zweiten Vielzahl von Laserpulsen, die während des Auslasshubs E generiert werden, auch wie zuvor beschrieben für den Erstmodus oder frühen Heizbetrieb mit der Motortemperatur und/oder Motordrehzahl variieren.
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Es ist offensichtlich, dass das Laserzündungssystem 92 in zusätzlichen Modi mit variierenden Kombinationen der Verwendung von Laserlichtenergie für die Verbrennung und Erhitzung mit variierenden Frequenzen, variierender Dauer und Größenordnungen der Laserlichtenergie während der unterschiedlichen Hübe des Viertaktverbrennungszyklus arbeiten kann. Beispielsweise kann ein Kaltstartzustand aus der Generierung von Laserlichtimpulsen vor der ersten Verbrennung IG aus dem Ruhezustand Nutzen ziehen, um die Zylinderwand 32 zu erhitzen. Beispielsweise kann das Lasererhitzen während des Motorruhezustands vor einer Anforderung zum Motorstart auftreten. Weiter können Motorzustände aus Lasererreger 88 Nutzen ziehen, der Laserpulse zusätzlich zum Arbeitstakt P für die Verbrennung sowohl während des Ansaughubs I als auch während des Auslasshubs E für das Erhitzen generiert. Zusätzliche Beispiele des Laserzündungsanlagenbetriebs werden weiter in Bezug auf 4 beschrieben.
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das Verfahren 400 veranschaulicht; eine beispielhafte Konfiguration der LCU 90, die auf den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 reagiert, wie beispielsweise einen Kaltstart, und das Diktieren von einem oder mehreren Heizmodi, was den Lasererreger 88 veranlasst, eine Vielzahl von Laserpulsen gemäß dem speziellen Heizmodus zu generieren.
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Wie gezeigt in 4 und unter Bezugnahme auf 1 bestimmt Verfahren 400 zuerst, ob ein Motorstartvorgang bei 410 vorliegt. Der Motorstartvorgang kann den Motoranlassvorgang und den Hochlauf der Motordrehzahl umfassen. Wenn die Antwort zu 410 NEIN ist, geht Verfahren 400 zu 412 über, um das Lasererhitzen von Zylinderwänden 32 beispielsweise unter ausgewählten Zuständen, wie beispielsweise vor einem ersten Verbrennungsvorgang, aus dem Ruhezustand auszuführen, wenn das Anlassen des Motors unmittelbar bevorsteht. Das unmittelbare bevorstehende Anlassen des Motors kann durch einen Motor-Start-Stop-Controller angezeigt werden, der beispielsweise automatisch den Motor als Reaktion auf ein Lösen eines Bremspedals durch den Fahrer startet. Das Lasererhitzen kann das Fokussieren des Lasers an einer Stelle, wie beispielsweise der Zylinderwand 32 umfassen, und der Lasererreger 88 kann eine Vielzahl von Laserpulsen generieren, die auf die Zylinderwand 32 gelenkt werden. Von 412 fährt das Verfahren 400 bis zum Ende fort und wiederholt sich.
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Wenn die Antwort zu 410 JA ist, geht Verfahren 400 zu 414 über, um zu bestimmen, ob die Kühlmitteltemperatur ECT kleiner ist als ein Schwellenwert, wobei der Schwellenwert auf Umgebungstemperatur eingestellt werden kann, aber auch auf eine spezielle Temperatur, wie beispielsweise 100°F. Wenn die Antwort zu 414 NEIN ist, geht Verfahren 400 zu 416 über, um die Verbrennung ohne einen Laserheizbetrieb vor oder nach der Verbrennung auszuführen. Von 416 geht das Verfahren zu 418 über, wo Zylinder Laserpulse während des Arbeitstaktes für die Verbrennung empfangen. Beispielsweise kann 418 den Lasererreger 88 veranlassen, eine erste Vielzahl von Laserpulsen zu generieren, die auf eine erste Stelle (wie beispielsweise innerhalb des Brennraums entfernt von den Wänden) bei einem gewünschten Zündzeitpunkt, wie beispielsweise nahe dem oberen Totpunkt eines Arbeitstaktes, gerichtet sind, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch für die Verbrennung zu zünden. Von 418 fährt das Verfahren 400 bis zum Ende fort und wiederholt sich.
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Wenn die Antwort zu 414 JA ist, geht Verfahren 400 zu 420 über, um eine Zeitsteuerung des Lasererhitzens, wie beispielsweise früh im Verbrennungstakt, spät im Verbrennungstakt oder Kombinationen davon, zu bestimmen. Die Zeitsteuerung des Erhitzens kann auf verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise Motordrehzahl, Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis, Kühlmitteltemperatur und anderen, beruhen. Beispielsweise kann bei niedrigeren Motordrehzahlen der Lasererreger 88 Laserpulse sowohl während früher als auch während später Hübe des Verbrennungstaktes für das Erhitzen generieren, im Gegensatz zu höheren Motordrehzahlen, die dem Lasererreger 88 entsprechen können, der Laserpulse während eines späten Hubs zum Erhitzen generiert, ohne Laserpulse während eines frühen Hubs zu generieren, wobei ein früher Hub ein Ansaughub und ein später Hub ein Auslasshub sein kann. Weiter können einige Motorzustände Lasererreger 88 einschließen, der Laserpulse während eines frühen Hubs zum Erhitzen generiert, ohne Laserpulse für das Erhitzen während eines späten Hubs zu generieren. Controller 12 bestimmt, welche Zylinder im Mehrzylindermotor 10 Laserpulse empfangen werden, um basierend auf beispielsweise der Temperatur jedes Zylinders 30 zu erhitzen. Das Lasererhitzen während eines frühen Hubs oder eines späten Hubs kann das Fokussieren der Laserpulse an einer zweiten Stelle umfassen, die sich von der ersten Stelle unterscheidet, und Lasererreger 88 kann eine zweite Vielzahl von Laserpulsen generieren, die größer ist als die erste auf die zweite Stelle gerichtete Vielzahl. Die LCU 90 kommuniziert unabhängig mit jedem Lasererreger 88 jedes Zylinders 30, um zwei oder mehr unterschiedliche Lasererhitzungs-Zeitsteuerungmodi gleichzeitig in unterschiedlichen Verbrennungszylindern zu erleichtern.
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Beispielsweise können zu einem festgelegten Zeitpunkt einige Zylinder Laserhitze während eines Ansaughubs empfangen, während andere Zylinder Laserhitze während eines Auslasshubs empfangen. Weiter noch können zu einem festgelegten Zeitpunkt einige Zylinder Laserhitze empfangen, während andere Zylinder keine Laserhitze empfangen könnten. Bei einem Beispiel kann Controller 12 bestimmen, dass die vier Endzylinder in einer V8-Konfiguration Laserpulse für das Erhitzen empfangen werden, während die verbleibenden Innenzylinder keine Laserpulse für das Erhitzen empfangen. Sobald die Zeitsteuerung der Laserhitze bestimmt ist, geht Verfahren 400 zu 422 über, wo die Zeitsteuerung der Laserhitze in den Zylindern, die ausgewählt sind, um Laserhitze zu empfangen, passend ausgeführt wird, wenn wiederum einige Zylinder ausgewählt sind, um keine Laserhitze zu empfangen.
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Von 422 geht das Verfahren 400 zu 424 über, wo Zylinder Laserpulse während des Arbeitstaktes für die Verbrennung empfangen. Beispielsweise kann 424 den Lasererreger 88 veranlassen, eine erste Vielzahl von Laserpulsen zu generieren, die auf eine erste Stelle (wie beispielsweise innerhalb des Brennraums entfernt von den Wänden) bei einem gewünschten Zündzeitpunkt, wie beispielsweise nahe dem oberen Totpunkt eines Arbeitstaktes, gerichtet sind, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch für die Verbrennung zu zünden. Von 424 fährt das Verfahren 400 bis zum Ende fort und wiederholt sich.
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Es ist offensichtlich, dass der Controller 12 die LCU 90 anweisen kann, in zusätzlichen oder alternativen Methoden zu arbeiten, und diese Befehle können auf zusätzlichen oder alternativen Sensoren basieren. Beispielsweise kann der Controller 12 Messungen von zusätzlichen Temperaturfühlern, Drucksensoren, Drehmomentsensoren sowie Sensoren für die Motordrehzahl und Luft/Kraftstoff-Gemisch-Verhältnisse in jedem Zylinder 30 verwenden. 4 wird als ein Beispiel dafür präsentiert, wie die LCU 90 auf Controller 12 reagieren und die empfangenen Befehle ausführen kann, um das Laserzündungssystem 92 für das Erhitzen und/oder die Verbrennung zu verwenden. Bei anderen Beispielen kann der Betrag der Laserenergie und/oder die Anzahl der Pulse für das Lasererhitzen der Zylinderwand je nachdem variieren, ob, wie hier beschrieben, der frühe oder späte Heizbetrieb ausgewählt ist.
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Die vorausgehende Beschreibung unterstützt Verfahren für ein Laserzündungssystem, das vorteilhafterweise einen Laser sowohl für das Zünden eines Luft/Kraftstoff-Gemischs als auch für das Erhitzen eines Zylinders verwenden kann. Durch Verminderung der Reibungsverluste, die mit kalten Zylinderwänden, wie beispielsweise während eines Kaltstarts, verbunden sind, erhöht sich der Verbrennungswirkungsgrad und auch die Kraftstoffeinsparung. Während das offenbarte Verfahren auf ein Fahrzeug allgemein anwendbar ist, ist es zusätzlich für Fahrzeuge nützlich, die mit Motoren verbunden sind, welche zu Anfang des Kaltstartverfahrens nicht wenden wie beispielsweise im Fall von Hybridfahrzeugen.
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Es ist offensichtlich, dass die hier offen gelegten Konfigurationen und Routinen Beispielcharakter haben und nicht als einschränkend anzusehen sind, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die genannte Technologie bei Motoren vom Typ V-6, I-4, I-6, V-12, Viertakt-Boxermotor und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Subkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder hier offenbarte Eigenschaften.
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Die folgenden Ansprüche weisen besonders auf bestimmte Kombinationen und Subkombinationen hin, die als neu und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können „ein” Element oder „ein erstes” Element oder das Äquivalent davon bezeichnen. Diese Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbindung von einem oder mehreren solcher Elemente umfassen und weder zwei oder mehr solcher Elemente erfordern noch sie ausschließen. Andere Kombinationen und Subkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch die Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch die Präsentation von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Diese Ansprüche, ob sie breiter, begrenzter, gleich oder unterschiedlich im Umfang gegenüber den ursprünglichen Ansprüchen sind, werden auch als innerhalb des Gegenstands der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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