DE102012216741B4

DE102012216741B4 - Mehrzonengasmotor mit hohem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE102012216741B4
Application number: DE102012216741.2A
Authority: DE
Inventors: Brad Alan Boyer; Matthew Aaron Younkins
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: US20120132174A1; CN103032189A; US8291884B2; DE102012216741A1; RU2012139642A; RU2527810C2

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motors, das Folgendes umfasst: direktes Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs in jeden Zylinder durch ein mittig positioniertes Einspritzventil mit mehreren Düsengruppen, wobei jede Gruppe einer von mindestens zwei Zündkerzen zugeordnet ist, die näher zu einer Zylinderwand positioniert sind als zu dem Einspritzventil, wobei jede Gruppe den gasförmigen Kraftstoff zu einer zugehörigen Funkenstrecke der Zündkerze richtet.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Mehrzonengasverbrennungsmotor und ein Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motors.
Verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge können gasförmige Kraftstoffe anstelle von oder in Kombination mit herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen, wie zum Beispiel Benzin, verbrennen. Gasförmige Kraftstoffe können zum Beispiel Wasserstoff, Erdgas, Propan und leichtere brennbare Kohlenwasserstoffderivate umfassen. Gasförmige Kraftstoffe können verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlicher Flüssigkraftstoffeinspritzung bieten, wie zum Beispiel die Reduzierung von Stickoxidemissionen, Partikeln und Kohlenwasserstoffen sowie die Fähigkeit, andere Kraftstoffe als fossile Kraftstoffe zu verwenden, um das Fahrzeug anzutreiben.
Gasförmige Kraftstoffe werden im Allgemeinen in einem oder mehreren Druckbehältern gespeichert, was verschiedene Herausforderungen mit sich bringt, die bei Verwendung von herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen nicht angetroffen werden. Kraftstoffkosten sowie -speicherung werden durch den Kraftstoffverbrauch entsprechend beeinflusst. Obgleich standardmäßige Wasserstoffmotoren zu den effizientesten bekannten Kraftfahrzeugmotoren gehören, stehen die Nachteile bezüglich Kraftstoffspeicherung und -kosten einer umfassenden Marktfähigkeit im Wege. Somit bleibt Kraftstoffeffizienz ein Hauptanliegen für Automobilerstausrüster, die versuchen, kostengünstigen Wasserstoff und andere gasförmige Kraftstoffprodukte einzuführen.
Aus der US 2005 0217639 A1 ist ein ringförmiges Glühelement im Zylinder eines für gasförmige Kraftstoffe mit relativ hohen Selbstentzündungstemperaturen geeigneten Verbrennungsmotors bekannt, durch das eingespritzte, von der Mitte nach außen gerichtete Kraftstoffstrahlen jeweils entzündet werden.
Aus der US 2006 0254560 A1 ist ein Verbrennungsmotor für gasförmige Kraftstoffe bekannt, bei dem die Einspritzung je nach Betriebsmodus rechteckförmig oder segmentförmig erfolgt, wobei die Zündung jeweils erfolgt durch eine einzige Zündeinrichtung erfolgt.
Die vorliegende Offenbarung erkennt, dass Kraftstoffkonzentration und -verteilung sorgfältig durchdacht werden sollten, um den Kompromiss zwischen NOx-Emissionen, Wärmeübertragung auf die Zylinderwände des Motors und Gesamtwirkungsgrad des Motors auszugleichen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigen Kraftstoffen beladenen Motors mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie entsprechend ausgebildete Motoren mit den Merkmalen der Patentansprüche 9 bzw. 19 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Ein Motor mit Zylindern, die gasförmigen Kraftstoff verbrennen können, enthält mindestens eine Zündkerze pro Zylinder, ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff, das sich in jeden Zylinder erstreckt und mindestens eine Düsengruppe aufweist, die mehrere Düsen enthält, die zum Richten von gasförmigem Kraftstoff nur zu einer Funkenstrecke einer zugehörigen Zündkerze positioniert sind, und ein Steuersystem, das jede Zündkerze und jedes Einspritzventil dazu betreibt, gasförmigen Kraftstoff direkt dem Zylinder zuzuführen und Verbrennung einzuleiten.
Ein Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motors umfasst direktes Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs in jeden Zylinder durch ein mittig positioniertes Einspritzventil mit mehreren Düsengruppen, wobei jede Gruppe einer von mindestens zwei Zündkerzen zugeordnet ist, die näher zu einer Zylinderwand positioniert sind als zu dem Einspritzventil, wobei jede Gruppe den gasförmigen Kraftstoff zu einer zugehörigen Funkenstrecke der Zündkerze richtet.
Bei einer Ausführungsform enthält ein Motor, der gasförmigen Kraftstoff verbrennen kann, einen Motorblock mit mehreren Zylindern, mindestens einen Zylinderkopf, der eine mittig positionierte Einspritzventilöffnung, bezüglich der Einspritzventilöffnung radial außen liegende Zündkerzenöffnungen, zwei Einlassventildurchlässe und zwei Auslassventildurchlässe für jeden zugehörigen Zylinder. Der Motor enthält eine erste und eine zweite Zündkerze, die jedem Zylinder zugeordnet sind und eine zugehörige erste bzw. zweite Funkenstrecke aufweisen; und ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff für jeden Zylinder, das sich durch eine zugehörige Einspritzventilöffnung in den Zylinder erstreckt, wobei das Einspritzventil eine erste Düsengruppe, die zum Richten von gasförmigem Kraftstoff zu der ersten Funkenstrecke positioniert ist, und eine zweite Düsengruppe, die zum Richten von gasförmigem Kraftstoff zu der zweiten Funkenstrecke positioniert ist, enthält. Eine mit den Einspritzventilen und den Zündkerzen in Verbindung stehende Steuerung erzeugt Einspritzsignale zum Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff in jeweilige Zylinder mit einem Zeitpunkt des Einspritzendes und Zündzeitpunktsteuersignalen zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs als Reaktion auf Istmotorbetriebsbedingungen.
Bei einer Ausführungsform liegt der Zeitpunkt des Einspritzendes (EOI – end of injection) zwischen ca. 15 und 85 Grad vor dem oberen Totpunkt (VOT).
Verschiedene Ausführungsformen können Einspritzventile mit einer ersten und einer zweiten Düsengruppe enthalten, die jeweils drei Düsen enthalten. Jede Gruppe spritzt, einen Radialbereich zwischen ca. 5 und 78 Grad und einen Axialbereich zwischen ca. 17 und 62 Grad überspannend, Kraftstoff, was zu mehreren teilweise verschiedenen Zonen zur Verbrennung führt, die jeder Zündkerze in jedem Zylinder zugeordnet sind.
Verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung bieten damit in Verbindung stehende Vorteile. Zum Beispiel gleicht die Steuerung der Kraftstoffkonzentration und -verteilung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Kompromisse zwischen Emissionen, Wärmeübertragung auf die Zylinderwände und Gesamtwirkungsgrad des Motors aus. Obgleich Strategien gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einem engen Bereich von Konstruktionsmerkmalen realisiert werden können, haben empirische Erkenntnisse aufgezeigt, dass die Verwendung von zwei Zündkerzen pro Zylinder in Kombination mit einem Einspritzventil mit entsprechenden Düsengruppen mit jeweils drei Düsen zur Erzeugung mehrerer teilweise verschiedener Zonen zur Verbrennung den thermischen Wirkungsgrad um bis zu 5% für einen wasserstoffbetriebenen Motor erhöhen können. Obgleich Ausführungsformen, die eine Einzelzündkerze und zwei Mehrdüsengruppen mit jeweils drei Düsen verwenden, den Gesamtwirkungsgrad verbessern, gewährleistet die Verwendung von Doppelzündkerzen eine bessere Verbrennungsstabilität und erleichtert eine flexiblere Einspritzsteuerung, was zu zusätzlichen Wirkungsgradvorteilen beiträgt. Darüber hinaus weisen verschiedene Ausführungsformen eine verbesserte Verbrennungsgeschwindigkeit von 10–90% auf, wobei die Verbrennungszeit um 10–15 Kurbelwinkelgrad im gesamten Motorbetriebsbereich verringert wird.
Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale von der vorliegenden Offenbarung zugeordneten Ausführungsformen gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das die Funktionsweise eines mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Motors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 ist eine Unteransicht eines Zylinderkopfs, die die Positionierung des Einspritzventils und der Zündkerze für eine Ausführungsform mit Doppelzündkerze und vier Ventilen pro Zylinder eines mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3A–3C zeigen ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff mit zwei Düsengruppen für einen Gasmotor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
4A–4F zeigen die Verteilung von gasförmigem Kraftstoff in teilweise verschiedene Zonen zur Verbrennung, die durch ein Einspritzventil mit gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angeordneten Düsen erzeugt werden;
5 zeigt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der NOx-Erzeugung für eine Ausführungsform eines Gasmotors mit einer Einzelzündkerze pro Zylinder gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
6 und 7 vergleichen den Verbrennungswirkungsgrad und die Stabilität für Implementierungen eines Gasmotors mit einer Einzelkerze pro Zylinder und Doppelkerze pro Zylinder gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
8 zeigt die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der NOx-Erzeugung für eine Ausführungsform eines Gasmotors mit Doppelzündkerze pro Zylinder gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und
9 zeigt die Funktionsweise eines Systems oder Verfahrens zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie verlangt, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, welche in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Deshalb sollen spezielle strukturelle und funktionale Einzelheiten, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine veranschaulichende Basis, um einem Fachmann die verschiedenartigen Verwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Für den Durchschnittsfachmann ist offensichtlich, dass verschiedene Merkmale der unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt werden, um Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen liefern Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen. Es können jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
1 zeigt allgemein bei 10 eine beispielhafte Ausführungsform eines Zylinders in einem Motorblock 110 eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Mehrzylindermotors mit Einlass- und Auslasswegen, die mit dem Zylinder verbunden sind, und eine beispielhafte Ausführungsform einer Nockenwelle mit einem variablen Steuermechanismus zur Steuerung der Ventile des Zylinders. Es versteht sich, dass die Konfiguration des Motors 10 rein beispielhaft ist und dass die hier beschriebenen Systeme und Verfahren in irgendeinem anderen geeigneten Motor implementiert werden können. Des Weiteren kann der Motor über mindestens eine in dem Zylinder positionierte Zündkerze fremdgezündet werden (am besten in den 2 und 4 gezeigt), wobei die Zeitsteuerung dafür mit den Betriebsbedingungen geändert werden kann, wie hier ausführlicher beschrieben.
Weiterhin auf 1 Bezug nehmend, wird der Motor 10 durch ein Steuersystem gesteuert, das eine elektronische Motorsteuerung 12 enthält. Die Brennkammer oder der Zylinder 14 des Motors 10 enthält in der Darstellung Brennkammerwände 16 mit einem darin positionierten Kolben 18, der mit der Kurbelwelle 20 verbunden ist. Die Brennkammer 14 steht in der Darstellung über ausgewählte Durchlässe mindestens eines Einlassventils 26 bzw. mindestens eines Auslassventils 28 mit dem Einlasskrümmer 22 und dem Auslasskrümmer 24 in Verbindung. Das Einspritzventil 30 für gasförmigen Kraftstoff ist mit der Brennkammer 14 gekoppelt und in einer entsprechenden Öffnung des Zylinderkopfs 120 allgemein mittig positioniert, um eingespritzten Kraftstoff proportional zu dem über den herkömmlichen elektronischen Treiber 68 von der Steuerung 12 empfangenen Signal der Kraftstoffimpulsbreite (fpw – fuel pulse width) direkt darin abzugeben.
Kraftstoff wird dem Kraftstoffeinspritzventil 30 durch ein (nicht gezeigtes) System für gasförmigen Kraftstoff zugeführt, das zum Beispiel einen Kraftstoffbehälter, eine oder mehrere Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoff-Verteilerleitung enthalten kann.
Wie unter Bezugnahme auf 2 ausführlicher beschrieben, sind bei einer Ausführungsform eine jedem Zylinder zugeordnete erste und zweite Zündkerze, die eine zugehörige erste und zweite Funkenstrecke aufweisen, näher an der Zylinderwand als am Einspritzventil 30 positioniert. Das Einspritzventil 30 enthält eine jeder Zündkerze/Funkenstrecke zugeordnete Düsengruppe, die in einem empirisch bestimmten Winkel/Abstand positioniert ist, um die Kraftstoffladung zur Verbrennung in eine jeder Zündkerze/Funkenstrecke zugeordnete teilweise verschiedene Zone zu richten.
Der Einlasskrümmer 22 steht in der Darstellung mit einem Drosselkörper 32 in Verbindung, der eine Drosselplatte 34 enthält. In diesem bestimmten Beispiel ist die Drosselplatte 34 mit dem Elektromotor 36 verbunden, so dass die Stellung der Drosselplatte 34 durch die Steuerung 12 über den Elektromotor 36 gesteuert wird. Bei einer (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsform sind der Drosselkörper 32 und die Drosselplatte 34 weggelassen.
In der Darstellung ist ein Abgassensor 38 stromaufwärts einer Nachbehandlungsvorrichtung 40 mit dem Auslasskrümmer 24 gekoppelt. Die Nachbehandlungsvorrichtung 40 kann eine beliebige geeignete Art von Vorrichtung zur Reduzierung von Emissionen von dem Motor 10 umfassen.
Beispiele umfassen Dreiwege- und Vierwege-Katalysatoren, Partikelfilter, Mager-NOx-Fallen usw., sind aber nicht darauf beschränkt. Wie hier unter Bezugnahme auf die 5 und 8 ausführlicher beschrieben, kann die Verwendung eines Einspritzventils für gasförmigen Kraftstoff mit teilweise verschiedenen Verbrennungszonen für jede Zündkerze/Funkenstrecke zugeordnete Düsengruppen in Kombination mit Kraftstoffeinspritz- und Zündzeitpunktsteuerung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu geringeren NOx-Emissionen über einen Großteil des Betriebsbereichs des Motors führen.
In der Darstellung von 1 ist die Steuerung 12 ein herkömmlicher Mikrocomputer, der eine Mikroprozessoreinheit 60, Eingangs-/Ausgangsports (I/O) 62, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte (in diesem bestimmten Beispiel als Nurlesespeicher-Chip 64 (ROM-Chip, ROM – read-only memory) gezeigt), einen Direktzugriffsspeicher 66 (RAM – random-access memory), einen Keep-Alive-Speicher 69 (KAM – keep alive memory) und einen herkömmlichen Datenbus enthält. Die Steuerung 12 empfängt in der Darstellung verschiedene Signale von mit dem Motor 10 gekoppelten Sensoren neben den zuvor besprochenen Signalen, darunter Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF – mass air flow) von dem mit dem Drosselkörper 32 gekoppelten Luftmassensensor 70; Motorkühlmitteltemperatur (ECT – engine coolant temperature) von dem mit einer Kühlhülse 74 gekoppelten Temperatursensor 72; ein Profilzündungsaufnahmesignal (PIP – profile ignition pickup signal) von dem mit der Kurbelwelle 20 gekoppelten Hall-Sensor 76; die Drosselstellung (TP – throttle Position) von dem Drosselstellungssensor 78 und ein Einlasskrümmer-Absolutdrucksignal (MAP-Signal, MAP – manifold absolute pressure) vom Sensor 71.
Der Motor 10 kann so konfiguriert sein, dass er die Fähigkeit zu einer variablen Einlassventil- und Auslassventil-Steuerung hat. Zum Beispiel kann der Motor 10 elektromechanisch betätigte Ventile enthalten, die durch die Steuerung 12 gesteuert werden. Als Alternative dazu kann der Motor 10, wie bei der beispielhaften Ausführungsform von 1 gezeigt, einen Mechanismus zum mechanischen Ändern der Einlassventil- und/oder Auslassventilsteuerzeiten, zum Beispiel durch Einstellen der Steuerzeit einer Nockenwelle, enthalten. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Nockenwelle 90 des Motors 10 mit den Kipphebeln 52 und 54 zur Betätigung des Einlassventils 26 und des Auslassventils 28 in Verbindung gezeigt. Die Nockenwelle 90 ist direkt mit dem Gehäuse 56 gekoppelt. Das Gehäuse 56 bildet ein Zahnrad mit mehreren Zähnen 58. Das Gehäuse 56 ist mit einem (nicht gezeigten) inneren Antriebsglied hydraulisch gekoppelt, wobei das innere Antriebsglied wiederum über eine (nicht gezeigte) Steuerkette mit der Kurbelwelle 20 verbunden ist. Deshalb drehen sich das Gehäuse 56 und die Kurbelwelle 90 mit einer Geschwindigkeit, die im Wesentlichen dem inneren Antriebsglied entspricht. Das innere Antriebsglied dreht sich mit einem konstanten Geschwindigkeitsverhältnis zu Kurbelwelle 20. Durch Betätigung der hydraulischen Kupplung kann jedoch, wie später beschrieben wird, die relative Position der Kurbelwelle 90 zur Kurbelwelle 20 durch Steuerung von Hydraulikdrücken in der Frühverstellkammer 100 und der Spätverstellkammer 102 geändert werden. Indem gestattet wird, dass Hochdruckhydraulikfluid in die Frühverstellkammer 100 eintritt, während Fluid aus der Spätverstellkammer 102 entweichen kann, wird die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 90 und der Kurbelwelle 20 nach früh verstellt. Somit öffnen und schließen sich das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 zu einem früheren Zeitpunkt als normal bezüglich der Kurbelwelle 20. Analog dazu wird durch Gestatten, dass Hochdruckhydraulikfluid in die Spätverstellkammer 102 eintritt, während Fluid aus der Frühverstellkammer 100 entweichen kann, die relative Beziehung zwischen der Nockenwelle 90 und der Kurbelwelle 20 nach spät verstellt. Somit öffnen und schließen sich das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 zu einem späteren Zeitpunkt als normal bezüglich der Kurbelwelle 40.
Die mit dem Gehäuse 56 und der Nockenwelle 90 gekoppelten Zähne 58 gestatten Messung der relativen Nockenstellung über den Nockensteuerungssensor 104, der der Steuerung 12 ein VCT-Signal (VCT – variable camshaft timing/variable Nockenwellensteuerung) zuführt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind vier Zähne (mit den Bezeichnungen 58-1, 58-2, 58-3 und 58-4) zur Messung der Nockensteuerzeit vorgesehen und sind gleichmäßig beabstandet (zum Beispiel in einem Abstand von 90 Grad voneinander), während der sich auf einem anderen Abstand befindende Zahn 58-5 zur Zylinderidentifikation verwendet werden kann.
Darüber hinaus sendet die Steuerung 12 Steuersignale zu herkömmlichen (nicht gezeigten) Solenoidventilen, um den Hydraulikfluidstrom entweder in die Frühverstellkammer 100, die Spätverstellkammer 102 oder keine von beiden zu steuern.
Es versteht sich, dass 1 lediglich einen Zylinder eines Mehrzylindermotors zeigt und dass jeder Zylinder seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, seine eigene(n) Zündkerze(n), sein eigenes Kraftstoffeinspritzventil usw. hat.
Weiterhin versteht sich, dass der dargestellte Motor 10 nur als Beispiel gezeigt wird und dass die hier beschriebenen Systeme und Verfahren in irgendeinem anderen geeigneten Motor mit irgendwelchen geeigneten Komponenten und/oder einer Anordnung von Komponenten, die mit gasförmigem Kraftstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, verdichtetes Erdgas (CNG – compressed natural gas), Propan usw., betrieben werden können, implementiert werden oder darauf angewandt werden können. Zum Beispiel können das Einlassventil 26 und das Auslassventil 28 elektromechanisch betätigt werden, und die Nockenwelle 90 (und verschiedene zugehörige Teile) können weggelassen werden. Ebenso können getrennte Nockenwellen zur Steuerung des Öffnens der Einlassventile 26 und der Auslassventile 28 verwendet werden. Wenn jedes Ventil durch eine getrennte Nockenwelle betätigt wird, kann jede Nockenwelle einen variablen Steuermechanismus, wie zum Beispiel den für die Nockenwelle 90 in 1 gezeigten, enthalten, um eine von der Steuerung des Einlassventils unabhängige Änderung der Auslassventilsteuerung und umgekehrt über ein variables Nockensteuerungssystem zu gestatten.
Im Betrieb wird Luft durch den Einlass 22 in den Zylinder 14 eingeleitet und mit gasförmigem Kraftstoff vermischt. Die Steuerung 12 betätigt das Einspritzventil 30 dahingehend, den gasförmigen Kraftstoff durch das mittig positionierte Einspritzventil 30, das die mehreren Düsengruppen enthält (am besten in den 3A–3C dargestellt), direkt in jeden Zylinder 14 einzuspritzen, wobei jede Gruppe einer von mindestens zwei Zündkerzen (2) zugeordnet ist, die näher an der Zylinderwand 16 als am Einspritzventil 30 positioniert sind und den gasförmigen Kraftstoff zu einer zugehörigen Funkenstrecke der Zündkerze in dem Zylinder 14 richten. Die Steuerung 12 verwendet zugehörige Steuersystemsensoren und Aktoren zur Betätigung jeder Zündkerze und jedes Einspritzventils 30 zwecks direkter Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs zu dem Zylinder 14 und Einleitung von Verbrennung, wobei die Kraftstoffeinspritzungs- und Zündzeitpunktsteuerung als Reaktion auf die Istmotor- und Umgebungsbetriebsbedingungen bestimmt werden.
Bei einer Ausführungsform steuert die Steuerung 12 das Einspritzventil 30 über einen gesamten Betriebsbereich des Motors zum Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff, der im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht, um ein Einspritzende (EOI) bereitzustellen, das nur zwischen ca. 15–85 Grad nach dem oberen Totpunkt (NOT) liegt.
Mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Mehrzylindermotoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können, wie gezeigt, durch einen selbstansaugenden Motor implementiert werden oder können verschiedene Aufladungsarten enthalten. Zum Beispiel kann der Motor 10 einen Abgasturbolader, einen Auflader oder eine ähnliche Vorrichtung enthalten. Es können verschiedene Arten von Turboladern oder Aufladern alleine oder in Kombination verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Turbolader mit verstellbarer Geometrie (VGT – variable geometry turbocharger) verwendet werden, bei dem die Geometrie der Turbine und/oder des Kompressors bei Motorbetrieb geändert werden kann. Als Alternative oder zusätzlich dazu kann ein Turbolader mit verstellbarer Düse (VNT – variable nozzle turbocharger) mit einer verstellbaren Düse, die stromaufwärts und/oder stromabwärts der Turbine in dem Auslass platziert ist, verwendet werden, um die effektive Expansion von Gasen durch die Turbine zu ändern. Ebenso können bei einigen Anwendungen und Implementierungen eine Doppelturboladeranordnung und/oder eine sequentielle Turboladeranordnung verwendet werden. Wie für den Durchschnittsfachmann auf der Hand liegt, sind das System und Verfahren zur Steuerung der Einspritzung und Zündung von gasförmigem Kraftstoff gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung von der bestimmten Art von Einlasssystem allgemein unabhängig und können zur Verwendung bei den verschiedensten Motortechnologien ausgeführt werden.
Nunmehr auf 2 Bezug nehmend, wird eine Unteransicht eines Zylinderkopfs, die die Positionierung des Einspritzventils und der Zündkerze für eine Ausführungsform mit Doppelzündkerze und vier Ventilen pro Zylinder eines mit einem gasförmigen Kraftstoff betreibbaren Motors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt, gezeigt. Der Zylinderkopf 120 enthält einen Einlasskanal und einen Auslasskanal für jeden Zylinder, die mit Durchlässen für das erste und das zweite Einlassventil 26-1 und 26-2 bzw. das erste und das zweite Auslassventil 28-1 und 28-2 in Verbindung stehen. Eine erste Zündkerze 210 enthält eine erste Funkenstrecke 212 und eine zweite Zündkerze 220 enthält eine zweite Funkenstrecke 222. Die Zündkerzen 210, 220 erstrecken sich durch entsprechende Öffnungen im Zylinderkopf 120 in die Brennkammer oder den Zylinder 14 und sind allgemein nahe oder neben der Zylinderwand 16 positioniert. Bei einer Ausführungsform weisen durch die Zylinderwand 16 definierte Zylinderbohrungen einen Durchmesser von ca. 89 mm mit durch 71 mm getrennten Zündkerzenelektroden für die Zündkerzen 210, 220 auf. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Zündkerzen 210, 220 näher am Einspritzventil 30, aber näher zu der Zylinderwand 16 als an der Einspritzventilöffnung 230 (und einem zugehörigen Einlassventil, wenn installiert) positioniert. Bei einer Ausführungsform sind die Zündkerzen 210, 220 entlang einer gemeinsamen Zylinderquerachse 240 mit einer mittig positionierten Einlassventilöffnung 230 ausgerichtet. Wie dargestellt, erstreckt sich die Quer- oder radiale Zylinderachse 240 zwischen den Einlassventilen 26-1, 26-2 (und zugehörigen Einlassventildurchlässen) und Auslassventilen 28-1 und 28-2 (und zugehörigen Auslassventilöffnungen). Somit sind die Zündkerzen 210, 220 im Zylinderkopf 120 zwischen den Einlass- und Auslasskanälen, die den Einlassventilen 26-1, 26-2 bzw. Auslassventilen 28-1, 28-2 zugeordnet sind, neben der Zylinderwand 16 positioniert.
Die 3A–3C zeigen ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Im Gegensatz zu verschiedenen herkömmlichen oder traditionellen Einspritzventilen, die Düsenmuster haben, in denen die Düsen allgemein gleichmäßig um den Umfang der Düsenspitze herum und symmetrisch um die Einspritzventilachse herum beabstandet sind, enthält ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Düsengruppen, die jeweils zum Richten von gasförmigem Kraftstoff zu nur einer entsprechenden Funkenstrecke angeordnet sind. 3A ist eine Seitenansicht des Einspritzventils 30, 3B ist eine Endansicht des Einspritzventils 30 und 3C ist ein Teilquerschnitt der Einspritzventilspitze 300 von 3B. Wie in den 3A–3C gezeigt, enthält das Einspritzventil 30 mindestens eine Düse, die bei Installation in der Einspritzventilöffnung 230 (2) einer entsprechenden Zündkerze/Funkenstrecke zugeordnet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält die Einspritzventilspitze 300 eine erste Düsengruppe 310, die drei Düsen 312, 314 und 316 enthält, und eine zweite Düsengruppe 320, die drei Düsen 322, 324 und 326 enthält. Die erste Düsengruppe 310 richtet gasförmigen Kraftstoff nur zu einer ersten Zündkerze/Funkenstrecke 210/212 (2), und die zweite Düsengruppe 320 richtet gasförmigen Kraftstoff nur zu einer zweiten Zündkerze/Funkenstrecke 220/222, um teilweise verschiedene Zonen zur Verbrennung zu bilden, wie unter Bezugnahme auf die 4A–4F näher dargestellt und beschrieben.
Bei einer Ausführungsform enthalten die Düsengruppen 310, 320 jeweils drei (3) Düsen, die auf Grundlage von Computermodellierung und empirischen Daten zur Bereitstellung eines gewünschten Kraftstoffsprühnebels für die Ausführung des Kraftstoffeinspritzventils 30 mit ausgerichteter Ladung positioniert sind. Die Gruppe 310 enthält eine mittlere Düse 316, die durch einen radialen Winkel 340 von ca. 14 Grad von jeder benachbarten Düse 312, 314 getrennt ist, um einen zu einer entsprechenden Zündkerze/Funkenstrecke gerichteten Kraftstoffstrahl bereitzustellen, der ca. 28 Radialgrad bezüglich der mittleren Einspritzventilachse überspannt. Analog dazu enthält die Gruppe 320 eine mittlere Düse 322, die durch einen radialen Winkel von ca. 14 Grad von benachbarten Düsen 324, 326 getrennt ist, um einen zu einer entsprechenden Zündkerze/Funkenstrecke gerichteten Kraftstoffstrahl bereitzustellen, der ca. 28 Radialgrad bezüglich der mittleren Einspritzventilachse überspannt. Somit ist die Gruppe 310 bei dieser Ausführungsform durch ca. 150 Radialgrad von der Gruppe 320 getrennt, um mehrere teilweise verschiedene Zonen zu erzeugen, die jeder Zündkerze zur Verbrennung zugeordnet sind. Natürlich kann die radiale Spanne oder der radiale Winkel der ausgerichteten Ladung in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung und Implementierung variieren. Empirische und Computermodellierungsdaten für einen Prototyp legen eine Spanne von zwischen ca. 5 und ca. 78 Grad nahe, wodurch ein akzeptables Gleichgewicht zwischen Kraftstoffverbrauch und NOx-Emissionen für einen Motorkraftstoff, der im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht, bereitgestellt wird.
Der Teilquerschnitt der Einspritzventilspitze 300 in 3C zeigt die Positionierung der Düsen 312, 314, 316 und 322, 324, 326 bezüglich einer Einspritzventilachse oder bezüglich eines Deckels des Zylinders. Bei einer Ausführungsform bilden die Düsen 312, 314, 324 und 326 einen axialen Winkel 350 von ca. 70 Grad, während die Düsen 322 und 316 einen (nicht speziell dargestellten) axialen Winkel von ca. 45 Grad bilden. Natürlich kann der komplementäre Winkel von dem Zylinderdach bzw. Zylinderdeckel des Zylinders gemessen werden. Ähnlich wie die radiale Spanne kann die axiale Spanne in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung und Implementierung variieren. Empirische und Computermodellierungsdaten für einen Prototyp legen jedoch eine Spanne von zwischen ca. 17 und ca. 62 Grad bezüglich des Deckels des Zylinders (oder zwischen ca. 28 Grad und ca. 73 Grad bezüglich der Einspritzventilachse) nahe, wodurch ein akzeptables Gleichgewicht zwischen Kraftstoffverbrauch und NOx-Emissionen für einen Motorkraftstoff, der im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht, bereitgestellt wird.
Die 4A–4F zeigen die erwartete oder vorhergesagte Verteilung von gasförmigem Kraftstoff in teilweise verschiedene Zonen zur Verbrennung, die durch ein Einspritzventil mit gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angeordneten Düsen erzeugt werden. Die 4A und 4C stellen kolbenseitige Ansichten während einer ersten bzw. zweiten Zeitdauer des Verbrennungszyklus um den oberen Totpunkt bereit, während sich der Kolben 18 während des Verdichtungshubs nach oben bewegt und beginnt, sich während des Arbeitshubs nach unten zu bewegen. Die 4B und 4D stellen entsprechende Kolbenvorderansichten für die erste und zweite Zeitdauer bereit. Die erste Zeitdauer, die durch die 4A und 4B dargestellt wird, entspricht der erwarteten Kraftstoffposition während und unmittelbar nach der Kraftstoffeinspritzung, während die durch die 4C und 4D dargestellte zweite Zeitdauer der erwarteten Kraftstoffposition während der Zündung entspricht.
Wie in 4A dargestellt, wird die erste und die zweite Düsengruppe durchströmender gasförmiger Kraftstoff gezielt auf die Funkenstrecken und die Zylinderwand 16, die die Strahlen 410 und 412 bilden, ausgerichtet. Die Zylinderwand 16 führt die Kraftstoffstrahlen 410, 412 zu dem Kolben 18, der Kraftstoff in die Mitte der Kammer 14 ablenkt. Die Seitenansicht von 4B stellt relativ schmale Kraftstoffstrahlen dar, die durch jede Düsengruppe gebildet wird, wobei jede Gruppe Kraftstoff nur zu einer entsprechenden Funkenstrecke nahe der Zylinderwand 16 richtet.
Die 4C und 4D zeigen, dass der Kraftstoff in einer Zone 416 mit starker Verbrennung und einer Zone 418 mit geringer Verbrennung kurz vor und während der Zündung gut vermischt wird. Die Zone 418 mit geringer Verbrennung wirkt als eine Isolierschicht zur Reduzierung der Wärmeübertragung auf die Zylinderwand 16 und zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads unter Reduzierung der NOx-Bildung. Es können Zündkerzen in dem Zylinder 14 positioniert sein, so dass sich die Funkenstrecken in der Zone mit geringer Verbrennung knapp außerhalb der Zone mit hoher Verbrennung befinden, um die Verbrennungsrate und die zugehörige NOx-Bildung besser zu verwalten, wie unter Bezugnahme auf 7 ausführlicher dargestellt und beschrieben.
4E stellt eine Kolbenseitenansicht dar und 4F stellt eine Unteransicht (im Zylinder) des Ausrichtungsziels des gasförmigen Kraftstoffs für optimierte Verbrennung dar. Wie in 4E dargestellt, erzeugen die erste und die zweite Düsengruppe entsprechende Strahlen 410 und 412, die einen Winkel 450 von zwischen ca. 17 Grad und ca. 62 Grad bezüglich des Deckels des Zylinders 14 überspannen. Wie in 4F dargestellt, enthält das Einspritzventil 30 eine erste und eine zweite Düsengruppe zur Erzeugung des entsprechenden ersten und zweiten Kraftstoffstrahls 410, 412, die einen radialen Winkel 460 von zwischen ca. 5 Grad und ca. 78 Grad für jede Gruppe überspannen.
5 zeigt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der NOx-Erzeugung für eine Ausführungsform eines Gasmotors mit einer Einzelzündkerze pro Zylinder gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Daten von 5 wurden für einen mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motor, der aus im Wesentlichen Wasserstoff bestehenden Kraftstoff verwendet, erzeugt.
Das Diagramm zeigt Kraftstoffverbrauch und NOx als eine Funktion des Einspritzzeitpunkts bei einer Motordrehzahl von 3000 U/min und einem Äquivalenzverhältnis (Phi) von 0,4. Die Daten von 5 vergleichen die Leistung eines ausgerichteten Einspritzventils mit zwei Düsengruppen von jeweils drei Düsen und einer Einzelkerze pro Zylinder mit einer herkömmlichen Einspritzventilausführung mit 5 Düsen, die bei Implementierungen mit einer Einzelkerze pro Zylinder und Doppelkerze pro Zylinder allgemein gleichmäßig um den Umfang des Einspritzventils herum beabstandet sind. Die Linien 510 und 512 stellen NOx bzw. den momentanen spezifischen Kraftstoffverbrauch (ISFC – instantaneous specific fuel consumption) für eine Implementierung mit 5-Düsen-Einspritzventil und Doppelkerze pro Zylinder dar. Die Linien 514 und 516 stellen NOx bzw. ISFC für eine Implementierung mit ausgerichtetem Einspritzventil (2 Gruppen mit jeweils 3 Düsen) und Einzelkerze pro Zylinder dar. Die Linien 518, 520 stellen NOx bzw. ISFC für eine Implementierung mit einem 5-Düsen Einspritzventil und Einzelkerze pro Zylinder dar. Wie in 5 dargestellt, ist das ausgerichtete Einspritzventil (Linien 514, 516) mit Einzelkerze pro Zylinder herkömmlichen Einspritzventilausführungen mit entweder Einzelkerze pro Zylinder oder Doppelkerze pro Zylinderkonfiguration überlegen.
6 und 7 vergleichen den Verbrennungswirkungsgrad und die Stabilität für Implementierungen eines Gasmotors mit einer Einzelkerze pro Zylinder und Doppelkerze pro Zylinder gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 6 zeigt das Einspritzende (EOI) als eine Funktion des momentanen Krümmereffektivdrucks (IMEP – instantaneous manifold effective pressure) für eine Implementierung mit Einzelkerze pro Zylinder, wie durch Linie 610 dargestellt, im Vergleich zu einer Implementierung mit einer Doppelkerze pro Zylinder, wie durch Linie 620 dargestellt. 7 zeigt die Verbrennungszeit (oder -rate) als eine Funktion von IMEP für eine Implementierung mit Einzelkerze pro Zylinder, wie durch Linie 710 dargestellt, und eine Implementierung mit Doppelkerze pro Zylinder, wie durch Block 710 dargestellt.
Wie in den 6 und 7 allgemein dargestellt, ist die Einspritzsteuerung bei der durch Linie 620 dargestellten Implementierung mit Doppelkerze pro Zylinder flexibler, wobei der Verbrennungsstabilitätsbereich um 20–30 Kurbelgrad, was eine effizientere Einspritzsteuerung erleichtert. Analog dazu verbessert sich die Verbrennungsrate um 10–90% mit um 10–15 Kurbelgrad verringerter Verbrennungszeit über den gesamten Betriebsbereich.
8 zeigt die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der NOx-Erzeugung für eine Ausführungsform eines Gasmotors mit Doppelzündkerze pro Zylinder und ausgerichtetem Einspritzventil gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die repräsentativen Daten von 8 vergleichen Kraftstoffverbrauch und NOx-Erzeugung für herkömmliche 5-Düsen-Einspritzventile mit Düsen, die allgemein gleichmäßig um den Einspritzventilumfang herum beabstandet sind, mit einem ausgerichteten Einspritzventil, das zwei Gruppen mit jeweils drei Düsen aufweist, wobei die Gruppen durch ca. 150 Radialgrad für Implementierungen mit Einzelkerze pro Zylinder und Doppelkerze pro Zylinder getrennt sind. 8 stellt eine Einspritzsteuerungsabtastung bereit, die Kraftstoffverbrauch (ISFC) und NOx-Erzeugung als eine Funktion des Einspritzendes (EOI), gemessen in Kurbelgrad, nach dem oberen Totpunkt (NOT) bei einer Motordrehzahl von 3000 U/min und einem Äquivalenzverhältnis (Phi) von 0,4 darstellt. Die Linien 810 und 812 stellen NOx-Erzeugung bzw. Kraftstoffverbrauch für eine Implementierung mit 5-Düsen-Doppelkerze dar. Die Linien 814 und 816 stellen NOx-Erzeugung bzw. Kraftstoffverbrauch für eine Implementierung mit ausgerichtetem Einspritzventil und Doppelkerze pro Zylinder gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die Linien 818 und 820 stellen No_x-Erzeugung bzw. Kraftstoffverbrauch für eine Implementierung mit ausgerichtetem Einspritzventil und Einzelkerze pro Zylinder dar. Die Linien 822 und 824 stellen NOx-Erzeugung bzw. Kraftstoffverbrauch für eine Implementierung mit 5-Düsen-Einspritzventil und Einzelkerze pro Zylinder dar.
Wie in 8 dargestellt, verbessert (reduziert) die Synergie eines ausgerichteten Einspritzventils mit Düsengruppen zum Ausrichten des gasförmigen Kraftstoffs zu entsprechenden Funkenstrecken bei einer Implementierung mit Doppelkerze pro Zylinder, wie durch die Linien 814 und 816 dargestellt, den Kraftstoffverbrauch und die Erzeugung von NOx, insbesondere bei einer Einspritzsteuerung von zwischen ca. 55 Grad NOT bis ca. 70 Grad NOT. Bei Projektion auf Vollsystembetrieb führt dieses Verbrennungssystem zu einem sehr effizienten Kraftfahrzeugmotor mit einem projizierten thermischen Wirkungsgrad (BTE – brake thermal efficiency) von bis zu 48%, was eine Verbesserung von 5% gegenüber aktuellen in der Entwicklung stehenden Systemen bedeutet. Natürlich kann der erhältliche Ist-BTE in Abhängigkeit von den verschiedensten Motor-, Fahrzeug- und Umgebungsbetriebsbedingungen variieren.
9 zeigt die Funktionsweise eines Systems oder Verfahrens zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier dargestellten und beschriebenen Steuerungs- und Schätzungsroutinen mit verschiedenen Motorkonfigurationen, wie zum Beispiel die oben beschriebenen, verwendet werden können. Die hier beschriebene bestimmte Routine kann eine oder mehrere einer Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie zum Beispiel ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Somit können verschiedene dargestellte Schritte oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge oder parallel durchgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Ebenso muss die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwangsweise die Merkmale und Vorteile der beispielhaften Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, erreichen, sondern ist zur besseren Veranschaulichung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen kann/können in Abhängigkeit von der verwendeten bestimmten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Des Weiteren können die beschriebenen Schritte einen in das computerlesbare Speichermedium in der Steuerung 12 zu programmierenden Code graphisch darstellen.
Block 910 von 9 stellt die Überwachung aktueller Motor- (und/oder Fahrzeug-) und Umgebungsbetriebsbedingungen dar. Die Betriebsbedingungen können verschiedene Temperaturen, Fahreranforderungen, Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit, Last usw., wie durch entsprechende Sensoren bestimmt oder durch eine oder mehrere Steuerungen, wie zum Beispiel die Steuerung 12, berechnet oder abgeleitet, umfassen. Dann werden die Einspritz- und Zündzeitpunktsteuerung als Reaktion auf die aktuellen Betriebsbedingungen bestimmt, wie durch Block 920 dargestellt. Einspritz- und Zündzeitpunktsteuerung können zum Beispiel unter Verwendung entsprechender Berechnungen und/oder Nachschlagetabellen, auf die durch einen oder mehrere Betriebsparameter, wie zum Beispiel Motordrehzahl und -last, zugegriffen werden kann, bestimmt werden. Block 930 stellt das direkte Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff in jeden Zylinder durch ein mittig positioniertes Einspritzventil mit mehreren Düsengruppen zu jeweiligen oder entsprechenden Funkenstrecken zur Bildung von teilweise verschiedenen Verbrennungszonen dar, wie zuvor beschrieben. Dann erzeugt die Steuerung 12 ein Signal zum Einleiten von Zündung, wie durch Block 940 dargestellt.
Wie unter Bezugnahme auf die 1–9 dargestellt und beschrieben, bieten verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung damit verbundene Vorteile, wie zum Beispiel Steuerung der Kraftstoffkonzentration und -verteilung zum Ausgleichen von Kompromissen zwischen Emissionen, Wärmeübertragung auf die Zylinderwände und Gesamtwirkungsgrad des Motors.
Empirische Erkenntnisse haben aufgezeigt, dass die Verwendung von zwei Zündkerzen pro Zylinder in Kombination mit einem Einspritzventil mit entsprechenden Düsengruppen mit jeweils drei Düsen zur Erzeugung mehrerer teilweise verschiedener Zonen zur Verbrennung den thermischen Wirkungsgrad um bis zu 5% für einen wasserstoffbetriebenen Motor erhöhen können. Strategien gemäß der vorliegenden Offenbarung können jedoch mit einem schmalen Bereich von Konstruktionsmerkmalen realisiert werden. Obgleich Ausführungsformen mit einer Einzelzündkerze und zwei Mehrdüsengruppen mit jeweils drei Düsen den Gesamtwirkungsgrad verbessern, gewährleistet die Verwendung von Doppelzündkerzen eine bessere Verbrennungsstabilität und erleichtert eine flexiblere Einspritzsteuerung, was zu zusätzlichen Wirkungsgradvorteilen beiträgt.
Darüber hinaus weisen verschiedene Ausführungsformen eine verbesserte Verbrennungsgeschwindigkeit von 10–90% auf, wobei die Verbrennungszeit um 10–15 Kurbelwinkelgrad im gesamten Motorbetriebsbereich verringert wird.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines mit gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Motors, das Folgendes umfasst: direktes Einspritzen des gasförmigen Kraftstoffs in jeden Zylinder durch ein mittig positioniertes Einspritzventil mit mehreren Düsengruppen, wobei jede Gruppe einer von mindestens zwei Zündkerzen zugeordnet ist, die näher zu einer Zylinderwand positioniert sind als zu dem Einspritzventil, wobei jede Gruppe den gasförmigen Kraftstoff zu einer zugehörigen Funkenstrecke der Zündkerze richtet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Düsengruppe drei Düsen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gasförmige Kraftstoff Wasserstoff umfasst, wobei jeder Zylinder zwei Zündkerzen enthält, wobei die mehreren Düsengruppen zwei Gruppen enthalten und die Düsengruppen durch ca. 150 Radialgrad getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einspritzung Einspritzen von gasförmigem Wasserstoff durch die Düsengruppen in einem Winkel von zwischen ca. 17 Grad und ca. 62 Grad bezüglich einer Oberseite des Zylinders umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einspritzung Einspritzen von gasförmigem Wasserstoff durch die Düsengruppen in einem radialen Winkel von zwischen ca. 5 und ca. 78 Grad für jede Gruppe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor einen Zylinderkopf mit einem Einlasskanal und einem Auslasskanal für jeden Zylinder enthält und wobei die Zündkerzen im Zylinderkopf zwischen dem Einlass- und Auslasskanal neben einer Zylinderwand positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor einen Zylinderkopf mit zwei Einlassventildurchlässen und zwei Auslassventildurchlässen für jeden Zylinder enthält und wobei die Zündkerzen und das Einspritzventil im Zylinderkopf entlang einer gemeinsamen Zylinderachse, die zwischen dem Einlass- und dem Auslassventildurchlass verläuft, positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein gesamter Betriebsbereich des Motors Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff zur Bereitstellung eines Einspritzendes nur zwischen ca. 15 Grad und ca. 85 Grad nach dem oberen Totpunkt (NOT) umfasst.
Motor mit Zylindern, die gasförmigen Kraftstoff verbrennen können, der Folgendes umfasst: mindestens eine Zündkerze pro Zylinder; ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff, das sich in jeden Zylinder erstreckt und mindestens eine Düsengruppe aufweist, die mehrere Düsen enthält, die zum Richten von gasförmigem Kraftstoff nur zu einer Funkenstrecke einer zugehörigen Zündkerze positioniert sind; und ein Steuersystem, das jede Zündkerze und jedes Einspritzventil dazu betreibt, gasförmigen Kraftstoff direkt dem Zylinder zuzuführen und Verbrennung einzuleiten
Motor nach Anspruch 9, wobei das Steuersystem Einspritzung zum Einspritzen von gasförmigem Wasserstoff mit einem Einspritzende, das zwischen ca. 15 und 85 Grad nach dem oberen Totpunkt (NOT) liegt, steuert.
Motor nach Anspruch 9, wobei der gasförmige Kraftstoff Wasserstoff umfasst, die mindestens eine Zündkerze pro Zylinder zwei Zündkerzen pro Zylinder umfasst und jede Gruppe drei Düsen enthält.
Motor nach Anspruch 11, wobei eine erste Düsengruppe durch ca. 150 Radialgrad von einer zweiten Düsengruppe getrennt ist.
Motor nach Anspruch 9, wobei jede Gruppe drei Düsen enthält, die dazu angeordnet sind, gasförmigen Kraftstoff in einem Radialbereich von zwischen ca. 5 und 78 Grad einzuspritzen.
Motor nach Anspruch 13, wobei jede Gruppe drei Düsen enthält, die dazu angeordnet sind, gasförmigen Kraftstoff in einem Bereich von zwischen ca. 17 und 62 Grad bezüglich eines Zylinderdachs einzuspritzen.
Motor nach Anspruch 9, der weiterhin einen Zylinderkopf mit zwei Einlassventildurchlässen und zwei Auslassventildurchlässen für jeden Zylinder umfasst und wobei die mindestens eine Zündkerze und das Einspritzventil für jeden Zylinder in dem Zylinderkopf entlang einer gemeinsamen Zylinderachse, die zwischen dem Einlass- und dem Auslassventildurchlass verläuft, positioniert sind.
Motor nach Anspruch 9, wobei der gasförmige Kraftstoff im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht und wobei der Motor zwei Zündkerzen pro Zylinder enthält und wobei jede Düsengruppe gasförmigen Wasserstoff in eine Verbrennungszone, die einer Zündkerzenfunkenstrecke von nur einer der Zündkerzen entspricht, einspritzt.
Motor nach Anspruch 9, wobei jedes Einlassventil für gasförmigen Kraftstoff mittig in einem entsprechenden Zylinder angebracht ist.
Motor nach Anspruch 17, wobei jede Zündkerze neben einer Zylinderwand außerhalb einer durch eine mittlere Achse eines Einlassventils und eines Auslassventils verlaufenden Ventilachse angebracht ist.
Motor, der gasförmigen Kraftstoff verbrennen kann, der Folgendes umfasst: einen Motorblock mit mehreren Zylindern; mindestens einen Zylinderkopf, der eine mittig positionierte Einspritzventilöffnung, radial außen liegende Zündkerzenöffnungen bezüglich der Einspritzventilöffnung, zwei Einlassventildurchlässe und zwei Auslassventildurchlässe für jeden zugehörigen Zylinder aufweist; eine erste und eine zweite Zündkerze, die jedem Zylinder zugeordnet sind und eine zugehörige erste bzw. zweite Funkenstrecke aufweisen; ein Einspritzventil für gasförmigen Kraftstoff für jeden Zylinder, das sich durch eine zugehörige Einspritzventilöffnung in den Zylinder erstreckt, wobei das Einspritzventil eine erste Düsengruppe, die zum Richten von gasförmigem Kraftstoff zu der ersten Funkenstrecke positioniert ist, und eine zweite Düsengruppe, die zum Richten von gasförmigem Kraftstoff zu der zweiten Funkenstrecke positioniert ist, enthält; und eine mit den Einspritzventilen und den Zündkerzen in Verbindung stehende Steuerung, die Einspritzsignale zum Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff in jeweilige Zylinder und Zündzeitpunktsteuersignale zum Zünden des gasförmigen Kraftstoffs erzeugt.
Motor nach Anspruch 19, wobei die erste und die zweite Gruppe von Düsen jeweils drei Düsen enthalten, wobei jede Düse, einen Radialbereich von zwischen ca. 5 und 78 Grad und einen Axialbereich von zwischen ca. 17 und 62 Grad überspannend, Kraftstoff spritzt.