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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Schichtladungsmotoren und spezieller Aufladesysteme für Schichtladungsmotoren.
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HINTERGRUND
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In Schichtladungsmotoren wird Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eingespritzt, unmittelbar bevor der Kraftstoff durch eine Zündkerze gezündet wird. Typischerweise weist ein Schichtladungsmotor eine Einspritzeinrichtung auf, die in der Verbrennungskammer angeordnet ist, um den Kraftstoff benachbart zu der Zündkerze einzuspritzen. Dies ermöglicht höhere Kompressionsverhältnisse ohne eine Frühzündung oder ein ”Klopfen” und magerere Luft/Kraftstoff-Gemische als bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
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Da bis zu dem Punkt des Verbrennungsbeginns kein Kraftstoff in der Verbrennungskammer vorhanden ist, besteht ein verringertes Risiko einer Frühzündung oder eines Motorklopfens. Der Motor kann auch mit einem viel magereren gesamten Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeiten, da die geschichtete Ladung ein fetteres Luft/Kraftstoff-Gemisch benachbart zu der Zündkerze und ansonsten in der Kammer ein magereres Luft/Kraftstoff-Gemisch liefert. Dementsprechend ist die geschichtete Ladung im Gegensatz zu Luft/Kraftstoff-Gemischen typischer Funkenzündungsmotoren nicht homogen. Ebenso kann in Schichtladungsmotoren ein höheres mechanisches Kompressionsverhältnis für eine bessere thermodynamische Effizienz verwendet werden.
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In einigen Fällen erfahren Schichtladungsmotoren eine verbesserte Effizienz aufgrund der magereren Luft/Kraftstoff-Gemische und aufgrund verringerter Pumpverluste. Pumpverluste werden durch die Arbeit hervorgerufen, die zum Bewegen von Luft in die Zylinder und aus diesen erforderlich ist, wobei die Verluste mit der Motordrehzahl zunehmen. Die Pumpverluste werden im Drosselbetrieb mit abnehmender Last signifikant erhöht. Schichtladungsmotoren können eine verbesserte Effizienz lediglich in einem begrenzten Lastbereich zeigen, da der Motor aufgrund einer erhöhten Menge an Luft und Abgas, die in dem Verbrennungsprozess erforderlich ist, bei geringeren Lastniveaus Lufteinlassgrenzen erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Schichtladungs-Motorsystem eine Verbrennungskammer in einem Zylinderkopf eines Motors, eine Abgasleitung in fluidtechnischer Verbindung mit der Verbrennungskammer, einen Turbolader in fluidtechnischer Verbindung mit der Verbrennungskammer, eine Strömungssteuereinrichtung, wobei eine Position der Strömungssteuereinrichtung eine Strömung eines Abgases aus der Verbrennungskammer zu dem Turbolader und zu der Abgasleitung steuert, sowie einen Controller, der mit der Strömungssteuereinrichtung gekoppelt ist. Der Controller weist einen ersten Modus, der bewirkt, dass die Strömungssteuereinrichtung basierend darauf eine Strömung des Abgases zu dem Turbolader leitet, dass eine Last des Motors größer als eine Schwellenwertlast ist und dass der Schichtladungsmotor in einem ersten Bereich von Motordrehzahlen arbeitet, wobei die Schwellenwertlast eine Spitzenlast für einen Motorbetrieb in einem selbstsaugenden Modus unter Verwendung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs ist, und einen zweiten Modus auf, der bewirkt, dass die Strömungssteuereinrichtung basierend darauf eine Strömung des Abgases zu der Abgasleitung leitet, dass die Last des Motors geringer als die Schwellenwertlast ist oder dass der Motor in einem zweiten Bereich von Motordrehzahlen arbeitet, die größer als die Motordrehzahlen im ersten Bereich sind, wobei der Turbolader eine vergrößerte Menge an Luft für einen vergrößerten Kraftstoffeinlass an die Verbrennungskammer liefert, um ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch oberhalb der Schwellenwertlast aufrechtzuerhalten, wenn in dem ersten Bereich von Motordrehzahlen gearbeitet wird.
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Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren für eine Turboaufladung eines Schichtladungsmotors, dass in einem turboaufgeladenen Modus ein Abgas basierend darauf aus dem Schichtladungsmotor in einen Turbolader strömt, dass der Schichtladungsmotor eine größere Last als eine Schwellenwertlast aufweist und dass der Schichtladungsmotor in einem ersten Bereich von Motordrehzahlen arbeitet, wobei die Schwellenwertlast eine Spitzenlast für einen Motorbetrieb in einem selbstsaugenden Modus unter Verwendung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs umfasst, und dass durch den Turbolader in dem turboaufgeladenen Modus eine vergrößerte Menge an Luft basierend darauf an eine Verbrennungskammer in dem Schichtladungsmotor geliefert wird, dass der Turbolader das Abgas aufnimmt, wobei die vergrößerte Menge an Luft das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch für eine vergrößerte Menge an Kraftstoff, die an die Verbrennungskammer geliefert wird, im Wesentlichen aufrechterhält. Das Verfahren umfasst auch, dass die Strömung des Abgases in den Turbolader in dem selbstsaugenden Modus basierend darauf begrenzt wird, dass der Schichtladungsmotor eine Last geringer als die Schwellenwertlast aufweist und/oder dass der Schichtladungsmotor in einem zweiten Bereich von Motordrehzahlen arbeitet, wobei der zweite Bereich höher als der erste Bereich liegt.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, von denen:
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1 ein beispielhaftes System mit einem Schichtladungsmotor darstellt, der einen Turbolader, ein Abgassystem und ein Lufteinlasssystem aufweist;
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2 eine Graphik eines Betriebs eines beispielhaften Schichtladungsmotors über verschiedene Motordrehzahlen ist; und
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3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens und Systems für eine Turboaufladung eines Schichtladungsmotors ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die nachfolgende Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass entsprechende Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. Wie hierin verwendet, beziehen sich die Ausdrücke Controller und Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, fest zugeordnet oder als Gruppe) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine Schaltung der Kombinationslogik und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Bei den Ausführungsformen kann ein Controller oder Modul ein oder mehrere Untercontroller oder Untermodule umfassen.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Schichtladungsmotorsystems dargestellt, wobei das System einen Schichtladungsmotor 10 umfasst. Der beispielhafte Schichtladungsmotor ist ein Vier-Zylinder-Reihenverbrennungsmotor, der ein Einlasssystem 12 und ein Auslasssystem 14 aufweist. Der Schichtladungsmotor 10 weist mehrere Zylinder 16 auf, in die eine Kombination von Verbrennungsluft und Kraftstoff eingeleitet wird. Die Zylinder 16 umfassen Verbrennungskammern, die in einem Zylinderkopf des Schichtladungsmotors 10 angeordnet sind. Das Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch wird verbrannt, was darin zu einer Hubbewegung von Kolben (nicht gezeigt) führt. Die Hubbewegung der Kolben dreht eine Kurbelwelle (nicht gezeigt), um eine Antriebsleistung an einen Fahrzeugantriebsstrang (nicht gezeigt) oder an einen Generator oder eine andere stationäre Aufnahmeeinrichtung für eine solche Leistung (nicht gezeigt) in dem Fall einer stationären Anwendung des Schichtladungsmotors 10 zu liefern.
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Der Schichtladungsmotor 10 weist einen Einlasskrümmer 18 auf, der mit den Zylindern 16 in fluidtechnischer Verbindung steht und eine komprimierte Einlassladung von einem Kompressor in dem Einlasssystem 12 aufnimmt und die Ladung an die mehreren Zylinder 16 liefert. Das Abgassystem 14 weist einen Auslasskrümmer 22 auf, der ebenso mit den Zylindern 16 (die auch als ”Verbrennungskammern” bezeichnet werden) in fluidtechnischer Verbindung steht und ausgebildet ist, um die verbrannten Bestandteile der Verbrennungsluft und des Kraftstoffs (d. h. ein Abgas 24) zu entfernen und dieses an einen durch Abgas angetriebenen Turbolader 26 zu liefern, der in fluidtechnischer Verbindung mit diesem angeordnet ist. Der Turbolader 26 weist ein Abgas-Turbinenrad (nicht gezeigt) auf, das in einem Turbinengehäuse untergebracht ist. Das Turbinengehäuse weist einen Einlass 30 und einen Auslass 32 auf. Der Auslass 32 steht mit dem Rest des Abgassystems 14 in fluidtechnischer Verbindung und liefert das Abgas 24 an eine Abgasleitung 34. Die Abgasleitung 34 kann verschiedene Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen, wie beispielsweise einen katalytischen Wandler 50, einen Resonator (nicht gezeigt) oder einen Schalldämpfer (nicht gezeigt). Wie es dargestellt ist, ist der katalytische Wandler 50 ausgebildet, um die verschiedenen geregelten Bestandteile des Abgases 24 zu behandeln, bevor diese an die Atmosphäre abgegeben werden.
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Der Turbolader 26 weist auch ein Einlassladungs-Kompressorrad auf, das in einem Kompressorgehäuse untergebracht ist. Das Kompressorrad (nicht gezeigt) ist über eine Welle mit dem Turbinenrad gekoppelt. Das Kompressorrad weist einen Einlass 38 und einen Auslass 40 auf. Der Auslass 40 steht mit dem Einlasssystem 12 in fluidtechnischer Verbindung und liefert eine komprimierte Einlassladung 20 über eine Lufteinlassladungsleitung 42 an den Einlasskrümmer 18. Die Einlassladung 20 wird durch den Einlasskrümmer 18 auf die Zylinder 16 des Schichtladungsmotors 10 zum Mischen mit Kraftstoff und für eine Verbrennung in diesen verteilt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Kühler 44 für eine komprimierte Einlassladung zwischen dem Auslass 40 des Kompressorgehäuses und dem Einlasskrümmer 18 angeordnet. Der Kühler 44 für die komprimierte Einlassladung nimmt eine (aufgrund der Kompression) aufgeheizte, komprimierte Einlassladung 20 aus der Einlassladungsleitung 42 auf und liefert die Luft (ein Luft-Abgas-Gemisch oder ein anderes Gemisch) nach dem Kühlen der komprimierten Einlassladung 20 in diesem über einen sich anschließenden Abschnitt der Einlassladungsleitung 42 an den Einlasskrümmer 18.
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Ein Abgasrückführungssystem (”AGR”-System) 80 ist bei der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, in fluidtechnischer Verbindung mit dem Auslasssystem 14 angeordnet. Das AGR-System 80 umfasst eine AGR-Zufuhrleitung 82, eine AGR-Einlassleitung 84 und ein AGR-Ventil 85. Bei einer Ausführungsform steht die AGR-Zufuhrleitung 82 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Turbinengehäuse und ist mit diesem gekoppelt. Zusätzlich steht die AGR-Einlassleitung 84 mit dem Kompressorgehäuse in fluidtechnischer Verbindung und ist mit diesem gekoppelt. Die AGR-Zufuhrleitung 82 ist ausgebildet, um einen Teil des Abgases 24 aus der Leitung 34 umzuleiten und diesen über den Turbolader 26 oder die Leitung 42 in das Einlasssystem 12 zu leiten oder zurückzuführen, wobei ein Kompressor-Bypassventil 90 eine Strömungsrichtung für den Anteil des Abgases 24 steuert. Wie es dargestellt ist, steht das AGR-Ventil 85 mit einem Steuermodul, wie beispielsweise einem Motorcontroller 60, in signaltechnischer Verbindung. Das AGR-Ventil 85 stellt die volumetrische Menge des aufgenommenen Abgases, das als zurückgeführtes Abgas 81 in das Einlasssystem 12 umgeleitet wird, zu einer beliebigen gegebenen Zeit basierend auf den speziellen Motorbetriebsbedingungen ein. Der Motorcontroller 60 erfasst Informationen bezüglich des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 von verschiedenen Sensoren (nicht gezeigt), wie beispielsweise die Temperatur (des Einlasssystems, des Auslasssystems, des Motorkühlmittels, der Umgebung usw.), den Druck, Auslasssystembedingungen, eine Fahreranforderung, und es kann infolgedessen die Strömung des Abgases 24 durch das AGR-Ventil 85 einstellen, die mit Frischluft zum Bilden der komprimierten Einlassladung 20 gemischt wird. Infolgedessen kann die komprimierte Einlassladung 20 eine kontinuierlich variable Kombination von Frischluft und Abgas umfassen, was von der durch den Controller 60 angewiesenen Menge an AGR abhängt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Controller 60 mit einer Strömungssteuereinrichtung 92 gekoppelt, wie beispielsweise mit einem Ventil, das eine Strömung des Abgases 24 in die Leitung 34 und in den Turbolader 26 steuert. Wenn sich die Strömungssteuereinrichtung 92 beispielsweise in einer geschlossenen Position befindet, wird die Strömung des Abgases 24 in die Leitung 34 im Wesentlichen beschränkt, und die Strömung des Abgases 24 wird in den Turbolader geleitet. Gemäß einer Ausführungsform wird das Abgas 24 dann, wenn sich die Strömungssteuereinrichtung 92 in einer offenen Position befindet, derart geleitet, dass es durch die Leitung 34 strömt, und die Strömung des Abgases 24, die durch den Turbolader 26 strömt, wird eingeschränkt. Gemäß einer Ausführungsform liefert die offene Strömungssteuereinrichtung 24 einen Strömungsweg durch die Leitung 34, der einen geringeren Strömungswiderstand als der Turbolader aufweist (der ein Turbinenrad enthält, das durch die Abgasströmung gedreht wird), wodurch das Abgas 24 derart geleitet wird, dass es in die Leitung 34 strömt.
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Ausführungsformen umfassen ein Verfahren für eine Turboaufladung des Schichtladungsmotors 10, bei dem das Abgas 24 basierend darauf in den Turbolader 26 strömt, dass der Schichtladungsmotor 10 eine größere Last als eine Schwellenwertlast aufweist und dass der Schichtladungsmotor 10 in einem ersten Bereich von Motordrehzahlen arbeitet. Gemäß einer Ausführungsform ist die Schwellenwertlast eine Spitzenlast oder eine maximale Last bei einer ausgewählten Motordrehzahl, wenn in einem selbstsaugenden Modus gearbeitet wird, während ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird. Die Motorlast kann die Schwellenwertlast bei der ausgewählten Drehzahl in dem selbstsaugenden Modus nicht überschreiten, ohne dass Kraftstoff zu dem Luft-Kraftstoff-Gemisch hinzugefügt wird, wodurch das Gemisch fetter und der Motorbetrieb weniger effizient gemacht wird. Daher wird basierend auf dem Abgas 24, das in den Turbolader 26 strömt, eine vergrößerte Menge an Einlassluft durch den Turbolader 26 mittels des Einlasssystems 12 an die Zylinder 16 geliefert, wodurch eine vergrößerte Menge an Kraftstoff in der Verbrennungskammer zur Verbrennung ermöglicht wird, welche erfolgt, während das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch beibehalten wird. Die vergrößerte Menge an Luft ist eine vergrößerte Menge bezogen auf die Menge an Luft, die bei der Schwellenwertlast geliefert wird, wenn der Motor in einem selbstsaugenden Modus arbeitet. Die vergrößerte Menge an Luft und Kraftstoff, die für den Betrieb in dem turboaufgeladenen Modus geliefert wird, sorgt für einen vergrößerten Bereich der Motorlasten für das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch im Vergleich zu dem selbstsaugenden Modus. Bei diesen Ausführungsformen ist das Aufrechterhalten des mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs wichtig, um die Effizienz und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Gemäß einer Ausführungsform arbeitet der Schichtladungsmotor 10 in dem selbstsaugenden Modus, wenn die Strömungssteuereinrichtung 92 im Wesentlichen offen ist, und er arbeitet in dem turboaufgeladenen Modus, wenn die Strömungssteuereinrichtung 92 im Wesentlichen geschlossen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform arbeitet der Schichtladungsmotor 10 in dem turboaufgeladenen Modus, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind. Die erste Bedingung besagt, dass der Motor in einem ersten Bereich von Drehzahlen arbeitet, wie beispielsweise in einem niedrigen Bereich von Motordrehzahlen (z. B. 0–3000 Umdrehungen pro Minute oder ”RPM”). Die zweite Bedingung besagt, dass der Motor einer Last ausgesetzt ist oder diese erfährt, die größer als die Schwellenwertlast ist, beispielsweise während einer Beschleunigung oder dann, wenn das Fahrzeug eine Steigung hinauffährt. Dementsprechend arbeitet der Schichtladungsmotor in dem selbstsaugenden Modus mit einer beschränkten oder verringerten Strömung des Abgases 24 in den Turbolader 26, wenn er außerhalb des ersten Bereichs der Motordrehzahlen arbeitet (z. B. bei mehr als 3000 RPM) oder wenn der Motor einer Last ausgesetzt ist, die kleiner als die Schwellenwertlast ist.
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Gemäß Ausführungsformen kann der Turbolader 26 ein Turbolader mit fester Geometrie oder ein Turbolader mit variabler Geometrie sein. Die Strömungssteuereinrichtung 92 kann an einem beliebigen geeigneten Ort positioniert sein, um eine Strömung des Abgases 24 durch die Leitung 34 und den Turbolader 26 zu steuern. Gemäß einer Ausführungsform ist die Strömungssteuereinrichtung 92 an einer Schnittstelle zwischen dem Auslasskrümmer 22 und der Leitung 34 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform ist das Strömungssteuerventil 92 ein Ventil, wie beispielsweise ein Schmetterlingsventil oder ein anderes aktives Ventil. Das Einlasssystem 12 kann einen Drosselkörper 94 umfassen, um eine Luftströmung in den Einlasskrümmer 18 zu steuern. Bei Ausführungsformen ermöglicht ein Kompressor-Bypassventil 90, dass eine Einlassluftströmung den Turbolader 26 in einer offenen Position umgeht, wobei das Kompressor-Bypassventil 90 ein passiver Typ eines Rückschlagventils oder ein aktiv gesteuertes Ventil (z. B. durch den Controller 60) sein kann. Gemäß einer Ausführungsform ist der Betrieb des Kompressor-Bypassventils 90 mit der Strömungssteuereinrichtung 92 synchronisiert (auch bezeichnet als das ”Turbinen-Bypassventil”), um sicherzustellen, dass eine korrekte Strömung der Einlassladung 20 bereitgestellt wird. Das AGR-System 80 kann ein Niederdrucksystem oder ein Hochdrucksystem sein, was von der Anwendung abhängt.
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Das dargestellte System liefert eine verbesserte Effizienz (d. h. eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und verringerte Partikelemissionen) für den Schichtladungsmotor 10 für einen Betrieb bei geringeren Drehzahlen. Daher ist der Turbolader 26 bei einer Ausführungsform für einen Betrieb bei den geringeren Drehzahlen bemessen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Turbolader 26 bei relativ geringen Motorlasten (z. B. 35% oder weniger) nicht erforderlich, und das Strömungssteuerventil 92 ist offen. Oberhalb der Schwellenwertlast in dem Betriebsbereich bei geringeren Drehzahlen ist das Strömungssteuerventil 92 geschlossen, um eine Funktion des Turboladers 26 zu ermöglichen. Zusätzlich ist das Kompressor-Bypassventil 90 geschlossen, um im Wesentlichen eine gesamte Lufteinlassströmung 21 in den Kompressor des Turboladers 26 zu leiten. Das geschlossene Kompressor-Bypassventil 90 ermöglicht, dass ein Ladedruck für die erhöhte Luft aufgebaut wird, die an die Verbrennungskammern geliefert wird, wodurch ermöglicht wird, dass der Schichtladungsmotor 10 effizient arbeitet.
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2 stellt eine Graphik des Betriebs einer Ausführungsform eines Schichtladungsmotors dar, wie beispielsweise des Schichtladungsmotors 10. Die Graphik trägt die Motordrehzahl an der x-Achse 200 über % der Last für den Motor an der y-Achse 202 auf. % der Last ist ein Prozentanteil der maximalen Last, die der Motor erfahren und liefern kann. % der Last kann auch als Motorlast bezeichnet werden. Ein erster Bereich von Motordrehzahlen 204 liegt niedriger als ein zweiter Bereich von Motordrehzahlen 206, wobei der Schichtladungsmotor in dem zweiten Bereich von Drehzahlen 206 unabhängig von der Motorlast in dem selbstsaugenden Modus arbeitet. Eine Linie 222, die sich bei ungefähr 3000 RPM befindet, trennt den ersten Bereich von Motordrehzahlen 204 von dem zweiten Bereich von Motordrehzahlen 206. Ein erstes Gebiet 208 ist durch die Linie 222 und eine Schwellenwertlast 210 begrenzt. Somit arbeitet der Schichtladungsmotor für einen beliebigen %-Wert der Last für den Motor in einem zweiten Gebiet 220 in dem selbstsaugenden Modus. Wenn bei einer Motordrehzahl in dem ersten Bereich von Motordrehzahlen 204 gearbeitet wird, befindet sich der Schichtladungsmotor gemäß einer Ausführungsform bei einem %-Wert der Last, die geringer als die Schwellenwertlast 210 ist, in dem selbstsaugenden Modus oder Modus ”ohne Aufladung”. Gemäß einer Ausführungsform ist die Schwellenwertlast 210 eine Spitzenlast oder eine maximale Last bei einer ausgewählten Motordrehzahl (d. h. innerhalb des ersten Motordrehzahlbereichs 204), während der Motor unter Verwendung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs zusammen mit einem gewünschten Betrag an zurückgeführtem Abgas in dem selbstsaugenden Modus arbeitet. Bei Ausführungsformen, bei denen die AGR für den Schichtladungsmotor aktiviert ist, weist die Linie für die Schwellenwertlast 210 ein niedriges Lastniveau von ungefähr 40% aufgrund der verdünnten Ladung durch eine übermäßige Menge an Luft (magere Ladung) und den Zusatz von zurückgeführtem Abgas auf. Gemäß einer Ausführungsform, bei der die AGR für den Schichtladungsmotor deaktiviert ist, würde die Linie für die Schwellenwertlast bei einem anderen Prozentanteil der Last liegen, als es in 2 dargestellt ist, da die Luft, die das Abgas verdrängt, zu einer vollständigeren Verbrennung führt. Bei Ausführungsformen für einen geschichteten mageren Betrieb ohne AGR kann eine Schwellenwertlast von bis zu 50% erreicht werden. Das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch, das bei der Schwellenwertlast 210 geliefert wird, ist ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das ein im Wesentlichen optimiertes Verhältnis von Luft und Kraftstoff aufweist, um eine Spitzen-Motorlast mit einer effizienten Verbrennung von Luft und Kraftstoff zu liefern, wodurch eine effiziente Leistung bei erhöhten Lasten geschaffen wird.
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Ein drittes Gebiet 212, das auch als ein ”bezüglich des Ladedrucks optimiertes Gebiet” bezeichnet wird, ist innerhalb des ersten Motordrehzahlbereichs 204 mit %-Werten der Last zwischen der Schwellenwertlast 210 und einem Schwellenwert 214 für eine Spitzenlast oder Spitzenladedrucklast definiert. Der Schwellenwert 214 für die Spitzenladedrucklast repräsentiert den Spitzenprozentanteil der Last, die geliefert wird, wenn der Schichtladungsmotor in einem Modus mit Ladedruck oder Turboaufladung betrieben wird, während das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch aufrechterhalten wird. Bei Ausführungsformen ist das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch (oder -Verhältnis) für den Schwellenwert 214 für die Spitzenladedrucklast und die Schwellenwertlast 210 im Wesentlichen das gleiche. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann auch von der Motorlast abhängen. Gemäß einer Ausführungsform wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch für alle %-Werte der Last unterhalb des Schwellenwerts 214 für die Spitzenladedrucklast bezogen auf die magere Zusammensetzung (d. h., dass die Kraftstoffmenge bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis liegt oder geringer als dieses ist) bei dem mageren Verhältnis oder unterhalb dessen gehalten. Der Betriebsbereich, der für den Schichtladungsmotor mit dem Turbolader verfügbar ist, umfasst das bezüglich des Ladedrucks optimierte Gebiet und das Gebiet ohne Ladedruck, wobei der volumetrische Strömungseinlass an Kraftstoff und Luft variiert, während das Verhältnis zwischen den zwei Strömungen das magere Verhältnis aufrechterhält. Somit wird das mager Luft-Kraftstoff-Gemisch aufrechterhalten, um eine verbesserte Effizienz bei höheren Lasten aufgrund des ausgedehnten Betriebsgebiets des dritten Gebiets 212 zu liefern, das durch den aufgeladenen Lufteinlass mittels des Turboladers bereitgestellt wird. Die Gebiete 216 und 218 repräsentieren Betriebsgebiete, die einen Prozentanteil der Last oberhalb des Spitzenladedrucks 214 bereitstellen können, wobei das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht aufrechterhalten wird (und beispielsweise fetter als das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch ist), wodurch ein verringerte Effizienz und eine verringerte Kraftstoffwirtschaftlichkeit geschaffen werden. Ferner repräsentieren die Gebiete 216 und 218 Betriebsgebiete jenseits der Strömungskapazität des Turboladers oder der Drehzahlbegrenzung, wobei der Motor in solchen Bereichen zu dem selbstsaugenden Modus zurückkehrt.
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Wie es in 2 gezeigt ist, können die Form und die Größe des bezüglich des Ladedrucks optimierten Gebiets (des dritten Gebiets 212) von den Eigenschaften des Turboladers abhängen. Jenseits des bezüglich des Ladedrucks optimierten Gebiets, wie beispielsweise in den Gebieten 216 und 218, kann der Motor den Betrieb in dem Zustand mit geschichteter Ladung fortsetzen, wenn das Verbrennungssystem einen Betrieb mit ausreichend hohen thermischen Effizienzen und geringen Emissionen beibehalten kann. Alternativ kann der Motor in einen homogenen Betrieb (d. h. nicht geschichteten Betrieb) umschalten. Gemäß einer Ausführungsform ist der Turbolader für geringe Drehzahlen ausgelegt und unterstützt keine Motorluftströmungsanforderungen bei hoher Drehzahl. In einem solchen Fall ist es notwendig, den Turbolader außer Betrieb zu nehmen, indem das Turbinen-Bypassventil unter Bedingungen bei hoher Drehzahl geöffnet wird (d. h. in dem zweiten Bereich von Motordrehzahlen 206), und zu ermöglichen, dass der Schichtladungsmotor in dem selbstsaugenden Modus arbeitet. Wenn die verbesserte Effizienz bei höheren Prozentanteilen der Last auf einen verkleinerten Motor mit Turbolader angewendet werden soll, kann es wünschenswert sein, dass dieser zumindest zwei Turbolader aufweist, die mit dem Schichtladungsmotor gekoppelt sind. Gemäß einer Ausführungsform mit zwei Turboladern ist der erste Turbolader für einen Schichtladungsbetrieb ausgelegt (z. B. in dem ersten Bereich von Motordrehzahlen 204), und der zweite Turbolader ist für die übrigen Motorbetriebsgebiete ausgelegt (z. B. für den zweiten Bereich von Motordrehzahlen 206).
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Graphik eine Differenz in der Effizienz des Motors, wenn bei geringeren Drehzahlen in dem turboaufgeladenen Modus gearbeitet wird, im Vergleich zu einem selbstsaugenden Modus bei geringeren Drehzahlen dar. Speziell kann der Motor in dem ersten Bereich von Motordrehzahlen 204 und in dem selbstsaugenden Modus nur effizient in dem Gebiet 208 bei effizienten Luft-Kraftstoff-Gemischen effizient arbeiten, die sich bei dem Kraftstoff oder unterhalb dessen befinden, der in dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch bei der Schwellenwertlast 210 bereitgestellt wird. Der Betrieb bei Lasten oberhalb der Schwellenwertlast 210 in dem selbstsaugenden Modus ist fetter als das gewünschte magere Luft-Kraftstoff-Gemisch bei der Schwellenwertlast 210, und er ist daher weniger effizient. Im Gegensatz dazu kann der Motor in dem ersten Bereich von Motordrehzahlen 204 und mit der Verfügbarkeit des turboaufgeladenen Modus in den Gebieten 208 (in dem selbstsaugenden Modus) und 212 (in dem turboaufgeladenen Modus) bei effizienten Luft-Kraftstoff-Gemischen effizient arbeiten, die sich bei dem Kraftstoff oder unterhalb dessen befinden, der in dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitgestellt wird. Daher schafft der turboaufgeladene Modus einen vergrößerten Betriebsbereich in dem Gebiet 212 mit verbesserter Effizienz und Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
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3 ist ein Flussdiagramm 300 eines beispielhaften Verfahrens und Systems für eine Turboaufladung eines Schichtladungsmotors gemäß einer Ausführungsform, um eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei höheren Motorlasten zu liefern. Das Verfahren 300 kann durch einen Controller und Einrichtungen ausgeführt werden (z. B. Strömungssteuereinrichtungen, Sensoren, Einspritzeinrichtungen, zusätzliche Controller usw.), die mit dem Controller gekoppelt sind und/oder durch diesen gesteuert werden. Das Verfahren, das durch das beispielhafte Flussdiagramm 300 repräsentiert wird, beginnt bei Block 302. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren ausgelöst, wenn der Motor gestartet wird. Bei Block 304 wird eine Motordrehzahl für den Schichtladungsmotor ermittelt, wobei das Verfahren dann, wenn sich die Motordrehzahl in einem ersten Bereich befindet (in einem ”Niedrigdrehzahlbereich”), zu Block 306 voranschreitet. Wenn sich der Motordrehzahlbereich in einem zweiten Bereich befindet (in einem ”Hochdrehzahlbereich”), schreitet das Verfahren zu Block 308 voran. Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Motordrehzahlbereich ein Bereich mit niedrigen Motordrehzahlen, und der zweite Motordrehzahlbereich ist bezogen auf den ersten Bereich ein Bereich mit hohen Motordrehzahlen, wobei der erste und der zweite Bereich den gesamten Bereich von Drehzahlen für den Motor bilden.
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Bei Block 306 wird eine Last für den Schichtladungsmotor ermittelt, wobei die Last mit einer Schwellenwertlast verglichen wird. Wenn die Last kleiner als die Schwellenwertlast ist, schreitet das Verfahren zu Block 308 voran. Bei Block 308 arbeitet der Schichtladungsmotor in einem selbstsaugenden Modus, wobei ein Turbolader, der mit dem Motor gekoppelt ist, aufgrund der verringerten oder nicht vorhandenen Strömung des Abgases zu dem Turbolader im Wesentlichen nicht in Betrieb ist. Zu dem Diagramm zurückkehrend, bewegt sich eine Strömungssteuereinrichtung bei Block 314 in eine offene Position, um eine Strömung des Abgases in den Turbolader basierend auf dem Betrieb in dem selbstsaugenden Modus im Wesentlichen zu beschränken. Die verringerte oder beschränkte Strömung des Abgases in den Turbolader bewirkt, dass der Motor bis zu der Schwellenwertlast mit dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch arbeitet, um eine gewünschte Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei geringeren Lasten (relativ zu der Schwellenwertlast) für den Motor bereitzustellen, wenn in dem ersten Bereich mit geringeren Motordrehzahlen gearbeitet wird. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist die verringerte Strömung des Abgases in den Turbolader durch einen Weg mit geringerem Widerstand, der durch eine Strömung durch die Strömungssteuereinrichtung zu einer Abgasleitung geschaffen wird, im Vergleich zu einem Strömungsweg bedingt, der ein Turbinenrad in dem Turbolader bewegt. Wenn die Last, die bei Block 306 ermittelt wird, größer als die Schwellenwertlast ist, schreitet das Verfahren zu Block 310 voran. Bei Block 310 arbeitet der Schichtladungsmotor in dem turboaufgeladenen Modus, um eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei höheren Lasten (relativ zu der Schwellenwertlast) für den Motor zu schaffen, wenn in dem zweiten Bereich bei höherer Motordrehzahl gearbeitet wird. Dementsprechend bewegt sich die Strömungssteuereinrichtung bei Block 312 in eine geschlossene Position, um eine Strömung des Abgases basierend auf dem Betrieb in dem turboaufgeladenen Modus in den Turbolader zu leiten. Die beschränkte oder gestoppte Strömung des Abgases in die Abgasleitung hinein und die Strömung des Abgases in den Turbolader hinein bewirken, dass eine vergrößerte Menge an Luft von dem Kompressor des Turboladers an die Verbrennungskammern des Motors geliefert wird. Die vergrößerte Menge an Einlassluft, die auch bei einem erhöhten Druck geliefert werden kann (relativ zu einem Lufteinlass in dem selbstsaugenden Modus), ermöglicht, dass eine vergrößerte Menge an Kraftstoff an die Verbrennungskammern geliefert wird, während das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch aufrechterhalten wird, wobei die vergrößerte Menge an Luft und Kraftstoff ermöglicht, dass der Motor oberhalb des Lastschwellenwerts arbeitet, wodurch eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit in einem vergrößerten Bereich von Lasten für den Schichtladungsmotor geschaffen wird.
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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und dass Elemente von diesen durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, die offenbart sind, sondern es soll die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der Anmeldung fallen.
