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EINLEITUNG
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Fremdzündungsmotoren (SI) führen ein Luft-/Kraftstoffgemisch in jeden Zylinder ein, der während eines Verdichtungstaktes zusammengedrückt und durch eine Zündkerze gezündet wird. Fremdzündungsmotoren können in verschiedenen Verbrennungsmodi arbeiten, einschließlich als nicht einschränkende Beispiele, einem homogenen SI-Verbrennungsmodus und einem geschichteten Ladungs-SI-Verbrennungsmodus. SI-Motoren können auch so konfiguriert sein, dass sie in einem Verbrennungsmodus mit homogener Kompressionszündung (HCCI) arbeiten, der auch als gesteuerter Selbstzündungsverbrennungsmotor unter vorbestimmten Drehzahl-/Lastbetriebsbedingungen bezeichnet wird. HCCI-Verbrennung ist ein verteilter, flammenloser, kinetisch gesteuerter Selbstzündungsverbrennungsprozess, wobei der Motor bei einem verdünnten Luft/Kraftstoffgemisch, d. h. Magerung eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Punktes, mit relativ niedrigen Spitzenverbrennungstemperaturen, was zu niedrigem NOx Emissionen führt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verbrennungsmotor ist beschrieben und beinhaltet eine Brennkammer, die durch Zusammenwirken einer Zylinderbohrung gebildet ist, die in einem Zylinderblock, einem Zylinderkopf und einem Kolben ausgebildet ist. Eine Verbrennungszündvorrichtung ist in der Brennkammer angeordnet und beinhaltet eine Düse, die eine Vorkammer definiert, einen Barrierenentladungsplasmazünder, der einen in der Vorkammer angeordneten Spitzenabschnitt und eine Vielzahl von in der Düse angeordneten Öffnungen beinhaltet. Die Vorkammer steht über die Vielzahl von Öffnungen mit der Brennkammer in Fluidverbindung. Eine Steuerung steht mit dem Motor und dem Barrierenentladungsplasmazünder in Verbindung.
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Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet ein Lufteinspritzventil mit einem Spitzenabschnitt, der angeordnet ist, um Luft in die Vorkammer der Verbrennungszündvorrichtung einzuspritzen.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Spitzenabschnitt, der angeordnet ist, um Kraftstoff in die Vorkammer der Verbrennungszündvorrichtung einzuspritzen.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet eine Steuerung, die mit dem Verbrennungsmotor und dem Barrierenentladungsplasmazünder wirkverbunden ist, wobei die Steuerung einen ausführbaren Befehlssatz zur Aktivierung des Barrierenentladungsplasmazünders beinhaltet, um die Reaktivität eines in der Vorkammer enthaltenen mageren Kraftstoff-/Luftgemisches zu verbessern.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet eine Steuerung, die mit dem Verbrennungsmotor und dem Barrierenentladungsplasmazünder wirkverbunden ist, wobei die Steuerung einen ausführbaren Befehlssatz zur Aktivierung des Barrierenentladungsplasmazünders beinhaltet, um ein in der Vorkammer enthaltenes Kraftstoff-/Luftgemisch zu zünden.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet den Barrierenentladungsplasmazünder, der eine Elektrode beinhaltet, die einen Spitzenabschnitt beinhaltet, der in einem dielektrischen Material eingekapselt ist und elektrisch mit einem elektrischen Erdungspfad verbunden ist, der mit dem Motor verbunden ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Plasmazündungssteuerung so angeordnet ist, dass sie über den Barrierenentladungsplasmazünder ein Plasmaentladungsereignis in der Brennkammer ausführt.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Plasmazündungssteuerung so angeordnet ist, dass sie einen hochfrequenten elektrischen Hochspannungsimpuls an den Barrierenentladungsplasmazünder anlegt.
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Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
- 1 schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines einzelnen Zylinders für einen Verbrennungsmotor mit einer Verbrennungszündvorrichtung veranschaulicht, die einen im Zylinder befindlichen dielektrischen Barrierenentladungsplasmazünder und eine Plasmazündungssteuerung eines Plasmazündsystems gemäß der Offenbarung enthält;
- 2 schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Verbrennungszündvorrichtung darstellt, die einen im Zylinder befindlichen dielektrischen Barrierenentladungsplasmazünder, ein Vorkammer-Kraftstoffeinspritzventil und ein Vorkammer-Lufteinspritzventil beinhaltet, wobei die Verbrennungszündvorrichtung angeordnet ist, um in einer Durchgangsöffnung eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung montiert zu werden;
- 3 graphisch ein Zeitdiagramm zeigt, das dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors zugeordnet ist, der unter Bezugnahme auf die 1 und 2 über einen einzigen Motorzyklus beschrieben ist, einschließlich der Steuerzeiten des Betriebs eines dielektrischen Barrierenentladungsplasmazünders zur Reaktivitätsverstärkung und/oder Verbrennungszündung gemäß der Offenbarung; und
- 4 graphisch ein Zeitdiagramm zeigt, das dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors zugeordnet ist, der unter Bezugnahme auf die 1 und 2 über einen einzigen Motorzyklus beschrieben ist, einschließlich Steuerzeiten bezüglich der Aktivierung des Vorkammer-Kraftstoffeinspritzventils, eines Vorkammer-Lufteinspritzventils und eines dielektrischen Barrierenentladungsplasmazünders zur Reaktivitätsverstärkung und/oder Verbrennungszündung gemäß der Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung dargelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige dieser Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Des Weiteren sind die Zeichnungen vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Zum Zweck der Einfachheit und Klarheit können richtungsbezogene Begriffe mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet werden. Diese und ähnliche richtungsweisende Begriffe sind nicht so auszulegen, um den Umfang der Offenbarung zu beschränken. Außerdem kann die Offenbarung, wie hierin veranschaulicht und beschrieben, in Abwesenheit eines Elements ausgeführt werden, das nicht ausdrücklich hierin offenbart ist.
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Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „stromaufwärts“ und ähnliche Begriffe auf Elemente, die auf eine Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position hindeuten und der Begriff „stromabwärts“ und ähnliche Begriffe beziehen sich auf Elemente, die von einer Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position entfernt sind.
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Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, worin die Darstellungen zur Veranschaulichung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und nicht zu dem Zwecke der Beschränkung derselben dienen, zeigt 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines einzelnen Zylinders für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor (Motor) 100 und eine zugeordnete Motorsteuerung (ECM) 60. Der Motor 100 beinhaltet einen Motorblock 12, der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 28 definiert, die bewegliche Kolben 14 enthalten, von denen einer gezeigt ist. Ein Zylinderkopf 18 ist auf einem nominalen oberen Abschnitt des Motorblocks 12 angeordnet und eine drehbare Kurbelwelle (nicht gezeigt) ist an einem nominalen unteren Abschnitt des Motorblocks 12 angeordnet. Jede der Zylinderbohrungen 28 beherbergt einen der beweglichen Kolben 14. Die Wände der Zylinderbohrung 28, ein oberer Teil des Kolbens 14 und ein innerer freiliegender Teil des Zylinderkopfes 18 definieren äußere Begrenzungen einer Brennkammer 16 mit variablem Volumen, die darin angeordnet ist. Jeder Kolben 14 koppelt mechanisch mit einer Pleuelstange, die drehbar mit der Kurbelwelle koppelt, und der Kolben 14 verschiebt sich innerhalb der Zylinderbohrung 28 in einer Hin- und Herbewegung einer Position des oberen Totpunkts (TDC) und einer Position des unteren Totpunkts (BDC), um während jedes Verbrennungszyklus mechanische Kraft auf die Kurbelwelle zu übertragen. Der Motor 100 arbeitet vorzugsweise in einem Viertakt-Verbrennungszyklus, der wiederholt ausgeführte Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasshübe beinhaltet, worin die Hübe der Übersetzung des Kolbens 14 zugeordnet und mit der Zylinderbohrung 28 verbunden sind. Der Betrieb des Motors 100 wird durch das ECM 60 gesteuert, das mit einem Kraftstoffeinspritzsystem in Verbindung steht, um ein Kraftstoffeinspritzventil 45 zur Kraftstoffeinspritzung zu steuern, und kommuniziert mit einer Plasmazündungssteuerung 50 über die Leitung 62, um den Betrieb einer Verbrennungszündvorrichtung 30 zu steuern, die eine Vielzahl von dielektrischen Barrierenentladungsplasmazünder (Plasmazünder) 31 enthält, die teilweise im Zylinderinnen angeordnet sind. In einer Ausführungsform ist der Plasmazünder 31 als ein grundloser dielektrischer Barrierenentladungsplasmazünder konfiguriert, obwohl die hierin beschriebenen Konzepte nicht darauf beschränkt sind. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „grundlos“ die Abwesenheit eines diskreten Elements oder einer Struktur proximal zu dem Plasmazünder 31, der dazu in der Lage wäre, elektrisch mit einem Massepfad zu verbinden. Einzelheiten der Verbrennungszündvorrichtung 30 sind unter Bezugnahme auf 2 gezeigt. Die Verbrennungszündvorrichtung 30, die eine Ausführungsform des hierin beschriebenen Plasmazünders enthält, wird vorzugsweise als Ersatz für ein Funkenzündmodul und eine Zündkerze verwendet und erleichtert den Betrieb bei mageren Luft-/Kraftstoff-Verhältnissen einschließlich eines Betriebs in HCCI- und anderen Verbrennungsmodi.
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Der Zylinderkopf 18 beinhaltet einen Einlassanschluss oder -läufer 24, der in Fluidverbindung mit der Brennkammer 16 steht, wobei ein Einlassventil 20 angeordnet ist, um den Luftstrom in die Brennkammer 16 zu steuern. Der Zylinderkopf 18 auch beinhaltet auch einen Auslassanschluss oder -läufer 26, der in Fluidverbindung mit der Brennkammer 16 steht, wobei ein Auslassventil 22 angeordnet ist, um den Abgasstrom aus der Brennkammer 16 zu steuern. 1 zeigt ein einzelnes Einlassventil 20 und ein einziges Auslassventil 22, die der Brennkammer 16 sind, es versteht sich jedoch, dass jede Brennkammer 16 mit mehreren Einlassventilen und/oder mehreren Auslassventilen konfiguriert sein kann. Der Motorluftstrom kann durch selektives Einstellen der Position eines Drosselventils (nicht gezeigt) und Einstellen von Öffnungen und/oder Schließungen der Einlassventile 20 und der Auslassventile 22 in Bezug auf Kolbenpositionen gesteuert werden. Ein variables Ventilbetätigungssystem 21 ist angeordnet, um Öffnungen und Schließungen der Einlassventile 20 zu steuern, und ein variables Ventilbetätigungssystem 23 ist angeordnet, um Öffnungen und Schließungen der Auslassventile 22 zu steuern. Das variable Einlass- und Auslass-Ventilbetätigungssysteme 21, 23 können eine variable Nockenphaseneinstellung und einen wählbaren mehrstufigen Ventilhub beinhalten, z. B. mehrstufige Nockenwellen, die zwei oder mehr Ventilhubpositionen bereitstellen, und die Vorrichtungen von Ventilfedern und Lappen an einer oder mehreren rotierenden Nockenwellen verwenden, die drehbar mit der Kurbelwelle gekoppelt sind, oder andere geeignete Mechanismen, um eine derartige Steuerung zu bewirken. Die Änderung der Ventilstellung des mehrstufigen Ventilhubmechanismus kann eine diskrete Schrittänderung sein.
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Der Zylinderkopf 18 kann so angeordnet sein, um eine Struktur zum Anbringen von Kraftstoffeinspritzdüsen 45 bereitzustellen, von denen ein einzelne dargestellt ist. Jedes Kraftstoffeinspritzventil 45 ist angeordnet, um Kraftstoff in eine der Brennkammern 16 einzuspritzen. In einer Ausführungsform ist die Kraftstoffeinspritzdüse 45 mit einer Kraftstoffdüse angeordnet, die in einem geometrisch zentralen Abschnitt eines zylindrischen Querschnitts der Brennkammer 16 angeordnet ist und mit einer Längsachse davon fluchtet. Die Kraftstoffeinspritzdüse 45 koppelt mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, das unter Druck stehenden Kraftstoff mit einer Strömungsrate zuführt, die geeignet ist, den Motor 100 zu betreiben. Die Kraftstoffeinspritzdüse 45 beinhaltet ein Strömungssteuerventil und eine Brennstoffdüse, die angeordnet ist, um Kraftstoff in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Der Kraftstoff kann eine geeignete Zusammensetzung sein, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, Benzin, Ethanol, Diesel, Erdgas und Kombinationen davon. Die Brennstoffdüse kann sich durch den Zylinderkopf 18 in die Brennkammer 16 erstrecken. Weiterhin, kann der Zylinderkopf 18 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 45 und der Kraftstoffdüse angeordnet sein, die in einem geometrisch zentralen Abschnitt eines zylindrischen Querschnitts der Brennkammer 16 angeordnet ist und mit einer Längsachse davon ausgerichtet ist. Die Brennstoffdüse kann in Übereinstimmung mit der Verbrennungszündvorrichtung 30 zwischen dem Einlassventil 20 und dem Auslassventil 22 angeordnet sein. Alternativ kann der Zylinderkopf 18 mit der Brennstoffdüse angeordnet sein, die in einer Linie mit der Verbrennungszündvorrichtung 30 und orthogonal zu einer Linie zwischen dem Einlassventil 20 und dem Auslassventil 22 angeordnet ist. Alternativ kann der Zylinderkopf 18 mit der in einer seitlichen Einspritzkonfiguration angeordneten Kraftstoffdüse angeordnet sein. Alternativ kann das Kraftstoffeinspritzventil 45 in einer Kraftstoffeinspritzkanalkonfiguration angeordnet sein, wobei eine Brennstoffdüse in dem Einlasskanal 24 angeordnet ist. Die Anordnungen des Zylinderkopfes 18 einschließlich der Brennstoffdüse und der hierin beschriebenen Verbrennungszündvorrichtung 30 sind exemplarisch. Andere geeignete Anordnungen können im Rahmen dieser Offenbarung angewendet werden.
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Der Zylinderkopf 18 kann so angeordnet sein, dass er eine Struktur zum Anbringen der Verbrennungszündvorrichtung 30 bereitstellt, vorzugsweise in Form einer Durchgangsöffnung 19. Der Zylinderkopf 18 verbindet sich elektrisch mit einer elektrischen Masse 56. 2 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer Ausführungsform der Verbrennungszündvorrichtung 30, die vorzugsweise eine Ausführungsform des Plasmazünders 31 beinhaltet, der ein in einer Vorkammer 44 angeordnetes Ende beinhaltet, die in einer Düse 42 ausgebildet ist, die eine Vielzahl von Öffnungen 43 aufweist. Die Öffnungen 43 stellen Fluidleitungen durch die Düse 42 zwischen der Vorkammer 44 und der Brennkammer 16 bereit. In einer Ausführungsform kann es zwischen drei und zehn Öffnungen 43 geben, die jeweils vorzugsweise zylindrisch geformt sind und einen Durchmesser von etwa 320 Mikron aufweisen. Die Öffnungen 43 sind vorzugsweise um eine Mittellinienachse der Zylinderbohrung 28 in gleich beabstandeten Winkeln angeordnet und auf einen Winkel zwischen 60 Grad und 160 Grad von der Mittellinienachse der Zylinderbohrung 28 ausgerichtet. Die Vorkammer 44 wird durch die in der Brennkammer 16 enthaltenen Kraftstoff-, Luft- und Verbrennungsprodukte gespeist.
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In einer Ausführungsform beinhaltet die Verbrennungszündvorrichtung 30 auch ein Vorkammer-Lufteinspritzventil 40, das einen Spitzenabschnitt 41 beinhaltet, der in der Vorkammer angeordnet ist. In einer Ausführungsform enthält die Verbrennungszündvorrichtung 30 auch ein Vorkammer-Kraftstoffeinspritzventil 38 mit einem Spitzenabschnitt 39, der in der Vorkammer angeordnet ist. In einer Ausführungsform beinhaltet die Verbrennungszündvorrichtung 30 auch ein Vorkammer-Lufteinspritzventil 40 und einen Vorkammer-Kraftstoffeinspritzventil 38. Das Vorkammer-Kraftstoffeinspritzventil 38 kann eine geeignete Kraftstoffeinspritzvorrichtung sein, die in der Lage ist, Kraftstoff steuerbar in die Vorkammer 44 zu liefern, während sie der Temperatur- und Druckumgebung im Zylinderinnen standhält. Das Vorkammer-Lufteinspritzventil 40 kann eine geeignete Lufteinspritzvorrichtung sein, die in der Lage ist, Luft steuerbar in die Vorkammer 44 zu liefern, während sie der Temperatur- und Druckumgebung im Zylinderinnen standhält.
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Jeder Plasmazünder 31 enthält eine einzelne Elektrode 33 mit einem Spitzenabschnitt 34, der in die Vorkammer 44 hineinragt. Die einzelne Elektrode 33 und der Spitzenabschnitt 34 sind in einer dielektrischen Beschichtung 32 eingekapselt, worin die Elektrode 33 den Spitzenabschnitt 34 nahe einem zweiten distalen Ende 36 aufweist, das einem ersten Ende 35 gegenüberliegt, das elektrisch mit der Plasmazündungssteuerung 50 verbunden ist. In einer Ausführungsform weist die dielektrische Beschichtung 32 eine Dicke auf, die innerhalb eines Bereichs zwischen 1 mm und 5 mm liegt. Der Plasmazünder 31 ist fest an einem Befestigungsvorsprung 29 oder einer anderen geeigneten Struktur angebracht. Der Befestigungsvorsprung 29 ist vorzugsweise durch die Durchgangsöffnung 19 im Zylinderkopf 18 eingesetzt und an dieser befestigt, sodass die Vorkammer 44 in die Brennkammer 16 hineinragt. Ein erstes Ende 35 der Elektrode 33 verbindet sich elektrisch mit der Plasmazündungssteuerung 50.
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Die dielektrische Beschichtung 32 stellt eine dielektrische Barriere um den Spitzenabschnitt 34 der Elektrode 33 bereit. Als solches ist der Spitzenabschnitt 34 der Elektrode 33 vollständig durch das dielektrische Material, das die dielektrische Beschichtung 32 bildet, eingekapselt. Die dielektrische Beschichtung 32 kann in einer Kegelstumpfform ausgebildet sein, die sich zum distalen Ende 36 hin verjüngt. Dieses Beispiel ist nicht beschränkend, und die Elektrode 33 und die dielektrische Beschichtung 32 können ansonsten relativ zu der Kontur des distalen Endes 36 geformt und/oder konturiert sein. Das distale Ende 36 kann beispielsweise als ein konisches Ende, ein zylindrisches Ende, ein abgeschrägtes zylindrisches Ende usw. geformt sein. Andere Querschnittsformen, z. B. oval, rechteckig, sechseckig usw. können verwendet werden. Andere Konfigurationen von dielektrischen Barrierenentladungsplasmazündern können mit ähnlicher Wirkung verwendet werden. Das dielektrische Material kann ein geeignetes dielektrisches Material sein, das in der Lage ist, den Temperaturen und Drücken zu widerstehen, die in einer Motorbrennkammer auftreten können. Das dielektrische Material kann beispielsweise ein Glas-, Quarz- oder keramisches dielektrisches Material sein, wie ein hochreines Aluminiumoxid.
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Die Plasmazündungssteuerung 50 steuert den Betrieb des Plasmazünders 31 unter Verwendung von elektrischer Energie, die von einer Energiequelle 55, z. B. einer Gleichstromquelle, zugeführt wird. Die Plasmazündungssteuerung 50 ist auch elektrisch mit dem elektrischen Massepfad 56 verbunden, wodurch eine elektrische Masseverbindung mit dem Zylinderkopf 18 gebildet wird. Die Plasmazündungssteuerung 50 verbindet sich elektrisch mit jedem der Plasmazünder 31, vorzugsweise über eine Vielzahl von elektrischen Kabeln 52, von denen ein einziges gezeigt ist. Die Plasmazündungssteuerung 50 beinhaltet eine Steuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, einen hochfrequenten elektrischen Hochspannungsimpuls zu erzeugen, der jedem Plasmazünder 31 über das elektrische Kabel 52 zugeführt wird, um ein Plasmaentladungsereignis zu erzeugen, das die Kraftstoff-Luft-Zylinderladungen in Reaktion auf Steuersignale, die vom ECM 60 stammen können, entzündet. Ein Stromsensor kann angeordnet sein, um das elektrische Kabel 52 zu überwachen, um einen elektrischen Strom zu erfassen, der von der Plasmazündungssteuerung 50 dem Plasmazünder 31 während jedes Plasmaentladungsereignisses zugeführt wird. Der Stromsensor kann direkte oder indirekte Stromerfassungstechnologien in Verbindung mit Signalverarbeitungsschaltungen und Algorithmen verwenden, um einen Parameter zu bestimmen, welcher der Größe des Stroms zugeordnet ist, der jedem Plasmazünder 31 zugeführt wird. Derartige Stromerfassungstechniken können mittels nicht einschränkenden Ausführungsformen Induktions-, Shuntwiderstand oder Hall-Effekt-Erfassungstechniken beinhalten.
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Während jedes Plasmaentladungsereignisses arbeitet die Plasmazündungssteuerung 50 zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Hochspannungsimpulses, welcher der Elektrode 33 über das elektrische Kabel 52 zugeführt wird. In einem Beispiel, der hochfrequente, Hochspannung elektrischen Impulses kann eine Spitze Primärspannung 100 V, Sekundärspannungen zwischen 10 und 70 kV, eine Dauer von 2,5 ms und eine Gesamtenergie von 1,0 J, mit einer Frequenz nahe einem Megahertz (MHz). Das Plasmaentladungsereignis erzeugt einen oder mehrere Plasmaentladungsströme 37, die am Befestigungsvorsprung 29 entstehen und sich zum Spitzenabschnitt 34 hin ausbreiten. Ein einzelner Plasmaentladungsstrom 37 ist gezeigt. Die Plasmaentladungsströme 37 können sich über eine Oberfläche eines Längsabschnitts der dielektrischen Beschichtung 32 der Elektrode 33 an mehreren radialen Stellen ausbreiten und am distalen Ende 36 an oder nahe dem Spitzenabschnitt 34 enden. Die Plasmaentladungsströme 37 wirken mit der Zylinderladung zusammen und zünden diese, wobei sie in der Brennkammer 16 verbrennt, um mechanische Kraft zu erzeugen. Die spezifischen Details der Konfiguration des Plasmazünders 31, seiner Anordnung in der Brennkammer 16 und der Betriebsparameter (Spitzenspannung, Frequenz und Dauer), die mit der elektrischen Leistung und dem Zeitpunkt der Aktivierung während jedes Plasmaentladungsereignisses verbunden sind, sind anwendungsspezifisch und werden vorzugsweise ausgewählt, um die gewünschten Verbrennungseigenschaften innerhalb der Brennkammer 16 zu erreichen. Die Vielzahl von Plasmaentladungsströmen 37 erzeugt eine große Entladungsfläche für eine effektive Flammenentwicklung in Zylinderladungen, die eine stöchiometrische homogene, magere homogene, fette homogene und/oder mager/fett geschichtete und mager gesteuerte Selbstzündung sein kann.
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Der Motor 100 arbeitet selektiv in einem von mehreren Verbrennungsmodi in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen. Die Offenbarung kann auf verschiedene Motorsysteme und Verbrennungszyklen angewendet werden. In einer Ausführungsform kann der Motor 100 operativ mit einer Vielzahl von Rädern verbunden sein, die an einer oder mehreren Achsen eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) angeordnet sind, um eine Zugkraft bereitzustellen. So kann beispielsweise der Motor 100 mit einem Getriebe (nicht gezeigt) verbunden sein, das seinerseits die eine oder die mehreren Achsen drehen kann. Der Motor 100 kann eine direkte Zugkraft auf die Vielzahl von Rädern, wie beispielsweise über das mit der einen oder den mehreren Achsen verbundene Getriebe, bereitstellen oder eine Leistung für einen oder kann einen oder mehrere Elektromotoren (nicht gezeigt) mit Strom versorgen, die wiederum eine direkte Antriebskraft für die Vielzahl von Rädern darstellen können. Der Motor 100 kann dazu konfiguriert sein, ein Fahrzeug durch Verbrennung von Kraftstoff und Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie zu versorgen. Der Motor 100 verwendet vorteilhafterweise eine Ausführungsform des Plasmazündsystems, das die Plasmazündsteuerung 50 und den Plasmazünder 30 beinhaltet, um eine stabile Tieftemperaturverbrennung von Kraftstoff-/Luftzylinderladungen zu erleichtern, die stark verdünnt sind, und stellen somit eine Alternative zu einem Zündkerzen-Zündsystem bereit, das eine Niedertemperatur-, Verdünnungsverbrennung bei hohen Verbrennungsdrücken verbessern kann, während eine robuste magere Niedertemperaturverbrennung erreicht wird.
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Wie in der Ausführungsform mit Bezug auf 1 beschrieben ist, überwacht das ECM 60 die Eingänge von Motor- und Fahrzeugsensoren, um Zustände von Motorparametern zu bestimmen. Das ECM 60 ist so konfiguriert, dass es Bedienerbefehle empfängt, z. B. über ein Gaspedal und ein Bremspedal, um eine Ausgangsdrehmomentanforderung zu bestimmen, aus der Motorsteuerparameter und ein Motordrehmomentbefehl abgeleitet werden. Das ECM 60 führt darin gespeicherte Steuerroutinen aus, um die Zustände für die Motorsteuerparameter zu bestimmen, um die vorstehend erwähnten Stellglieder zu steuern, um eine Zylinderladung zu bilden, einschließlich Steuern der Drosselklappenstellung, Kompressorverstärkung, Plasmazündzeitpunkt, Kraftstoffeinspritzimpulsbreite, welche die eingespritzte Kraftstoffmasse und den Zeitablauf beeinflussen, EGR-Ventilstellung zur Steuerung des Durchflusses von rezirkulierten Abgasen und Einlass- und/oder Auslassventilzeitabstimmung und Phasenverschiebung. Die Ventilzeitabstimmung und die Phasenverschiebung können eine negative Ventilüberlappung (NVO) und ein Heben der Auslassventil-Wiedereröffnung (in einer Abgasrückatmungsstrategie) und eine positive Ventilüberlappung (PVO) beinhalten. Motorparameter, die mit einer Zylinderladung verbunden sind, die von einzelnen Motorsteuerungsparametern beeinflusst werden, können das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, den Ansaugsauerstoff, den Motormassenluftstrom (MAF), den Verteilerdruck (MAP) und den Massenverbrennungspunkt (CA50-Punkt) beinhalten. Das Luft-/Kraftstoffverhältnis kann durch die Kraftstoffeinspritz-Pulsbreite gesteuert werden und beeinflusst eine Kraftstoffmenge, die in jede Verbrennungskammer 16 während jedes Motorzyklus eingespritzt wird. Der Motormassenluftstrom (MAF) und der Verteilerdruck (MAP) werden durch Steuern von NVO/PVO, elektronischer Drosselklappensteuerung und einem Turbolader (bei Verwendung) gesteuert und beeinflussen eine Größe der eingeschlossenen Luftmasse und eine Größe von Restgasen in der Brennkammer 16. Der Ansaugsauerstoff kann durch das AGR-Ventil gesteuert werden, das eine Größe der externen AGR während jedes Motorzyklus steuert. Die Motorparameter von MAF, Ist-Luft-/Kraftstoffverhältnis, Einlass-Sauerstoff, MAP und CA50-Punkt können direkt unter Verwendung von Sensoren gemessen werden, die aus anderen erfassten Parametern abgeleitet, geschätzt, von Motormodellen abgeleitet oder anderweitig dynamisch durch das ECM 60 bestimmt werden.
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Die Begriffe Steuereinheit, Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und deren zugeordneten nicht-transitorische Speicherkomponenten in Form von Arbeitsspeicher- und Datenspeichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenspeicher usw.). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in der Form einer oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe-/Ausgabeschaltung(en) und -vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Zu den Ein- und Ausgabevorrichtungen und Schaltungen gehören Analog-/Digitalwandler und ähnliche Vorrichtungen, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Wertetabellen. Jede Steuereinheit führt für Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen, darunter auch die Überwachung der Eingaben von Sensorgeräten und anderen vernetzten Steuereinheiten, bereitzustellen, und führt zudem Steuer- und Diagnoseroutinen aus, um die Betätigung von Stellgliedern zu steuern. Routinen können periodisch in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, z. B. alle 100 Mikrosekunden während des laufenden Betriebs. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen Steuereinheiten untereinander und die Kommunikation von Steuereinheiten mit Stellgliedern und/oder Sensoren kann über eine direkte drahtgestützte Verbindung, einen vernetzten Kommunikationsbus 54, eine drahtlose Verbindung oder einer anderen geeignete Kommunikationsverbindung aufgebaut werden. Die Kommunikation beinhaltet den Austausch von Datensignalen in einer geeigneten Form, einschließlich beispielsweise elektrischer Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetischer Signale über die Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Datensignale können Signale beinhalten, die Sensoreingaben, Stellgliedbetätigungen und Kommunikationssignale zwischen Steuerungen darstellen. Der Begriff „Modell“ bezeichnet einen prozessorbasierten oder einen mittels des Prozessors ausführbaren Code und der zugehörigen Kalibrierung, die die physische Existenz einer Vorrichtung oder eines physischen Prozesses simuliert. Soweit hierin verwendet, beschreibt der Begriff „dynamisch“ Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und durch das Überwachen oder sonstige Ermitteln von Parameterzuständen und das regelmäßige oder periodische Aktualisieren von Parameterzuständen beim Ausführen einer Routine oder zwischen Iterationen beim Ausführen des Programms gekennzeichnet sind.
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Wie bereits zuvor beschrieben, können sich die Plasmaentladungsströme 37 über eine Oberfläche eines Längsabschnitts der dielektrischen Beschichtung 32 der Elektrode 33 in mehreren radialen Stellen ausbreiten und am distalen Ende 36 an oder nahe dem Spitzenabschnitt 34 enden, wenn die dielektrische Beschichtung 32 um die Elektrode 33 intakt ist. Die Plasmaentladungsströme 37 wirken mit der Zylinderladung zusammen und zünden diese, wobei sie in der Brennkammer 16 verbrennt, um mechanische Kraft zu erzeugen. Die Plasmaentladungsströme 37 sind Niedertemperatur-Plasmaströme, die relativ niedrigere Ströme, z. B. weniger als 10 mA, in einer Ausführungsform aufweisen können.
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Unter Motorbetrieb, der Luft-/Kraftstoff-Verhältnisse einschließt, die zwischen stöchiometrischen und mageren Luft-/Kraftstoff-Verhältnisbedingungen liegen, kann die Verbrennungszündvorrichtung 30 als Reaktivitätsverstärker arbeiten. Dieser Vorgang beinhaltet das Umwandeln des Inhalts der Vorkammer 44, d. h. Luft und Kraftstoff, in eine aktive Spezies wie O3, die durch die Öffnungen 43 ausgestoßen werden kann, um die Zylinderladung in der Brennkammer 16 zu reagieren, und kann in Form von Niedrigtemperatur-reaktiven turbulenten Strahlen sein. Die Niedrigtemperatur-reaktiven turbulenten Strahlen, die die aktive Spezies enthalten, sind in der Lage, die Reaktivität des Luft-/Kraftstoff-Gemisches, das darin enthalten ist, zu verbessern. Die Verbrennungszündvorrichtung 30 führt somit aktive Spezies (O3) ein, die die Reaktivität der Mischung in der Vorkammer 44 ohne deren aktive Zündung verbessern, wodurch die Verschmutzung begrenzt wird. Der hochreaktive turbulente Strahl bei ,Niedrigtemperatur‘ kann die Verbrennung von ultramageren/verdünnten Gemischen ermöglichen, die die Zylinderfüllung ausmachen. Unter einem Motorbetrieb, der Luft-/Kraftstoff-Verhältnisse beinhaltet, die zwischen stöchiometrischen und fetten Bedingungen liegen, kann die Verbrennungszündvorrichtung 30 als ein Zünder arbeiten, der das in der Vorkammer 44 enthaltene Luft- und Kraftstoffgemisch zur Verbrennung und zur Klopfunterdrückung der Zylinderfüllung in der Brennkammer 16 zündet. Dielektrische Barrierenentladungsplasmazünder, wie die hierin beschriebenen Plasmazünder 30, ermöglichen Technologien für verdünnte Verbrennungsmotoren, die einen verbesserten Motorwirkungsgrad und verringerte Abgasemissionen erleichtern können. Die hierin beschriebenen Konzepte erleichtern die Implementierung von dielektrischen Barrierenentladungsplasmazündern.
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3 zeigt graphisch ein Steuerzeitendiagramm, das dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotor 100 einschließlich der Verbrennungszündvorrichtung 30 zugeordnet ist, die unter Bezugnahme auf die 1 und 2 über einen einzelnen Motorzyklus, einschließlich Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasshübe 302, 304, 306 bzw. 308 beschrieben ist. Dieses Diagramm beinhaltet Steuerzeiten des Betriebs des Plasmazünders 31 zur Reaktivitätsverbesserung und/oder Verbrennungszündung. Motorbetriebsdaten beinhalten Ventilhub und Zeitpunkt (mm) 315, einschließlich Auslassventilhub 312 und Einlassventilhub 314, die in Bezug auf den entsprechenden Auslasshub 302 bzw. Einlasshub 304 und Zylinderdruck 310 gezeigt sind. Eine Periode der positiven Ventilüberlappung 313 ist angezeigt. Die hierin beschriebenen Konzepte gelten auch für Steuerroutinen, die negative Ventilüberlappungsbedingungen beinhalten. Motordaten beinhalten auch den Zylinderinnendruck 316, der zu Beginn des Arbeitshubs 308 seinen Höhepunkt erreicht. Motorsteuerdaten beinhalten Kraftstoffeinspritzereignisse 320, die in die Brennkammer 16 eingespritzt werden. Wie gezeigt, gibt es ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis 322, das vorzugsweise während des Einlasshubs 304 auftritt und endet, und ein optionales zweites Kraftstoffeinspritzereignis 324, das vorzugsweise während des Kompressionshubs 306 auftritt und endet. Motorsteuerdaten beinhalten auch Reaktivitätsereignisse 330 in Form einer Mehrzahl (vier wie gezeigt) von Plasmaentladungsereignissen 332, die vorzugsweise am Ende des Einlasshubs 304 und/oder während eines frühen Abschnitts des Kompressionshubs 308 auftreten. Alternativ oder zusätzlich beinhalten die Motorsteuerdaten Zündereignisse 340 in Form eines Plasmaentladungsereignisses 342, das vorzugsweise am Ende des Kompressionshubs 306 auftritt, um eine Zündung der Zylinderfüllung zu bewirken.
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4 zeigt graphisch ein Steuerzeitendiagramm, das dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotor 100 einschließlich der Verbrennungszündvorrichtung 30 zugeordnet ist, die unter Bezugnahme auf die 1 und 2 über einen einzelnen Motorzyklus, einschließlich Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasshübe 402, 404, 406 bzw. 408 beschrieben ist. Dieses Diagramm beinhaltet Steuerzeiten des Betriebs des Plasmazünders 31 zur Reaktivitätsverbesserung und/oder Verbrennungszündung. Motorbetriebsdaten beinhalten Ventilhub und Zeitpunkt (mm) 415, einschließlich Auslassventilhub 412 und Einlassventilhub 414, die in Bezug auf den entsprechenden Auslasshub 402 bzw. Einlasshub 404 und Zylinderdruck 410 gezeigt sind.
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Eine Periode der positiven Ventilüberlappung 413 ist angezeigt. Die hierin beschriebenen Konzepte gelten auch für Steuerroutinen, die negative Ventilüberlappungsbedingungen beinhalten. Motordaten beinhalten auch den Zylinderinnendruck 416, der zu Beginn des Arbeitshubs 408 seinen Höhepunkt erreicht. Motorsteuerdaten beinhalten Kraftstoffeinspritzereignisse 420, die in die Brennkammer 16 eingespritzt werden. Wie gezeigt, gibt es ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis 422, das vorzugsweise während des Einlasshubs 404 auftritt und endet, und ein optionales zweites Kraftstoffeinspritzereignis 424, das vorzugsweise während des Kompressionshubs 406 auftritt und endet. Motorsteuerdaten beinhalten auch Vorkammer-Lufteinspritzereignisse 450, einschließlich eines Vorkammer-Lufteinspritzereignisses 452, das während des Kompressionshubs 406 auftritt. Ein einzelnes Vorkammer-Lufteinspritzereignis 452 ist gezeigt, es können aber mehrere Ereignisse ausgeführt werden. Motorsteuerdaten beinhalten auch Vorkammer-Lufteinspritzereignisse 460, einschließlich eines Vorkammer-Lufteinspritzereignisses 462, das während des Kompressionshubs 406 auftritt und vorzugsweise nach dem Vorkammer-Lufteinspritzereignis 452, falls vorhanden. Ein einzelnes Vorkammer-Lufteinspritzereignis 462 ist gezeigt, es können aber mehrere Ereignisse ausgeführt werden. Motorsteuerdaten beinhalten auch Reaktivitätsereignisse 430 in Form einer Mehrzahl (vier wie gezeigt) von Plasmaentladungsereignissen 432, die vorzugsweise am Ende des Einlasshubs 404 und/oder während eines frühen Abschnitts des Kompressionshubs 406 auftreten. Alternativ oder zusätzlich beinhalten die Motorsteuerdaten Zündereignisse 440 in Form eines Plasmaentladungsereignisses 442, das vorzugsweise am Ende des Kompressionshubs 406 auftritt, um eine Zündung der Zylinderfüllung zu bewirken.
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Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.
