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Die vorliegende Erfindung betrifft die Abgasspülung für Verbrennungsmotoren.
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Die Abgasspülung in Verbrennungsmotoren wird zum Leeren von heißen Abgasprodukten aus einem Verbrennungszylinder und Wiederaufladen des Zylinders mit frischer Zuluft verwendet. Das Spülen ermöglicht frischer Luft, den größten Teil des restlichen heißen Abgases aus dem Totraum zu spülen, und die resultierende Temperaturverringerung verringert die Klopfneigung, was eine größere Frühzündung ermöglicht, die das Drehmoment erhöht. Des Weiteren lässt die Verringerung der Menge an restlichem Abgas mehr Raum für die Mischung aus Frischluft und Kraftstoff, was das Drehmoment weiter erhöht. Das Spülen wird häufig auf dem europäischen Markt verwendet, die meisten turbogeladenen Motoren, die auf dem USamerikanischen Markt verkauft werden, sind jedoch so kalibriert, dass sie auf Grund von Emissionsbedenken eine viel geringere Spülung verwenden.
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Das traditionelle Spülen oder „Durchblasen“ von Frischluft wird verwendet, wenn der Ansaugkrümmerdruck größer als der Abgaskrümmerdruck ist. Das ist typisch für turbogeladene Motoren bis ca. 2000-2500 U/min. Turbogeladene Motoren mit tiVCT (unabhängige variable Doppel-Nockenwellensteuerung) können unter Verwendung des Spülens Klopf- und Drehmomentenvorteile bei geringen Drehzahlen erreichen. Jedoch kann das traditionelle Spülen dazu führen, dass mit Sauerstoff angereicherte Frischluft durch das Abgasventil und weiter zum Abgasnachbehandlungssystem strömt, was zu erhöhten Emissionen führt. Der Überschuss an Sauerstoff im Abgas ist teilweise auf einen Luftstrom zurückzuführen, der für die traditionelle Abgasspülung verwendet wird, welche durch das Abgasventil während der Ventilüberlappung strömt. In einigen Fällen ermöglicht diese Überlappung ein Strömen von Ansaugluft direkt in den Auslass, bevor der Verbrennungsschritt erfolgt. Dieser nicht verbrannte Sauerstoff dringt in den Auslass ein und kann die Chemie der Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung verändern. Insbesondere verringert der erhöhte Sauerstoffgehalt die Reduzierfähigkeit des Katalysators, wodurch die Reduktion von Stickstoffoxiden (NOx) vor dem Ablassen der Abgase in die Atmosphäre reduziert wird. Des Weiteren beruht das traditionelle Spülen auf einer Druckverringerung vom Ansaugkrümmer zum Abgaskrümmer, um Spülluft durch den Zylinder zu senden. Bei einigen Betriebsbedingungen ist dieser Druckunterschied nicht vorhanden, was das Fenster mit der Gelegenheit zur Abgasspülung verringert.
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WO 2012 / 025 662 A1 offenbart ein Verfahren zur Verringerung der Emissionen eines Verbrennungsmotors, wobei der Motor mindestens einen Zylinder, einen hin- und hergehenden Kolben, der innerhalb des Zylinders angeordnet ist, einen Einlasskanal, einen Auslasskanal, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil umfasst. Das Einlassventil wird während des Einlasshubs geschlossen, bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Nach dem Schließen des Einlassventils wird das Auslassventil wieder geöffnet, um das Abgas in den Zylinder strömen zu lassen. Vor dem Schließen des Auslassventils wird Wasser in den Auslasskanal eingespritzt.
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AT 003 926 U1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader.
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JP H05 - 10 164 A offenbart einen Motor, der mit einem Wassereinspritzventil in den jeweiligen unabhängigen Einlasskanälen ausgestattet ist. Der Zeitpunkt der Wassereinspritzung in dem Wassereinspritzventil wird mit einem Einlasshub jedes der entsprechenden Zylinder synchronisiert und so eingestellt, dass Wasser in eine Verbrennungskammer innerhalb einer Überlappungsperiode jedes Ventilöffnungszeitpunkts der Einlassventile und Auslassventile eingespeist wird.
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JP 2007 - 162 665 A offenbart eine Spülvorrichtung zum Spülen eines Gases aus einem Verbrennungsraum zu den ersten und zweiten Auslassöffnungen. Die Spülvorrichtung umfasst eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Wasser, die im Verbrennungsmotor so angeordnet ist, dass das Wasser in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, so dass sich seine Einspritzrichtung den ersten und zweiten Auslassventilen nähert. Außerdem ist die Einspritzdüse so angeordnet, dass die ersten und zweiten Auslassventile in einem durch das ausgestoßene Wasser gebildeten Sprühnebel enthalten sind.
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DE 10 2011 079 371 A1 offenbart ein Verfahren, um die Kraftstoffnutzung bei Behandlung von Klopfen zu verbessern, indem die Verwendung der Zündverstellung nach spät und Direkteinspritzung eines Fluides auf der Basis von Motorbetriebsbedingungen und der Zusammensetzung des eingespritzten Fluides verstellt werden. Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einspritzen eines Spülfluids, wobei das Spülfluid Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit ist, vorzugsweise direkt in den Zylinder oder über eine Portinjektion zur Dampfspülung, die ohne überschüssigen Sauerstoff im Abgassystem erreicht werden kann. Die eingespritzte Flüssigkeit verdampft im Hochtemperatur-Restabgas schnell und/oder wenn Tröpfchen auf heiße Metallflächen in der Verbrennungskammer auftreffen. Eine relativ kleine Flüssigkeitsmenge kann in ein relativ großes Dampfvolumen verdampfen, wobei das restliche Abgas verdrängt und aus den offenen Abgasventilen ausgetrieben wird. Die Verwendung von Dampf zum Spülen reduziert Ansaugluft, die durch das Abgasventil freigesetzt wird, wenn man es mit dem traditionellen Spülen vergleicht, bei dem ein Luftstrom eine Druckdifferenz nutzt, um restliches Abgas zu verdrängen. Da des Weiteren die vorliegende Offenbarung auf der Ausdehnung von Flüssigkeit zu Dampf beruht, um das restliche Abgas zu verdrängen, kann die Dampfspülung auch dann auftreten, wenn der Ansaugkrümmerdruck niedriger als der Abgaskrümmerdruck ist. Dieses Verfahren kann an die Portinjektion oder direkte Einspritzung angepasst werden und kann mit verschiedenen Kraftstoffen, einschließlich Diesel, Benzin und Ethanol als Beispiele, arbeiten.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Motorsteuerungsverfahren, das das Einspritzen einer Menge an Fluid, welches Wasser umfasst oder vorzugsweise zusätzlich Windschutzscheibenwaschflüssigkeit umfasst, in einen Verbrennungszylinder umfasst, wobei die Menge auf der Grundlage einer Dichte und eines Volumens des Restabgases beruht. Die vorzugsweise Portinjektion oder vorzugsweise direkte Einspritzspülung mit Wasser oder vorzugsweise zusätzlicher Windschutzscheibenwaschflüssigkeit kann Emissionsbedenken auf Grund von überschüssigem Sauerstoff im Abgasnachbehandlungssystem reduzieren. Anders als das traditionelle Spülen kann das Verfahren der vorliegenden Offenbarung auch bei Motoren ohne tiVCT verwendet werden, selbst wenn der Ansaugkrümmerdruck niedriger als der Abgaskrümmerdruck ist, wie zum Beispiel bei höheren Drehzahlen oder bei einer niedrigen Drehzahl und mittelhoher Belastung, wenn das Klopfen ein Problem ist. Des Weiteren kann die Dampfspülung die Temperatur eines Verbrennungszylinders und damit das Klopfen reduzieren.
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Die obigen Vorteile und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn sie allein für sich oder in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genutzt wird.
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Es versteht sich, dass die Zusammenfassung oben vorgesehen ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die weiter in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Diese soll nicht dazu dienen, wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes zu identifizieren, dessen Geltungsbereich ausschließlich durch die Ansprüche definiert wird, die der detaillierten Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen begrenzt, die Nachteile beheben, welche oben oder in einem Teil dieser Offenbarung angeführt werden. Ferner haben die Erfinder hierin Nachteile erkannt, die hierin angeführt werden, und geben sie nicht als bekannt an.
- 1 zeigt ein Beispiel für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Einspritzen von Spülfluid darstellt.
- 3 zeigt den zeitlichen Ablauf der Spülfluideinspritzung für Port- und direkte Einspritzung.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm, das Einstellungen an der Menge des eingespritzten Spülfluids darstellt.
- 5 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Verfahrens darstellt, wobei der Motor mit einer variablen Ventilsteuerung ausgerüstet ist.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt im Detail das Einspritzen einer Flüssigkeit für die Dampfspülung. In einer Ausführungsform wird das Spülfluid spät im Ausstoßtakt direkt eingespritzt. In einer anderen Ausführungsform, bei der Portinjektion eingesetzt wird, wird Fluid während der Ventilüberlappung oder unmittelbar vor dem Ansaugtakt eingespritzt. Bei Portinjektion in den Ansaugluftdurchlass wird Flüssigkeit oder Dampf schnell durch das Einlassventil aufgenommen, wo er genau so wirkt, wie direkt eingespritztes Fluid. In beiden Ausführungsformen wird Flüssigkeit schnell verdampft, wenn sie auf heiße Restgase oder heiße Oberflächen trifft. Eine kleine Menge von Flüssigkeit dehnt sich aus, wenn sie verdampft und das restliche Abgas verdrängt, wobei es dieses durch das offene Ventil oder Ventile drückt. Wärme wird dem heißen Zylinder durch Verdrängen von heißen restlichen Abgasprodukten und durch Verdampfungskühlung entzogen. Auf diese Weise kann das Einspritzen von Spülfluid auch die Neigung zum Klopfen reduzieren, und das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann zur Abmilderung des Klopfens angepasst werden. Des Weiteren kann die vorliegende Offenbarung bei einem Motor mit oder ohne variable Ventilsteuerung genutzt werden, selbst wenn der Ansaugkrümmerdruck niedriger als der Abgaskrümmerdruck ist.
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Das System und Verfahren der vorliegenden Offenbarung werden unten mit Verweis auf die Figuren beschrieben. 1 zeigt ein Beispiel eines Zylinders eines Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung. 2 zeigt im Detail ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung in Form eines Flussdiagramms. 3 zeigt den zeitlichen Ablauf des Einspritzens. 4 stellt die Einstellung einer Menge von Spülfluid dar, die als Reaktion auf verschiedene Rückmeldungen von Motorsensoren eingespritzt wird.
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5 stellt grafisch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, das zu einem Motor gehört, der mit variabler Ventilsteuerung versehen ist.
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1 stellt ein Beispiel für eine Ausführungsform einer Verbrennungskammer oder eines -zylinders eines Verbrennungsmotors 10 dar. Motor 10 kann Steuerungsparameter von einem Steuerungssystem, das einen Controller 12 umfasst, und Eingaben von einem Fahrzeugnutzer 130 über ein Eingabegerät 132 empfangen. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 132 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Der Zylinder (hierin auch „Verbrennungskammer“ genannt) 14 von Motor 10 kann Verbrennungskammerwände 136 , mit dem Kolben 138 darin angeordnet, umfassen. Kolben 138 kann mit der Kurbelwelle 140 verbunden sein, so dass die hin und her gehende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt wird. Die Kurbelwelle 140 kann mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs über ein Zwischenübertragungssystem verbunden sein. Ferner kann ein Anlassermotor mit der Kurbelwelle 140 über ein Schwungrad verbunden sein, um einen Startbetrieb von Motor 10 zu ermöglichen.
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Zylinder 14 kann Ansaugluft über eine Reihe von Ansaugluftdurchlässen 142, 144 und 146 aufnehmen. Der Ansaugluftdurchlass 146 kann mit anderen Zylindern von Motor 10 zusätzlich zu Zylinder 14 kommunizieren. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere der Ansaugluftdurchlässe eine Ladedruckverstärkungsvorrichtung umfassen, wie zum Beispiel einen Turbolader oder einen Auflader. Zum Beispiel zeigt 1 den Motor 10, der mit einem Turbolader konfiguriert ist, welcher einen Kompressor 174 umfasst, der zwischen den Ansaugluftdurchlässen 142 und 144 angeordnet ist, und eine Abgasturbine 176, die am Abgasdurchlass 148 angeordnet ist. Der Kompressor 174 kann zumindest teilweise durch die Abgasturbine 176 über eine Welle 180 angetrieben werden, wobei die Ladedruckverstärkungsvorrichtung als Turbolader ausgelegt ist. In anderen Beispielen jedoch, wie zum Beispiel dort, wo Motor 10 mit einem Auflader ausgestattet ist, kann eine Abgasturbine 176 optional weggelassen werden, wobei der Kompressor 174 durch mechanische Eingabe von einem Elektromotor oder dem Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Eine Drossel 162, einschließlich einer Drosselklappe 164 , kann entlang eines Ansaugdurchlasses des Motors zum Variieren der Durchflussrate und/oder des Drucks der Ansaugluft vorgesehen werden, die den Motorzylindern zugeführt wird. Zum Beispiel kann die Drossel 162 hinter dem Kompressor 174 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt, oder kann alternativ vor dem Kompressor 174 vorgesehen werden.
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Der Abgasdurchlass 148 kann Abgase von anderen Zylindern von Motor 10 zusätzlich zum Zylinder 14 aufnehmen. Der Abgassensor 128 wird als verbunden mit dem Abgastemperatursensor 129 und dem Abgasbestandteilsensor 127 abseits des Abgasdurchlasses 148 vor der Emissionskontrollvorrichtung 178 gezeigt. In einer anderen Ausführungsform sind diese Sensoren eventuell nicht nebeneinander befindlich und können über den Abgasdurchlass 148 verteilt sein. Der Sensor 128 kann aus verschiedenen geeigneten Sensoren zur Anzeige des Abgas-Kraftstoff-Verhältnisses ausgewählt werden, wie zum Beispiel ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO (universeller oder Weitbereichsabgassauerstoff), ein Sauerstoffsensor mit zwei Zuständen oder EGO (wie dargestellt), ein HEGO (erwärmter EGO), ein NOx-, HC- oder zum Beispiel ein CO-Sensor. Die Emissionskontrollvorrichtung 178 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC), NOx-Abscheider, verschiedene andere Emissionskontrollvorrichtungen oder Kombinationen derselben sein. Der Abgassensor 128, Abgastemperatursensor 129 und Abgasbestandteilsensor 127 liefern Eingaben für den Controller 12 über Eingangs-/Ausgangsports 108.
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Die Abgastemperatur kann von einem oder mehreren Temperatursensoren gemessen werden, wie zum Beispiel vom Temperatursensor 129 , der sich im Abgasdurchlass 148 befindet. Alternativ kann die Abgastemperatur auf der Grundlage der Motorbetriebsbedingungen erschlossen werden, wie zum Beispiel Drehzahl, Belastung, Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR), Zündverzögerung usw. Ferner kann die Abgastemperatur durch einen oder mehrere Abgassensoren 128 berechnet werden. Es ist zu erkennen, dass die Abgastemperatur alternativ durch eine Kombination der Temperaturschätzverfahren abgeschätzt werden kann, die hierin angeführt werden.
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Jeder Zylinder von Motor 10 kann ein oder mehrere Einlassventile und ein oder mehrere Auslassventile umfassen. Zum Beispiel wird Zylinder 14 einschließlich mindestens eines Einlasstellerventils 150 und mindestens einem Auslasstellerventil 156 gezeigt, die sich in einem oberen Bereich von Zylinder 14 befinden. In einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder von Motor 10, einschließlich Zylinder 14, mindestens zwei Einlasstellerventile und mindestens zwei Auslasstellerventile umfassen, die sich in einem oberen Bereich des Zylinders befinden.
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Einlassventil 150 kann durch Controller 12 durch Nockenbetätigung über das Nockenbetätigungssystem 151 gesteuert werden. Analog kann das Auslassventil 156 durch Controller 12 über das Nockenbetätigungssystem 153 gesteuert werden. Die Nockenbetätigungssysteme 151 und 153 können jeweils einen oder mehrere Nocken umfassen und können eine Form von variabler Ventilsteuerung (VVT) nutzen, wie zum Beispiel ein oder mehrere Elemente aus Nockenprofilschalt-(CPS), variable Nockensteuerungs-(VCT), wie zum Beispiel unabhängige variable Doppelnockensteuerung (tiVCT) und/oder variable Ventilhub-(VVL)-Systeme nutzen, die durch Controller 12 zum Variieren des Ventilbetriebs betrieben werden können. Der Betrieb von Einlassventil 150 und Auslassventil 156 kann durch Ventilpositionssensoren (nicht dargestellt) und/oder Nockenwellenpositionssensoren 155 bzw. 157 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Einlassventil und/oder das Auslassventil durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann Zylinder 14 alternativ ein Einlassventil umfassen, das durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Auslassventil, das über eine Nockenbetätigung einschließlich CPS- und/oder VCT-Systemen gesteuert wird.
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In einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder von Motor 10 eine Zündkerze 192 zum Einleiten der Verbrennung umfassen. Das Zündsystem 190 kann einen Zündfunken für die Verbrennungskammer 14 über die Zündkerze 192 als Reaktion auf das Funkenvorsignal SA vom Controller 12 unter ausgewählten Betriebsarten liefern. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen die Zündkerze 192 weggelassen werden, wie zum Beispiel wenn Motor 10 die Verbrennung durch Selbstzündung oder durch Injektion von Kraftstoff einleiten kann, wie dies der Fall bei einigen Dieselmotoren sein kann.
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In einigen Ausführungsformen kann jeder Zylinder von Motor 10 mit einer oder mehreren Einspritzdüsen ausgelegt sein, um für die Bereitstellung eines Spülfluids darin zu sorgen. Als nicht einschränkendes Beispiel wird Zylinder 14 einschließlich einer Kraftstoff-Einspritzdüse 166 gezeigt. Das Einspritzventil 166 wird als direkt mit Zylinder 14 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff proportional zur Pulsbreite von Signal FPW verbunden gezeigt, das vom Controller 12 über den elektronischen Treiber 168 empfangen wird. Auf diese Weise sorgt die Einspritzdüse 166 für das, was als Direkteinspritzung (die hierin nachstehend auch als „DI“ bezeichnet wird) von Kraftstoff in den Verbrennungszylinder 14 bekannt ist. Obwohl 1 die Einspritzdüse 166 als Seiteneinspritzdüse zeigt, kann sie sich auch oberhalb des Kolbens befinden, wie zum Beispiel in der Nähe der Zündkerze 192 . Kraftstoff kann der Einspritzdüse 166 von einem Hochdruckkraftstoffsystem 8 einschließlich Kraftstofftanks, Kraftstoffpumpen und einer Kraftstoffleitung zugeführt werden. Alternativ kann Kraftstoff von einer einstufigen Kraftstoffpumpe bei niedrigerem Druck zugeführt werden; in diesem Fall kann die Zeitsteuerung der direkten Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionstaktes stärker eingeschränkt werden, als wenn ein Hochdruckkraftstoffsystem verwendet wird. Obwohl nicht gezeigt, können ferner die Kraftstofftanks einen Druckwandler aufweisen, der ein Signal an den Controller 12 liefert. Es ist zu erkennen, dass in einer anderen Ausführungsform die Einspritzdüse 166 eine Port-Einspritzdüse 170 sein kann, die als Abwandlung in einer gepunkteten Linie angezeigt wird und dem Einlassport oberhalb von Zylinder 14 Kraftstoff zuführt. Die Direkteinspritzdüse 166 und die Abwandlung, die Port-Einspritzdüse 170, können auch so ausgelegt werden, dass sie ein Spülfluid einspritzen, wie zum Beispiel Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit, aus dem Spülfluidvorratsbehälter 9. Im Fall der Port-Einspritzung von Spülfluid wird ein Sprühnebel des Einspritzfluids auf ein Ventil gerichtet, in Richtung des Zylinders, so dass beim Öffnen des Einlassventils der Sprühnebel durch das offene Ventil gerichtet, zumindest teilweise, in den Zylinder strömt. Alternativ kann eine Einspritzvorrichtung von Spülfluid mit Abstand von der Einspritzdüse angeordnet sein und entweder zum direkten Einspritzen oder zum Port-Einspritzen eines Spülfluids ausgelegt sein.
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Kraftstoff kann von der Einspritzdüse dem Zylinder während eines einzelnen Zyklus des Zylinders zugeführt werden. Ferner kann die Verteilung und/oder die relative Menge an Kraftstoff oder Spülfluid, die von der Einspritzdüse zugeführt wird, mit den Betriebsbedingungen variieren, wie zum Beispiel die Temperatur der Luftfüllung oder Restabgasvolumen und -dichte, wie hierin unten beschrieben. Des Weiteren können für ein einzelnes Verbrennungsereignis mehrere Einspritzungen des zugeführten Kraftstoffs pro Zyklus ausgeführt werden. Die mehreren Einspritzungen können während des Kompressionstaktes, Ansaugtaktes oder einer geeigneten Kombination derselben ausgeführt werden.
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Wie oben beschrieben, zeigt 1 einen Zylinder eines Mehrzylindermotors. Jeder Zylinder kann in ähnlicher Weise seinen eigenen Satz von Einlass-/Auslassventilen, Einspritzdüse(n), Einspritzvorrichtung von Spülfluid, Zündkerze usw. umfassen.
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Controller 12 wird in 1 als Mikrocomputer gezeigt, einschließlich einer Mikrocomputereinheit 106 , Eingabe/Ausgabe-Ports 108, eines elektronischen Speichermediums für ausführbare Programme und Kalibrierwerte, das als Nur-Lese-Chip 110 in diesem speziellen Beispiel gezeigt wird, Schreib-Lese-Speicher 112, Auffrischspeicher 114 und Datenbus. Controller 12 kann verschiedene Signale von Sensoren empfangen, die mit dem Motor 10 verbunden sind, neben den Signalen, die vorher diskutiert wurden, einschließlich Messung des induzierten Luftmassenstroms (MAF) vom Luftmassenstromsensor 122 ; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) vom Temperatursensor 116 , der mit der Kühlhülse 118 verbunden ist; ein Profilzündaufnahmesignal (PIP) vom Hall-Effektsensor 120 (oder einem anderen Typ), der mit der Kurbelwelle 140 verbunden ist; Drosselposition (TP) von einem Drosselpositionssensor; ein Signal für den absoluten Krümmerdruck, MAP, von Sensor 124 und ein Klopfsignal (KS) vom Klopfsensor 181. Der Klopfsensor 181 kann sich alternativ auf dem Zylinderkopf befinden, oder kann ein Sensor zum Feststellen von Vibrationen vom Klopfen in der Kurbelwelle 140 sein. Das Motordrehzahlsignal, RPM, kann von Controller 12 aus dem Signal PIP erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Anzeige für das Vakuum oder den Druck im Krümmer zu liefern. Andere Sensoren können Kraftstoffniveausensoren und Kraftstoffzusammensetzungssensoren umfassen, die mit dem (den) Kraftstofftank(s) des Kraftstoffsystems verbunden sind.
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Das Speichermedium Nur-Lese-Speicher 110 kann mit computerlesbaren Daten programmiert werden, die Anweisungen repräsentieren, welche von Prozessor 106 zum Ausführen der Verfahren ausführbar sind, die unten beschrieben werden, sowie andere Varianten, die erwartet werden, aber nicht spezifisch aufgeführt sind.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Das Verfahren 200 kann vom Motorcontroller 12 ausgeführt werden. Bei 202 wird die Menge an Restabgas in Zylinder 14 abgeschätzt oder gemessen. Die Menge an Restabgas kann auf Schätzungen der Dichte und des Volumens beruhen, die von Controller 12 auf der Grundlage von Eingaben vom MAP-Sensor 124, Temperatursensor 116, Abgastemperatursensor 129 oder auf der Grundlage von Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Belastung, Drehzahl usw., berechnet werden können. Die Temperatur und der Druck des Restabgases können zum Berechnen der Dichte des restlichen Abgases verwendet werden. Das Volumen des Restabgases kann auf der Grundlage von Motorbetriebsbedingungen und anderer Eingaben abgeschätzt werden. Bei 204 können die Dichte und das Volumen von Restabgas zum Berechnen der Menge des eingespritzten Fluids verwendet werden. Die Menge an Fluid, das eingespritzt werden soll, variiert mit der Menge des Restabgases, da die Kraft des Gasdrucks, die zum Austreiben unterschiedlicher Mengen von Restabgas aus Zylinder 14 notwendig ist, unterschiedlich groß ist. Die Menge an eingespritztem Fluid erhöht sich mit der Menge des Restabgases, das im Zylinder vorhanden ist. Das Einstellen der Menge der Fluideinspritzung auf der Grundlage der berechneten Menge an Restabgas kann den überschüssigen Verbrauch an Spülfluid begrenzen. Wenn des Weiteren die Menge an Restabgas unterhalb eines Schwellwerts liegt, tritt möglicherweise keine Einspritzung von Spülfluid auf. Die Menge an Spülfluid, das durch Port-Einspritzung injiziert wird, kann im Wesentlichen auf dieselbe Weise abgeschätzt werden.
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Bei 206 wird festgestellt, ob die Motorbelastung größer als ein oberer Schwellwert ist. Wenn die Motorbelastung nicht größer als ein oberer Schwellwert (NEIN bei 206 ) ist, fährt das Verfahren mit 208 fort, wo kein Spülfluid eingespritzt wird, bis die Motorbelastung größer als ein oberer Schwellwert ist. Wenn bei 206 die Motorbelastung größer als ein oberer Schwellwert ist (JA), fährt das Verfahren bei 210 fort.
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Bei 210 wird festgestellt, ob der Motor klopfbeschränkt ist. Wenn bei 210 der Motor nicht klopfbeschränkt ist (NEIN), fährt das Verfahren mit 212 fort, wo keine Einspritzung von Spülfluid auftritt, bis der Motor klopfbeschränkt ist. Wenn bei 210 der Motor klopfbeschränkt ist (JA), fährt das Verfahren mit 214 fort.
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Bei 214 wird festgestellt, ob das Ausmaß der Ventilüberlappung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Wenn das Ausmaß der Ventilüberlappung nicht unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts liegt (NEIN), fährt das Verfahren mit 216 fort, wo kein Spülfluid eingespritzt wird, bis die Ventilüberlappung unterhalb des Schwellwerts liegt. Wenn die Ventilüberlappung unterhalb des Schwellwerts liegt (JA bei 214), fährt das Verfahren mit 218 fort.
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Das Einspritzen von Spülfluid kann in Gegenwart einer gewissen Ventilüberlappung auftreten, und tatsächlich kann eine Port-Einspritzung von Spülfluid während der Ventilüberlappung auftreten. Einstellungen an der variablen Ventilsteuerung können vorgenommen werden, um eine gewisse Ventilüberlappung unterhalb des Schwellwerts zu erzeugen, wenn das Einspritzen von Spülfluid eingesetzt werden soll.
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Bei 218 wird festgestellt, ob die Zeit die ausgewählte Einspritzzeit ist. Wenn es nicht die ausgewählte Einspritzzeit ist (NEIN bei 218), fährt das Verfahren mit 220 fort, wo es kein Einspritzen von Spülfluid gibt, bis die Zeit die ausgewählte Einspritzzeit erreicht hat. Die ausgewählte Einspritzzeit wird durch die Art der Einspritzung bestimmt. Wenn Spülfluid direkt eingespritzt wird, wie zum Beispiel durch die Direkteinspritzdüse 166 , kann das Einspritzen von Spülfluid zu einem späten Zeitpunkt im Ausstoßtakt auftreten. Das direkte Einspritzen von Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit spät im Ausstoßtakt darf nicht zu früh erfolgen, oder die Menge an Restabgas ist größer, und es wird mehr Fluid benötigt. Es darf auch nicht zu spät sein, oder das Fluid hat nicht ausreichend Zeit, vollständig zu verdampfen und das Restgas zu verdrängen, bevor sich das Ansaugventil öffnet. Für die Port-Einspritzung, wie zum Beispiel durch die Port-Einspritzdüse 170, kann das Einspritzen von Spülfluid während der Ventilüberlappung auftreten, wenn das Einlassventil 150 sehr früh im Ansaugtakt offen ist oder wenn das Einlassventil 150 geschlossen wird, unmittelbar vor dem Ansaugtakt. Die Flüssigkeit oder der Dampf tritt in den Zylinder 14 durch das offene Einlassventil ein, um eine Verdampfungsspülung in ähnlicher Weise wie bei dem direkt injizierten Fluid zu erreichen. Die Zeitbeschränkungen bei Port-Einspritzung von Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit sind nicht so streng. Das frühe Einspritzen hat nur geringe Nachteile, daher könnte ein einfacher Steuerungsalgorithmus verwendet werden, zum Beispiel um den Zündbeginn (SOI) und das Zündende (EOI) bei oder in der Nähe der Öffnungszeit des Einlassventils oder mit einem festen Versatz dazu zu halten.
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Genaue Steuerungen können zu einer erfolgreichen Implementierung des Verfahrens führen. Die Einspritzsteuerung und -menge werden beide reguliert, um ein Gleichgewicht zwischen einer ausreichenden Spülung und dem übermäßigen Verbrauch an Spülfluid zu erreichen.
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Wenn bei 218 die Zeit gleich der gewählten Einspritzsteuerungszeit ist (JA), fährt das Verfahren mit 222 fort, wo das Spülfluid entweder direkt in den Zylinder 14 gespritzt wird oder über einen Port in den Ansaugluftdurchlass 146 eingespritzt wird. Das Verfahren fährt dann mit 224 fort, wo der Controller 12 eine Rückmeldung bezüglich der Einspritzung des Spülfluids erhält. Verfahren 400 von 4 liefert Details über die Rückmeldung, mit der Motorcontroller 12 versehen ist, welche auf der Einspritzung und der anschließenden Einstellung der zukünftigen Einspritzfluidmenge beruht. Außerdem können Rückmeldungen zu Temperatur und Druck, wie vom MAP-Sensor 124 oder dem Temperatursensor 116 geschätzt oder gemessen, auch bei der Einstellung der zeitlichen Steuerung der Einspritzung genutzt werden, oder um anzuzeigen, ob das Spülfluid aufgebraucht ist oder die Spüleinspritzung auf andere Weise ausgefallen ist.
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Nach der Rückmeldung zur Einspritzung von Fluid an den Motorcontroller 12 bei 224 kehrt das Verfahren 200 dann zurück.
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3 illustriert die zeitliche Steuerung der Spülfluideinspritzung durch direkte Einspritzung. Bei 300 ist die Ventilüberlappung 301 unterhalb eines Schwellwertes, und die Einspritzung von Spülfluid tritt auf. Dies steht im Gegensatz zu 310 , wo die Ventilüberlappung 311 nicht unterhalb eines Schwellwertes liegt und kein Einspritzen von Spülfluid auftritt. Bei 302 werden Auslass- und Einlassventil, die sich mit geringer Überlappung 301 öffnen, für zwei Verbrennungszyklen angezeigt. Bei 304 wird eine Kraftstoffeinspritzung früh im Ansaugtakt nach dem Schließen des Abgasventils eingeordnet. Das Einspritzen von Spülfluid, sei es Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit, ist bei 306 zu sehen. Das Einspritzen von Spülfluid wird in der zweiten Hälfte des Ausstoßtaktes vor dem Öffnen des Einlassventils für die Direkteinspritzung von Spülfluid eingeordnet. Das Einspritzen von Spülfluid kann in der zweiten Hälfte des Ausstoßtaktes erfolgen, nachdem mehr als 90 % der Verbrennung abgeschlossen ist. Diese Zeitsteuerung unmittelbar vor dem Öffnen des Einlassventils kann auch für die Port-Einspritzung von Spülfluid effektiv sein. Port-Einspritzung von Spülfluid kann auch während der Ventilüberlappung auftreten.
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Allgemein wird die umgekehrte Situation bei 310 angezeigt, bei der das Spülfluid nicht eingespritzt wird, weil die Ventilüberlappung nicht unterhalb eines Schwellwertes liegt. Das Öffnen des Auslass- und Einlassventils mit Ventilüberlappung 311, die nicht unterhalb eines Schwellwertes liegt, ist in 312 zu sehen. Bei 314 wird die Einspritzung von Kraftstoff früh während des Ansaugtaktes gezeigt, nachdem sich das Auslassventil geschlossen hat. Keine Einspritzung von Spülfluid wird bei 316 gezeigt, da die Ventilüberlappung nicht unterhalb eines Schwellwertes liegt.
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4 zeigt detailliert ein Verfahren zum Einstellen der Menge an Spülfluid, das eingespritzt wird, auf der Grundlage einer Rückmeldung von einem Zeitpunkt vor der Einspritzung von Spülfluid. Das Verfahren 400 beginnt bei 402 , wobei das Verfahren 200 von 2 ausgeführt wird. Bei 404 wird der letzte Schritt, 212, von Verfahren 200 ausführlich behandelt. Eine Rückmeldung wird an Motorcontroller 12 auf der Grundlage der vorherigen Spülfluideinspritzung geliefert. Diese Rückmeldung kann Eingaben von einem Klopfsensor 181 , Abgassauerstoffsensor, wie zum Beispiel einem Abgassensor 128, Abgastemperatursensor 129 oder einem Abgasbestandteilsensor 127 umfassen. In einigen Ausführungsformen mögen all diese Sensoren nicht vorhanden sein, und die Rückmeldung kann von vorhandenen Sensoren oder auf der Grundlage von Abschätzungen durch den Motorcontroller 12 auf der Grundlage von Motorbetriebsbedingungen geliefert werden.
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Wenn bei 406 Klopfen von mehr als dem Schwellwert vom Klopfsensor 181 (JA) festgestellt wird, wird die Menge an Spülfluid bei der folgenden Einspritzung bei 408 erhöht, um den Zylinder weiter zu spülen und zu kühlen und beim Verhindern des Klopfens zu helfen. Wenn bei 406 NEIN gilt, fährt das Verfahren mit 410 fort, wo festgestellt wird, ob der Abgassauerstoffgehalt größer als der Schwellwert ist, wie vom Abgassauerstoffsensor 128 festgestellt. Wenn die Abgastemperatur höher als der Schwellwert bei 410 ist (JA), wird die Menge an Spülfluid bei der folgenden Einspritzung bei 412 erhöht, um die Verbrennungskammer weiter zu spülen und dadurch überschüssigen Sauerstoff im Katalysator zu vermeiden und NOx-Emissionen zu reduzieren.
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Wenn bei 410 der Abgassauerstoffgehalt nicht oberhalb des Schwellwerts liegt, fährt das Verfahren 400 mit 414 fort, wo festgestellt wird, ob die Abgastemperatur oberhalb eines Schwellwertes liegt. Wenn die Abgastemperatur oberhalb eines Schwellwertes liegt (JA), wird die Menge an Spülfluid bei der folgenden Einspritzung bei 416 erhöht, um den Zylinder weiter zu spülen und zu kühlen und schließlich die Abgasprodukte zu kühlen.
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Wenn bei 414 die Abgastemperatur nicht oberhalb eines Schwellwertes liegt, fährt das Verfahren mit 418 fort, wo festgestellt wird, ob ein Bestandteil oberhalb eines Schwellwertes liegt. Ein Abgasbestandteilsensor, wie zum Beispiel der Bestandteilsensor 127 , kann zum Anzeigen genutzt werden, ob überschüssiges Spülfluid oder seine Dampfkomponenten im Abgas vorhanden sind. Der Abgasbestandteilsensor könnte zum Beispiel Wasserdampf, Methanoldampf oder eine andere Komponente des Spülfluids feststellen. Wenn das Bestandteilsniveau oberhalb eines Schwellwertes bei 418 liegt (JA), wird die Menge an Fluid, das bei der folgenden Spülfluideinspritzung injiziert wird, bei 420 verringert, um einen übermäßigen Verbrauch an Spülfluid zu verhindern. Dann kehrt das Verfahren 400 zurück.
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Es versteht sich, dass die Schritte 406 , 410 , 414 und 420 in einer abgewandelten Reihenfolge oder gleichzeitig auftreten können, obwohl sie nacheinander aufgeführt werden. Außerdem können die Einstellungen für die Menge an Spülfluid, die eingespritzt wird, additiv sein. Wenn zum Beispiel bei 414 die Abgastemperatur oberhalb eines Schwellwertes liegt und bei 406 das Klopfen oberhalb eines Schwellwertes liegt, kann die Erhöhung für die Menge an Fluid, die eingespritzt wird, größer sein, als wenn entweder die hohe Abgastemperatur oder das Klopfen für sich festgestellt wird. Obwohl hier als einzelner Schwellwert vereinfacht beschrieben, kann jede Feststellung mehrere Schwellwerte haben, die einer Einstellung unterschiedlicher Größe für die Menge an eingespritztem Fluid entsprechen. Des Weiteren können zusätzliche Sensoren, die oben nicht aufgeführt worden sind, vorhanden sein und zum Liefern von Rückmeldungen verwendet werden, um die Einspritzmenge oder den zeitlichen Ablauf für die Dampfspülung zu steuern. Neben der Rückmeldung von speziellen Sensoren können Einstellungen an der Einspritzung an Schätzungen der Abgaseigenschaften vorgenommen werden, die auf Motorbetriebsbedingungen beruhen, wie zum Beispiel MAP, Motordrehzahl, Luft-Kraftstoff-Verhältnis usw. Die Abgasspülung durch ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann das Drehmoment erhöhen, indem es eine Frühzündung dank einer verringerten Zylindertemperatur oder durch Räumen der Verbrennungskammer von Abgasrückständen ermöglicht, was mehr Raum für eine frische Luft-Kraftstoff-Mischung ermöglicht. Des Weiteren kann das Einspritzen von Spülfluid Klopfen und/oder Vorzündung verhindern oder abmildern. Die genaue Steuerung der Menge an eingespritztem Fluid als Reaktion auf die oben erwähnte Rückmeldung verleiht einem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung verschiedene Vorteile. Die zeitliche Einspritzsteuerung kann mit Ventilüberlappung, Einspritzen zur richtigen Zeit und mit Ventilüberlappung unterhalb eines Schwellwertes festgelegt werden, was den Erfolg der Spülfluideinspritzung, Verringerung von Emissionen und Erhöhen der positiven Effekte der Abgasspülung durch ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung sicherstellt. Ferner kann das Steuern der Menge des eingespritzten Fluids als Reaktion auf verschiedene Rückmeldungen sicherstellen, dass das Abgasspülen effektiv ist, während gleichzeitig die Menge an benötigtem Fluid minimiert, Fluid für zukünftige Einspritzung bewahrt wird und das Ansammeln von Spülfluid oder Dampf in einem Zylinder, Ölsammelbehälter oder Abgassystem verhindert wird.
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Mit Verweis auf 5 wird eine Ausführungsform eines Verfahrens 500 zum Steuern der Einspritzung von Spülfluid in einen Motor beschrieben, der mit variabler Ventilsteuerung (WT) ausgestattet ist. Der Motor 10 aus 1 kann zum Verfahren 500 kompatibel sein, wenn die Nockenbetätigungssysteme 151 und 153 zum Beispiel unabhängige variable Zwillings-Nockenwellensteuerung (tiVCT) und/oder Nockenprofilumschaltung (CPS) und/oder variablen Ventilhub (WL) umfassen. Bei Verfahren 500 kann die Ventilsteuerung mit dem Einspritzen von Spülfluid koordiniert werden. Bei 502 wird beurteilt, ob das Spülen durch die Fluideinspritzung erfolgt. Wenn bei 502 JA gilt, wird die Einspritzung von Spülfluid gemäß dem Verfahren 200 von 2 mit der zusätzlichen Koordination von VVT bei 504 ausgeführt. Die Koordination von WT mit der Spülfluideinspritzung umfasst das Überwachen der Ventilsteuerung auf geringe Überlappung und geringes eingeschlossenes Volumen (z.B. Schließen des Auslassventils in der Nähe des oberen Totpunktes). Wenn keine Spülung durch Fluideinspritzung erfolgt (NEIN bei 502), dann fährt das Verfahren bei 506 fort). Das Einspritzen von Spülfluid könnte nicht in Fällen eines Systemfehlers auftreten oder wenn festgestellt wird, dass der Fluidpegel von Sammelbehälter 9, der entweder Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit enthält, unter einem Schwellwertpegel liegt. Bei 506 wird bei nicht erfolgender Spülung durch Fluideinspritzung WT gesteuert, um Klopfen zu verhindern. Dies kann das Verzögern des Einlassventilschließens und/oder begrenzte Nutzung der herkömmlichen Abgasspülung umfassen, die einen Überdruck vom Ansaugkrümmer zum Blasen von restlichen Abgasen durch die Abgasventilöffnung nutzt. Bei 508 wird beurteilt, ob die Klopfvermeidung erfolgreich war, indem bestimmt wird, ob das Klopfen stärker als ein Schwellwert ist. Dies kann durch den Klopfsensor 181 bestimmt werden. Wenn das Klopfen nicht größer als der Schwellwert ist (NEIN bei 508), kehrt das Verfahren zurück. Wenn das Klopfen größer als der Schwellwert ist (JA bei 508), werden zusätzliche Klopfabmilderungsschritte bei 510 ausgeführt. Dazu können das Reduzieren des Ladedrucks in einem Motor mit erhöhtem Ladedruck und/oder das Verzögern der Funkenzündung in einem Funkenzündmotor gehören. Es versteht sich, dass dies nur Beispiele für zusätzliche Klopfabmilderungsschritte sind und die Verfahren und das System der vorliegenden Offenbarung in Motoren ohne Ladedruckerhöhung und/oder Motoren ohne Funkenzündung ausgeführt werden können. Des Weiteren kann ein Motor ohne VVT die Funkenverzögerung oder reduzierten Ladedruck zum Abmildern des Klopfens nutzen, wenn die Spülfluideinspritzung fehlerhaft arbeitet oder unzureichend ist, um das Klopfen zu verhindern. Des Weiteren versteht es sich, dass WT nicht notwendig für die Dampfspülung ist und dass ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung ihre Anpassungsfähigkeit an Motoren mit oder ohne VVT ist, obwohl das Verfahren 500 ein Verfahren beschreibt, bei dem der Motor mit WT ausgerüstet ist.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein Verfahren, umfassend: Erhöhen des Ladedrucks der Motoransaugluft für einen Zylinder; und Einspritzen einer Menge an Wasser oder Windschutzscheibenwaschflüssigkeit in den Zylinder auf der Grundlage einer Menge an restlichem Abgas. Das Wasser oder die Windschutzscheibenwaschflüssigkeit verdampft bei Kontakt mit den heißen Abgasen und heißen Metallkomponenten, und das expandierte Volumen des Dampfes verdrängt das restliche Abgas. Das Verfahren kann an die Direkt- oder Port-Einspritzung angepasst werden und kann mit oder ohne variable Nockensteuerung verwendet werden, selbst dann, wenn der Ansaugkrümmerdruck größer als der Abgaskrümmerdruck ist.
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Es ist zu erkennen, dass die Konfigurationen und Verfahren, die hierin offenbart werden, beispielhafter Natur sind und dass diese speziellen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn betrachtet werden sollen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die obige Technologie auf V-6-, 1-4-, 1-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart werden. Die folgenden Ansprüche weisen besonders auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Aufnahme von einem oder mehreren solcher Elemente umfassen, die zwei oder mehr solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Präsentation neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, seien sie weiter, enger, gleich oder anders als im Geltungsbereich der ursprünglichen Ansprüche, werden auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten angesehen.
