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EINLEITUNG
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Verbrennungsmotoren (Motoren) erzeugen mechanische Leistung in Form von Drehmoment und Drehzahl durch Verbrennen eines Gemisches aus Luft und Kraftstoff in einer oder mehreren Verbrennungskammern. Während der Verbrennung werden verschiedene Abgase erzeugt. Ein Teil des Abgases kann in die Motorzylinder zurückgeführt werden, z. B. über ein Abgasrückführungssystem. Das zurückgeführte Abgas kann eine Menge an brennbarem Gemisch im Zylinder verdrängen, was zu einer Verdünnung der Zylinderladung und einer erhöhten Motorleistung sowie niedrigeren Verbrennungstemperaturen führt, die dazu dienen können, die Bildung bestimmter gasförmiger Nebenprodukte zu reduzieren. Die Größenordnung der Verdünnung kann sich auf die Verbrennungsstabilität auswirken und ist daher begrenzt.
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KURZDARSTELLUNG
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Es wird ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotorsystem (Motor) beschrieben und beinhaltet eine Motorunteranordnung mit einem Motorblock, der eine Vielzahl von Zylindern mit einer ersten Zylinderuntergruppe, einer zweiten Zylinderuntergruppe und einem Lufteinlasssystem definiert. Ein erster Abgaskrümmer ist angeordnet, um Abgas von einer ersten Zylinderuntergruppe mitzunehmen, und ein zweiter Abgaskrümmer ist angeordnet, um Abgas von einer zweiten Zylinderuntergruppe mitzunehmen. Ein mit der zweiten Zylinderuntergruppe verbundenes Abgasrückführungssystem (AGR) mit dediziertem Zylinder beinhaltet einen Läufer, der zwischen dem zweiten Abgaskrümmer und dem Lufteinlasssystem strömungsmäßig verbunden ist. Ein Plasmazündsystem ist in der zweiten Zylinderuntergruppe angeordnet, wobei jeder der Plasmazünder einen Spitzenabschnitt aufweist, der in einer der zweiten Zylinderuntergruppe angeordnet ist. Eine Steuerung ist mit dem Verbrennungsmotor einschließlich des Plasmazündsystems wirkverbunden. Die Steuerung beinhaltet einen ausführbaren Befehlssatz, um das Plasmazündsystem zur Steuerung der Plasmazünder zu betreiben, um Plasmaentladungen in der zweiten Zylinderuntergruppe auszuführen, um Restabgas zu erzeugen.
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Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet ein Verfahren für das Betreiben des Motors, das das Erzeugen von Zylinderladungen in der ersten Zylinderuntergruppe und in der zweiten Zylinderuntergruppe beinhaltet, einschließlich des Verwendens von Einlassluft, die in das Lufteinlasssystem eingeführt wird. Das Plasmazündsystem führt zur Verbrennung der Zylinderladungen in der zweiten Zylinderuntergruppe eine Plasmaentladung aus, um das Restabgas zu erzeugen, das zur Aufnahme in die Einlassluft von der zweiten Zylinderuntergruppe durch das AGR-System mit dediziertem Zylinder zum Einlassluftsystem zurückgeführt wird.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass der Motor ferner ein Umlenkventil enthält, das für die Regelung der von der zweiten Zylinderuntergruppe zugeführten Restabgasströmung angeordnet ist. Der Betrieb des Motors beinhaltet das Bestimmen eines Motordrehzahl-/Lastbetriebspunkts und das Steuern des Umlenkventils, um das Restabgas für die Aufnahme in die Einlassluft durch das AGR-System mit dediziertem Zylinder zum Lufteinlasssystem zu leiten, wenn der Motordrehzahl-/Lastbetriebspunkt mit einem Drehzahl-/Lastbetriebsbereich verbunden ist, bei dem der Motor bei einem akzeptablen Grad der Verbrennungsstabilität arbeiten kann.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Steuern des Umlenkventils, um das Restabgas von dem AGR-System mit dedizierten Zylindern wegzuleiten, wenn der Motordrehzahl-/Lastbetriebspunkt nicht mit einem Drehzahl-/Lastbetriebsbereich verbunden ist, bei dem der Motor bei einem akzeptablen Grad der Verbrennungsstabilität arbeiten kann.
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Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Einspritzen von Kraftstoff über ein Kraftstoffeinspritzsystem, um Zylinderladungen in der ersten Zylinderuntergruppe zu bilden, die mager an Stöchiometrie sind.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Einspritzen von Kraftstoff über das Kraftstoffeinspritzsystem, um die Zylinderladungen in der zweiten Zylinderuntergruppe zu bilden, die reich an Stöchiometrie sind.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Ausführen von Plasmaentladungen über das Plasmazündsystem, um die Zylinderladungen in der ersten Zylinderuntergruppe zu verbrennen.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Ausführen von Plasmaentladungen über das Plasmazündsystem, um die Zylinderladungen zur Erzeugung von Radikalen im Restabgas in der zweiten Zylinderuntergruppe zu verbrennen.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Motorunteranordnung, die in einer Reihenzylinderkonfiguration angeordnet ist, wobei die zweite Zylinderuntergruppe einen einzigen der Zylinder beinhaltet.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Motorunteranordnung, die in einer Reihenzylinderkonfiguration angeordnet ist, wobei die zweite Zylinderuntergruppe eine Vielzahl von Zylindern beinhaltet.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die Reihenzylinderkonfiguration, einschließlich einer von einer Dreizylinder-Reihenkonfiguration, einer Vierzylinder-Reihenkonfiguration, einer Fünfzylinder-Reihenkonfiguration oder einer Sechszylinder-Reihenkonfiguration.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die in einer V-Konfiguration angeordnete Motorunteranordnung, einschließlich einer ersten Zylinderreihe und einer zweiten Zylinderreihe, wobei die zweite Zylinderuntergruppe einen einzigen der Zylinder auf jeder der ersten und zweiten Zylinderreihen beinhaltet.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die in einer V-Konfiguration angeordnete Motorunteranordnung, einschließlich einer ersten Zylinderreihe und einer zweiten Zylinderreihe, wobei die zweite Zylinderuntergruppe alle Zylinder in jeder der ersten und zweiten Zylinderreihen beinhaltet.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet die V-Konfiguration, die eine V6-Konfiguration, eine V8-Konfiguration, eine V-10-Konfiguration oder eine V-12-Konfiguration einschließt.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass ein Plasmazünder als eine Barriere-Entladungsvorrichtung, eine gegenstandslose Barriere-Entladungsvorrichtung oder ein Korona-Entladungs-Plasmazünder konfiguriert ist.
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Ein anderer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Plasmazündsystem mit einer Vielzahl von in der ersten Zylinderuntergruppe angeordneten Plasmazündern, wobei jeder der Plasmazünder einen Spitzenabschnitt aufweist, der in einer der ersten Zylinderuntergruppe angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet den Ansaugkrümmer mit einer ersten Drosselklappe, die für die Regelung des Einlassluftstroms zu den ersten und zweiten Zylinderuntergruppen angeordnet ist, und eine zweite Drosselklappe, die für die Regelung des Einlassluftstroms zu nur der zweiten Zylinderuntergruppe angeordnet ist.
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Diese und andere Aspekte der Offenbarung werden hierin beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors mit einer Motorunteranordnung, die eine erste Zylinderuntergruppe und eine zweite Zylinderuntergruppe aufweist, mit einem in der zweiten Zylinderuntergruppe angeordneten Plasmazündsystem, wobei die zweite Zylinderuntergruppe gemäß der Offenbarung in Verbindung mit einem Abgasrückführungssystem (AGR) mit dediziertem Zylinder steht;
- 2 zeigt graphisch Ergebnisse im Zusammenhang mit der Verbrennungsstabilität bezüglich der AGR-Ladungsverdünnung, wobei die Ergebnisse mit dem Betrieb einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Verbrennungsmotors assoziiert sind, im Vergleich mit dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors mit einer Motorunteranordnung mit einem Abgasrückführungssystem (AGR) mit dediziertem Zylinder, das ein Fremdzündungssystem verwendet, gemäß der Offenbarung; und
- 3 zeigt graphisch ein Zeitdiagramm, das dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors zugeordnet ist, der unter Bezugnahme auf die 1 über einen einzigen Motorzyklus beschrieben ist, einschließlich des Zeitpunkts der Aktivierung eines Plasmazünders zur Reaktivitätsverstärkung und/oder Zündung einer Zylinderladung 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 offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese 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. Die Verwendung von richtungsbezogenen Begriffen sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Des Weiteren kann die Offenbarung, wie sie hierin dargestellt und beschrieben wird, in Abwesenheit jeglichen Bestandteils ausgeübt werden, das nicht ausdrücklich hierin offenbart ist. Weiterhin können die Lehren hierin in Bezug auf die funktionalen bzw. logischen Blockkomponenten bzw. verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus Hardware, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die zum Ausführen von spezifizierten Funktionen konfiguriert sind. 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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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die Darstellungen zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zwecke der Beschränkung derselben dienen sollen. 1 veranschaulicht schematisch eine Viertakt-Verbrennungsmotoranordnung (Motor) 10, die eine Motorunteranordnung 12 mit einer ersten Zylinderuntergruppe 18 und einer zweiten Zylinderuntergruppe 19 aufweist, worin die zweite Zylinderuntergruppe 19 einem Abgasrückführungssystem (AGR) mit dediziertem Zylinder 60 zugeordnet ist. Die erste und die zweite Zylinderuntergruppe 18, 19 schließen sich gegenseitig aus. Jeder der mit der zweiten Zylinderuntergruppe 19 assoziierte Zylinder beinhaltet einen Plasmazünder 39, der von einem Plasmazündsystem 38 gesteuert wird. Der Motor 10 beinhaltet auch ein Lufteinlasssystem 14 und ein Abgassystem 16. Eine Steuerung 72 ist für die Steuerung des Betriebs des Motors 10 einschließlich des Steuerns des Betriebs des Plasmazündsystems 38 angeordnet. In einer Ausführungsform und, wie gezeigt, kann ein Turbolader 50 verwendet werden. Alternativ kann ein motorbetriebener oder ein elektromotorbetriebener Lader verwendet werden. Der Motor 10 kann in einem Fahrzeug eingesetzt werden, um eine Antriebsleistung bereitzustellen, wobei das Fahrzeug eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeuges, Industriefahrzeuges, landwirtschaftlichen Fahrzeugs, Personenkraftwagens, Flugzeugs, Wasserfahrzeugs, Zugs, Geländefahrzeugs, einer persönlichen Bewegungsvorrichtung, Roboters und dergleichen beinhalten, um die Zwecke der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen.
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Der Motor 10 ist vorzugsweise als ein Verbrennungsmotor mit hohem Verdichtungsverhältnis ausgebildet und kann auch einen anderen geeigneten Verbrennungsmotor einschließen, der Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe verbrennt, um ein Drehmoment zu erzeugen. Die Motorunteranordnung 12 beinhaltet vorzugsweise einen Motorblock, der eine Vielzahl von Zylindern 20 (bezeichnet als Zylinder 1-4), eine entsprechende Vielzahl von Kolben, die sich innerhalb der Zylinder 20 hin- und herbewegen, eine drehbare Kurbelwelle, die mit den Kolben verbunden ist, einen Zylinderkopf 21 und andere Motorkomponenten, wie Kolbenverbindungsstangen, Stifte, Lager und dergleichen. Jeder der Zylinder 20 mit dem entsprechenden Kolben und Abschnitt des Zylinderkopfes 21 definiert eine Brennkammer 15 mit variablem Volumen. Jeder der Vielzahl von Zylindern 20 steht selektiv über Ansaugventile 23 mit dem Lufteinlasssystem 14 in Fluidverbindung, um frische/sauerstoffhaltige Luft zu empfangen, und jeder der Vielzahl von Zylindern 20 steht selektiv über Auslassventile 25 zum Austreiben der Verbrennungs-Abfallprodukte in Fluidverbindung mit dem Abgassystem 16.
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Das Lufteinlasssystem14 und das Abgassystem 16 können durch den Turbolader 50 mechanisch verbunden sein. Der Turbolader 50 ist in Fluidverbindung mit dem Abgassystem 16, das das erste Abgasprodukt 40 ausstößt. Der Turbolader 50 kann eine Turbine 56 in Fluidverbindung mit dem Abgassystem 16 und einen Kompressor 52 in Fluidverbindung mit dem Lufteinlasssystem 14 beinhalten. Die Turbine 56 und der Kompressor 52 können über eine drehbare Welle 54 mechanisch verbunden sein. Der Turbolader 50 kann die Energie des ersten aus dem Motor 10 strömenden Abgasprodukts 40 nutzen, um die Turbine 56 und den Kompressor 52 zu drehen. Die Drehung des Kompressors 52 saugt Frischluft 34 durch einen Frischlufteinlass 24 an und verdichtet die Luft 34 in den Rest des Lufteinlasssystems 14. Das erste Abgasprodukt 40 wird durch den Turbolader 50 ausgestoßen und strömt zu einer Nachbehandlungsvorrichtung 42.
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In dieser Ausführungsform ist der Motor 10 ein Vierzylindermotor, wobei die erste Zylinderuntergruppe 18 die Zylinder 1, 2 und 3 enthält und die zweite Zylinderuntergruppe 19 einen Zylinder 4 enthält. Während der dargestellte Motor 10 eine Reihen-4-Zylinder (I4) Motorkonfiguration zeigt, ist die vorliegende Technologie auf andere Motorkonfigurationen ebenso anwendbar, einschließlich, im Wege eines nicht beschränkenden Beispiele, I2, I3, I5 und I6 Motorkonfigurationen oder V-2, V-4, V-6, V-8, V-10 und V-12 Motorkonfigurationen. Die Anzahl der in der ersten Zylinderuntergruppe 18 enthaltenen Zylindern und die Anzahl der in der zweiten Zylinderuntergruppe 19 enthaltenen Zylindern definiert das Verdünnungsniveau für die spezifische Motorkonfiguration und ist anwendungsspezifisch. Das Verhältnis der Zylinderanzahl in der ersten und zweiten Zylinderuntergruppe 18, 19 definiert das Verdünnungsniveau. Ein Dreizylindermotor mit einem dedizierten AGR-Zylinder hat ein Verdünnungsniveau von 33 %. Ein Vierzylindermotor mit einem dedizierten AGR-Zylinder hat ein Verdünnungsniveau von 25 %, während ein Vierzylindermotor mit zwei AGR-Zylindern ein Verdünnungsniveau von 50 % aufweist. Eine V-Motorkonfiguration kann mit einem oder mehreren Zylindern in jeder Bank konfiguriert sein, die in der zweiten Zylinderuntergruppe 19 enthalten sind, oder alternativ können alle Zylinder in einer der Bänke in einer V-Motorkonfiguration in der zweiten Zylinderuntergruppe 19 enthalten sein.
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Der Zylinderkopf 21 beinhaltet eine Vielzahl von Einlassöffnungen und zugeordnete Einlassventile 23 für jeden der Zylinder 20, eine Vielzahl von Auslassöffnungen und zugeordnete Auslassventile 25 für jeden der Zylinder 20, und andere Öffnungen und zugehörige Komponenten, einschließlich Kraftstoffeinspritzventile 31, erste Verbrennungszünder 33, die der ersten Untergruppe 18 der Zylinder 20 zugeordnet sind, und Plasmazünder 39, die der zweiten Untergruppe 19 der Zylinder 20 zugeordnet sind. Die Kraftstoffeinspritzventile 31 können in einer Ausführungsform Direkteinspritzvorrichtungen sein. Alternativ können die Kraftstoffeinspritzventile 31 Anschlusseinspritzvorrichtungen sein. Die ersten Verbrennungszünder 33 können als Zündkerzen mit einem zugeordneten Fremdzündungssystem (nicht dargestellt) konfiguriert sein, das in einer Ausführungsform mit der Steuerung 72 in Verbindung steht. Alternativ können die ersten Verbrennungszünder 33 als Plasmazünder konfiguriert sein, die mit dem mit der Steuerung 72 verbundenen Plasmazündsystem 38 in Verbindung stehen und von diesem gesteuert werden.
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Der hierin verwendete Begriff „AGR-System mit dediziertem Zylinder“ bezieht sich auf ein System, in dem sämtliches Restabgas 41, das in einem oder einer Vielzahl von Zylindern 20, z. B. der zweiten Untergruppe 19 der Zylinder 20, erzeugt wird, getrennt und zum Lufteinlasssystem 14 geleitet wird. Das Abgassystem 16 beinhaltet vorzugsweise einen ersten Abgaskrümmer 36 und einen zweiten Abgaskrümmer 62, die angeordnet sind, um Abgase, die von dem Motor 10 über Öffnungen der Auslassventile 25 ausgestoßen werden, mitzuführen und zu leiten. In einer Ausführungsform beinhaltet das AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 den zweiten Abgaskrümmer 62 und einen Einlass-AGR-Wärmetauscher 65, der mit dem Lufteinlasssystem 14 an einem stromaufwärts eines Ladeluftkühlers 28 und einer Drosselklappe 30 befindlichen AGR-Mischer 27 in Fluidverbindung steht und somit angeordnet ist, um das Restabgas 41 zur Aufnahme in die Einlassluft von der zweiten Untermenge 19 der Zylinder 20 zum Lufteinlasssystem 14 zu kanalisieren, um Zylinderladungen zu bilden. Der zweite Abgaskrümmer 62 nimmt die Abgasströmung von der zweiten Untergruppe 19 der Zylinder 20, d. h. in dieser Ausführungsform Zylinder 4, mit und kanalisiert dieses Restabgas 41 zum Lufteinlasssystem 14. In einer Ausführungsform ist eine zweite Drosselklappe (nicht dargestellt) in einem Abschnitt des Ansaugkrümmers 32 angeordnet, um den Luftstrom zu der zweiten Untermenge 19 der Zylinder 20 zu steuern. In einer Ausführungsform (nicht dargestellt) steht der Ansaugkrümmer 32 mit dem Lufteinlasssystem 14 in Fluidverbindung, um das Gemisch der Einlassluft und des Restabgases 41 zu der ersten Untergruppe 18 der Zylinder 20 zu verteilen, und es gibt ein separates, Saug-Ansaugungssystem, das für die Zuführung von Einlassluft zu der zweiten Untergruppe 19 der Zylinder 20 angeordnet ist. Andere Elemente beinhalten vorzugsweise den Einlass-AGR-Wärmetauscher 65, der konfiguriert ist, um die Temperatur des Restabgases 41 zu reduzieren oder anderweitig zu verwalten, einen ersten Temperatursensor 61, der angeordnet ist, um die Temperatur des Restabgases 41 stromaufwärts des Einlass-AGR-Wärmetauschers 65 zu überwachen und einen zweiten Temperatursensor 63, der angeordnet ist, um die Temperatur des Restabgases 41 stromabwärts des Einlass-AGR-Wärmetauschers 65 zu überwachen. Somit steht das AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 in Fluidverbindung mit dem Lufteinlasssystem 14, um das Restabgas 41 von der zweiten Untergruppe 19 der Zylinder 20 zum Lufteinlasssystem 14 zu leiten. Dieses Restabgas 41 kann sich mit der Frischluft 34 innerhalb des AGR-Mischers 27 mischen, um den Sauerstoffgehalt der Einlassluftladung zu verdünnen. In einer Ausführungsform des Motors 10, der das AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 verwendet, entspricht die Größenordnung der AGR-Verdünnung der Einlassluftladung ungefähr einem Verhältnis der Anzahl der dedizierten AGR-Zylinder zu der Gesamtanzahl von Zylindern. In FIG. 1 führt die zweite Untergruppe 19 der Zylinder 20 dem Ansaugkrümmer 32 des Motors 12 Restabgas 41 für die Rückführung zu, was zu einem AGR-Verdünnungsniveau von ungefähr 25 % führt. Die Verwendung des AGR-Systems mit dediziertem Zylinder 60 kann die Kraftstoffeffizienz in Fremdzündungsmotoren erhöhen. Darüber hinaus kann das AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 die Verbrennungstemperatur und die Emissionserzeugung von dem Motor 10 reduzieren. Das erste Abgasprodukt 40 wird bei dieser Ausführungsform von der ersten Untergruppe 18 der Zylinder 20, d. h. den Zylindern 1-3, erzeugt und über das Abgassystem 16 durch die Nachbehandlungsvorrichtung 42 aus dem Motor 10 ausgestoßen.
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Der Plasmazünder 39 kann als ein Koronaentladungszünder, ein dielektrischer Barrierenentladungszünder, ein gegenstandsloser dielektrischer Barrierenentladungszünder oder eine andere geeignete Plasmazündvorrichtung, die im Zylinder angeordnet sein kann, um eine Zündung einer Kraftstoff-/Luftzylinderladung zu bewirken, konfiguriert sein. In einer Ausführungsform wird das Plasmazündsystem 38 für die Erzeugung eines hochenergetischen, hochfrequenten elektrischen Feldes gesteuert, das an den Plasmazünder 39 übermittelt wird, um eine wiederholbare, gesteuerte Ionisation im Zylinder zu erzeugen, die Ionenströme erzeugt, die die Zylinderladung zünden. Wenn der Plasmazünder 39 als dielektrischer Barrierenentladungszünder konfiguriert ist, ist eine positive Elektrode in einem dielektrischen Material eingeschlossen und entlang ihrer Länge von einer Masseelektrode umgeben, wobei ein Spitzenabschnitt in der Brennkammer freigelegt ist. Mehrere Ströme entladen sich zwischen dem dielektrischen Material und der Masseelektrode, um die Zylinderladung zu zünden. Wenn der Plasmazünder 39 als gegenstandsloser dielektrischer Barrierenentladungszünder ausgeführt ist, ist eine positive Elektrode in ein dielektrisches Material ohne eine negative Elektrode eingeschlossen, wobei ein Spitzenabschnitt in der Brennkammer freigelegt ist. Mehrere Ströme entladen sich entlang der Oberfläche der positiven Elektrode, um die Zylinderladung zu zünden. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „gegenstandslos“ die Abwesenheit eines diskreten Elements oder einer Struktur proximal zum Plasmazünder 39, das/der dazu in der Lage wäre, elektrisch mit einem Massepfad zu verbinden. Wenn der Plasmazünder 39 als ein Koronaentladungszünder konfiguriert ist, enthält der Spitzenabschnitt einen elektrischen Stift, der Entladungen von Strömen erzeugt, die sich in die Brennkammer ausbreiten. Das Plasmazündsystem 38 und der Plasmazünder 39 werden als Ersatz für ein Funkenzündmodul und eine Zündkerze verwendet.
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Das Lufteinlasssystem 14 kann im Allgemeinen einen oder mehrere von Frischlufteinlass, AGR-Mischer 27, Ladeluftkühler 28, Drosselklappe 30 und Ansaugkrümmer 32 beinhalten. Während des Betriebs des Motors 10 kann Frischluft oder Einlassluft 34 von dem Lufteinlasssystem 14 durch eine zugeordnete Luftreinigeranordnung über den Frischlufteinlass aus der Atmosphäre aufgenommen werden. Die Drosselklappe 30 kann ein steuerbares Leitblech beinhalten, das konfiguriert ist, um den gesamten Luftstrom von Einlassluft durch das Lufteinlasssystem 14 und schließlich über den Ansaugkrümmer 32 in die Zylinder 20 zu regulieren. Der Einlassluftstrom von dem Ansaugkrümmer 32 in jeden der Zylinder 20 wird durch die Einlassventile 23 gesteuert, deren Aktivierung durch ein Einlassventilaktivierungssystem 22 gesteuert wird. Der Abgasstrom aus jedem der Zylinder 20 zum ersten und zweiten Abgaskrümmer 36, 62 wird durch das/die Auslassventil(e) 25 gesteuert, deren Aktivierung durch ein Auslassventilaktivierungssystem 26 gesteuert werden kann.
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Die Einlassventile 23 sind zwischen dem Lufteinlasssystem 14 und einem entsprechenden der Zylinder 20 angeordnet. Die Auslassventile 25 sind zwischen einem entsprechenden der Zylinder 20 und dem Abgassystem 16 angeordnet. In einer Ausführungsform, und wie dargestellt, koppelt der zweite Abgaskrümmer 62 fluidisch mit einem Umlenkventil 64, das ein Einlassrohr von der zweiten Teilgruppe 19 der Zylinder 20, d. h. in dieser Ausführungsform Zylinder 4, beinhaltet. Das Umlenkventil 64 enthält ein erstes Auslassrohr, das fluidmäßig mit dem AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 gekoppelt ist, und ein zweites Auslassrohr, das fluidmäßig mit dem ersten Abgaskrümmer 36 gekoppelt ist. Das Umlenkventil 64 steht in Verbindung mit der Steuerung 72 und ist regelbar, um den Strom von Restabgas 41 von der zweiten Untergruppe 19 der Zylinder 20, d. h. in dieser Ausführungsform Zylinder 4, entweder zum ersten Abgaskrümmer 36 oder dem zugeordneten AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 zu regeln. Das Einlassventilaktivierungssystem 22 beinhaltet vorzugsweise eine drehbare Nockenwelle, deren Drehung auf eine Drehung der Kurbelwelle ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform kann das Einlassventilaktivierungssystem 22 variabel gesteuert werden. Das Auslassventilaktivierungssystem 26 beinhaltet vorzugsweise eine drehbare Nockenwelle, deren Drehung auf eine Drehung der Kurbelwelle ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform kann das Auslassventilaktivierungssystem 26 variabel gesteuert werden, wie hierin beschrieben. In einer Ausführungsform kann das Einlassventilaktivierungssystem 22 eine variable Nockenwellenversteller (VCP) und/oder eine variable Hubsteuerungs (VLC)-Vorrichtung beinhalten, die mit der/den Auslassnockenwelle(n) zusammenwirkt, um die Öffnungen und Schließungen der Einlassventile 23 zu steuern. In einer Ausführungsform kann das Auslassventilaktivierungssystem 26 eine variable Nockenwellenversteller (VCP) und/ oder eine variable Hubsteuerungs (VLC)-Vorrichtung beinhalten, die mit der/den Auslassnockenwelle(n) zusammenwirkt, um die Öffnungen und Schließungen der Auslassventile 25 zu steuern. Das Steuern der Öffnungen und Schließungen der Einlassventile 23 und der Auslassventile 25 kann das Steuern der Größenordnung des Ventilhubs und/oder Steuern der Phasenlage, der Dauer oder des Zeitpunkts der Ventilöffnungen und -schließungen beinhalten. Das Auslassventilaktivierungssystem 26, das die VCP/VLC-Vorrichtung enthält, ist angeordnet, um in einer Ausführungsform Wechselwirkungen zwischen den Auslassventilen 25 und einer Auslassnockenwelle zu steuern. Alternativ wirken die Auslassventile 25 direkt oder über Mitnehmer mit einer Auslassnockenwelle zusammen. Die Drehungen der Einlass- und Auslassnockenwellen sind im Fall der VCP-Anwendung variabel mit der Drehung der Kurbelwelle verbunden und auf diese begrenzt, wodurch Öffnungen und Schließungen der Einlass- und Auslassventile 23, 25 mit Positionen der Kurbelwelle und der Kolben, die in den Zylindern 20 untergebracht sind, verbunden werden. Bei so ausgestatteten Ausführungsformen beinhaltet das Einlassventilaktivierungssystem 22 Mechanismen und Steuerroutinen, die mit der/den Einlassnockenwelle(n) zusammenwirken, um die Öffnungen und Schließungen der Einlassventile 23 zu steuern, einschließlich des selektiven Deaktivierens eines oder beider der Einlassventile 23. Eine Mechanisierung, die konfiguriert sein kann, um einzeln oder selektiv eines oder beide der Einlassventile 23 zu deaktivieren, beinhaltet stationärhydraulische Spieleinstellvorrichtungen (SHLA) und Rollenschlepphebel (RFF). Eine andere Mechanisierung, die konfiguriert sein kann, um einzeln oder selektiv eines oder beide der Einlassventile 23, zu deaktivieren, beinhaltet eine Einlassnockenwelle und eine zugehörige Baugruppe, die einen Schiebenocken mit mehreren Nocken aufweist, die selektiv angeordnet sein können, um mit Öffnungen und Schließungen eines oder beider der Einlassventile 23 zu interagieren und diese zu steuern.
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Die Hin- und Herbewegung jedes der Kolben in seinem entsprechenden Zylinder befindet sich zwischen einer Position des unteren Kolbentotpunktes (UT) und einer Position des oberen Kolbentotpunktes (OT) im Zusammenwirken mit der Drehung der Kurbelwelle. Motoren, die mit einem Viertaktmotorzyklus arbeiten, führen nacheinander ein wiederholtes Muster von Einlass-, Verdichtung-, Leistungs- und Auslasstakten aus. Während des Verdichtungstaktes wird eine Kraftstoff/Luftzylinderladung in der Brennkammer 15 durch die Drehung der Kurbelwelle und die Bewegung des Kolbens zur Vorbereitung der Zündung verdichtet. Das Einlassventil 23 und das Auslassventil 25 sind während mindestens eines Teils des Verdichtungstakts geschlossen. Das Schließen des Einlassventils 23 kann durch Steuern des Einlassventilaktivierungssystems 22 gesteuert werden, was zur Steuerung eines effektiven Verdichtungsverhältnisses führt. Das effektive Verdichtungsverhältnis ist als ein Verhältnis einer volumetrischen Verdrängung der Verbrennungskammer 15 beim Schließen des Einlassventils 23 und einer minimalen volumetrischen Verdrängung der Verbrennungskammer 15 definiert, z. B. wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet. Das effektive Verdichtungsverhältnis kann sich von einem geometrischen Verdichtungsverhältnis unterscheiden, das definiert ist als das Verhältnis einer maximalen Volumenverdrängung der Verbrennungskammer 15, die am UT auftritt, und der minimalen volumetrischen Verdrängung der Verbrennungskammer 15, die am OT auftritt, ohne Rücksicht auf die Schließzeit von Einlassventil 23. Ein frühes oder verzögertes Schließen des Einlassventils 23 kann weniger Luft in der Brennkammer 15 einschließen, wodurch der Druck und damit die Temperatur in der Verbrennungskammer 15 während der Verbrennung abnimmt. In einer Ausführungsform wird während des Einlasstaktes Kraftstoff in die Brennkammer 15 dosiert und eingespritzt. Ein Kraftstoffeinspritzereignis kann ausgeführt werden, um Kraftstoff einzuspritzen; Es können jedoch mehrere Kraftstoffeinspritzereignisse ausgeführt werden. In einer Ausführungsform wird Kraftstoff im Einlasstakt früh genug eingespritzt, um eine angemessene Vormischung der Kraftstoff/Luftzylinderladung in der Brennkammer 15 zu ermöglichen.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann der Ladeluftkühler 28 zwischen dem AGR-Mischer 27 und der Drosselklappe 30 angeordnet sein. Im Allgemeinen kann der Ladeluftkühler 28 ein radiatorartiger Wärmetauscher sein, der einen Strom von atmosphärischer Luft oder flüssigem Kühlmittel verwendet, um eine Einlassluftladung zu kühlen, die eine Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas ist. Wie zu erkennen ist, kann die Einlassluftladung aufgrund der Druckbeaufschlagung über den Kompressor 52 in Verbindung mit dem Mischen des höher temperierten Restabgases 41 wärmer als die atmosphärische Temperatur sein. Der Ladeluftkühler 28 kann das Gasgemisch kühlen, um seine Dichte/volumetrische Effizienz zu erhöhen, während auch das Potential für anomale Verbrennung, wie Vorzündung oder Klopfen, verringert wird.
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Das Abgas strömt durch die Nachbehandlungsvorrichtung 42, die dazu eingerichtet ist, um Abgasbestandteile vor dem Austritt aus dem Abgassystem 16 über ein Auspuffendrohr 44 zu katalysieren, zu reduzieren und/oder zu entfernen. Die Nachbehandlungsvorrichtung 42 kann eine oder mehrere katalytische Vorrichtungen beinhalten, mit beispielsweise einer katalytischen Dreiwegevorrichtung, einem Oxidationskatalysator, eine Kohlenwasserstofffalle, einem NOx-Adsorber, eines Partikelfilters oder beliebiger anderer geeigneter Komponenten und begleitender Rohre und Ventile, die dazu dienen, verschiedene Abgasbestandteile zu oxidieren, zu katalysieren und/oder zu entfernen, bevor sie aus dem Abgassystem 16 austreten.
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Der Betrieb des Motors 10 kann durch eine Vielzahl von Erfassungsvorrichtungen überwacht werden. Als nicht einschränkende Beispiele können die Erfassungsvorrichtungen einen Verbrennungssensor 17 beinhalten, der angeordnet ist, um einen Motorparameter zu überwachen, der einer Verbrennung in jedem Zylinder 20 zugeordnet ist, einen ersten Abgassensor 37, der im ersten Abgaskrümmer 36 angeordnet ist, einen zweiten Abgassensor 43, der im Abgaszulauf stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung 42 angeordnet ist, einen Temperatursensor 78, der angeordnet ist, um die Temperatur der Nachbehandlungsvorrichtung 42 zu überwachen, worin der erste Temperatursensor 61 angeordnet ist, um die Temperatur des rückgeführten Abgases stromaufwärts des Einlass-AGR-Wärmetauschers 65 zu überwachen und des zweiten Temperatursensors 63, der angeordnet ist, um die Temperatur des rückgeführten Abgases stromabwärts des Einlass-AGR-Wärmetauschers 65 zu überwachen.
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Der Verbrennungssensor 17 kann für die Überwachung eines Motorparameters angeordnet sein, der mit der Verbrennung in jedem der Zylinder 20 assoziiert ist, woraus ein Maß für die Verbrennungsstabilität bestimmt werden kann. In einer Ausführungsform kann der Verbrennungssensor 17 in Form eines Zylinderinnendrucksensors vorliegen, und der Verbrennungsstabilitätsparameter kann in Form eines Variationskoeffizienten eines mittleren effektiven Drucks (COV-IMEP) vorliegen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist ein einzelner Verbrennungssensor 17 gezeigt, der für die Überwachung von Zylinder 1 angeordnet ist. Es versteht sich, dass jedem der Zylinder des Motors 10 Verbrennungssensoren zugeordnet sein können. Alternativ kann der Verbrennungssensor 17 in Form eines Drehzahlsensors, der angeordnet ist, um die Drehzahl und die Position der Kurbelwelle mit begleitenden Algorithmen zum Auswerten von Kurbelwellendrehzahlschwankungen zu überwachen, oder eines anderen geeigneten Verbrennungsüberwachungssensors sein. Die zuvor erwähnten Sensoren sind zu Darstellungszwecken vorgesehen. Jeder der oben erwähnten Sensoren können durch andere Erfassungsvorrichtungen ersetzt werden, die einen Parameter überwachen, der dem Betrieb der Maschine 10 zugeordnet ist, oder können stattdessen durch ein ausführbares Modell ersetzt werden, um einen Zustand eines Maschinenbetriebsparameters abzuleiten, aus dem ein Maß für die Verbrennungsstabilität bestimmt werden kann.
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Die Steuerung 72 kann in Form eines elektronischen Steuermoduls vorliegen, das sich in Kommunikation mit unterschiedlichen Komponenten des Fahrzeugs befindet. Die Steuerung 72 beinhaltet einen Prozessor 74 und einen Speicher 76, auf dem Anweisungen für das Kommunizieren mit dem Plasmazündsystem 38, dem Einlassventilaktivierungssystem 22, dem Turbolader 50, der Nachbehandlungsvorrichtung 42 usw. aufgezeichnet sind. Die Steuerung 72 ist konfiguriert, um die im Speicher 76 gespeicherten Anweisungen über den Prozessor 74 auszuführen. Die Steuerung 72 kann beispielsweise ein Hostgerät oder ein verteiltes System ausgeführt sein, z. B. ein Computer, wie ein Digitalrechner oder Mikrocomputer, der als Fahrzeugsteuermodul fungiert, und/oder als proportional-integralderivative (PID) Steuervorrichtung mit einem Prozessor, und als Speicher 76 einen greifbaren, nichtflüchtigen computerlesbaren Speicher, wie beispielsweise einen Nur-LeseSpeicher (ROM) oder Flash-Speicher. Die Steuerung 72 kann auch Direktzugriffsspeicher (RAM), elektronisch löschbaren programmierbaren schreibgeschützten Speicher (EEPROM), eine Hochgeschwindigkeitsuhr, Analog-Digital (A/D)- und/oder Digital-Analog (D/A)-Schaltkreise und benötigten Ein-/Ausgabe-Schaltkreise und zugehörigen Geräte sowie benötigte Signalaufbereitungs- und/oder -pufferungsschaltkreise aufweisen. Daher kann die Steuerung 72 die gesamte Software, Hardware, Speichervorrichtungen, z. B. Speicher 76, Algorithmen, Kalibrierungen, Verbindungen, Sensoren usw. beinhalten, um verschiedene am Motor 10 angeordnete Stellglieder zu überwachen und zu steuern. Als solches kann das Steuerverfahren als mit Steuerungen 72 in Verbindung stehende Software oder Firmware, ausgeführt werden. Es versteht sich, dass die Steuerung 72 auch eine oder mehrere Vorrichtungen beinhalten kann, die in der Lage sind, Daten von verschiedenen Sensoren zu analysieren, Daten zu vergleichen und Entscheidungen zu treffen, die erforderlich sind, um den Motor 10 zu überwachen und zu steuern.
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Kommunikation zwischen Steuerungen und Kommunikation zwischen Steuerungen, Stellgliedern und/oder Sensoren kann unter Verwendung einer direkten verdrahteten Verbindung, einer vernetzten Kommunikationsbusverbindung, einer drahtlosen Verbindung oder einer anderen geeigneten Kommunikationsverbindung erreicht werden. Kommunikationsinhalte beinhalten das Austauschen von Datensignalen auf geeignete Art und Weise, einschließlich z. B. elektrischer Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetischer Signale über die Luft, optischer Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen.
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Der Motor 10 einschließlich des AGR-Systems mit dediziertem Zylinder 60, des Plasmazündsystems 38 und des Umlenkventils 64 kann vorteilhafterweise über die Steuerung 72 gesteuert werden, um eine Verbrennungsstabilität über den gesamten Drehzahl-/ Lastbetriebsbereich bei hohen AGR-Verdünnungsniveaus zu erzielen. Dies beinhaltet das Betreiben des Motors10 in einem AGR-Modus mit dediziertem Zylinder durch Regeln des Umlenkventils 64, sodass das Restabgas 41 von der zweiten Zylinderuntergruppe 19 mitgenommen und in das Lufteinlasssystem 14 zum Mischen und Aufnehmen in die Einlassluftladung zurückgeführt wird. Dies beinhaltet das Betreiben der zweiten Zylinderuntergruppe 19, die dem AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 zugeordnet ist, bei einem fetten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, um Restabgas zu erzeugen, das Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) als zusätzliche Spezies enthält, die verbesserte Flammenausbreitung im Zylinder unterstützen können. Die Anwesenheit von H2 und CO ermöglicht eine verdünntere Mischung in der ersten Zylinderuntergruppe 18. Die Verwendung der Plasmazünder in der zweiten Zylinderuntergruppe 19 kann im Gegensatz zu einem Fremdzündungssystem die Verbrennung eines fetteren Gemischs unterstützen und dadurch höhere Konzentrationen von H2 und CO im Abgas erzeugen, was an sich eine höhere Verdünnungstoleranz in der ersten Zylinderuntergruppe 18 ermöglichen kann. Zusätzlich erzeugen die Radikalerzeugungsereignisse von den Plasmazündern andere Radikale (z. B. Ozon, O-Radikal), hauptsächlich vor dem Beginn der Verbrennung und möglicherweise auch im Abgas im Zylinder. Dies kann sowohl in der ersten als auch in der zweiten Zylinderuntergruppe 18, 19 implementiert werden. Von diesen Radikalen wird erwartet, dass sie die Verbrennung eines fetteren Gemisches in der zweiten Zylinderuntergruppe 19 oder die Verbrennung eines höheren Niveaus von AGR-verdünntem stöchiometrischem/magerem Gemisch in der ersten Zylinderuntergruppe 18 unterstützen. Dies ist ein zusätzlicher Gewinn im Vergleich zu einem einzigen Plasmazündungsereignis, das die Verbrennung sowohl in der ersten als auch in der zweiten Zylinderuntergruppe startet.
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Das Restabgas 41 von der zweiten Zylinderuntergruppe 19 wird mit der Einlassluft gemischt und bildet den Zufuhrstrom, der der ersten Zylinderuntergruppe 18 zugeführt wird, die bei Stöchiometrie arbeiten. Sie bildet auch den Zufuhrstrom, der in einer Ausführungsform der zweiten Zylinderuntergruppe 19 zugeführt wird. Das Verdünnungsniveau des Motors 10, bei einer 4-Zylinder-Konfiguration wie dargestellt, enthält 25 % Restabgas, teilweise durch die Menge an erzeugtem Abgas und teilweise durch eine durch das Zündsystem 38 auferlegte Beschränkung. Das Verdünnungsniveau des Motors 10 kann durch Überlappen der Einlass- und Auslassventilöffnungen erweitert werden, wodurch zusätzliche Vorteile für die Kraftstoffeinsparung erhalten werden. Die Plasmaereignisse der Reaktivitätssteigerung sind Schlüsselfaktoren für die Erweiterung der Verdünnungstoleranz. 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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Die Steuerung 72 befiehlt den Betrieb im AGR-Modus mit dediziertem Zylinder unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen, einschließlich bestimmter Motordrehzahl-/Lastbetriebsbereiche und Motorbetriebstemperaturen. Die bestimmten Motordrehzahl-/Lastbetriebsbereiche werden in Bezug auf die Verbrennungsstabilität und die Verdünnungstoleranz des Motors 10 bestimmt. Die bestimmten Motordrehzahl-/Lastbetriebsbereiche geben Drehzahl-/Lastbetriebspunkte an, bei denen der Motor 10 in der Lage ist, mit einer Verbrennungsstabilität bei oder über einem Schwellenwertniveau mit einem Verdünnungsnivau zu arbeiten, das ein Ergebnis der Rückführung des Restabgases 41 von dem/den dedizierten Zylinder(n), wobei die Plasmazünder 39 den Verbrennungsvorgang im Zylinder erleichtern. Ein derartiger Betrieb beinhaltet ein Steuern des Umlenkventils 64 zu einer ersten Position, um das gesamte Restabgas 41 von der zweiten Zylinderuntergruppe 19 zum Lufteinlasssystem 14 umzuleiten.
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Wenn der Motor 10 außerhalb der vorbestimmten Betriebsbereiche arbeitet, kann das Umlenkventil 64 zu einer zweiten Position gesteuert werden, sodass das Restabgas 41 von der zweiten Zylinderuntergruppe 19 von dem AGR-System mit dediziertem Zylinder 60 weggeleitet und stattdessen von dem zweiten Abgaskrümmer 62 zum ersten Abgaskrümmer 36 geleitet wird. Unter solchen Betriebsbedingungen können die erste und zweite Zylinderuntergruppe 18, 19 so gesteuert werden, dass sie bei Stöchiometrie arbeiten. Die Ladungsverdünnung aus den rückgeführten Abgasen kann stattdessen über eine Ventilüberlappung, über ein separates externes AGR-System (nicht dargestellt) oder über einen anderen geeigneten Mechanismus erreicht werden.
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2 zeigt graphisch Ergebnisse, die mit dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors, der unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, verbunden sind, die den Betrieb eines Abgasrückführungssystem (AGR) mit dediziertem Zylinder beinhaltet, das eine Ausführungsform des Plasmazündsystems einsetzt. Die Ergebnisse sind im Vergleich mit dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors mit einem Abgasrückführungssystem (AGR) mit dediziertem Zylinder gezeigt, dass ein induktives Hochenergie-Fremdzündungssystem verwendet. Die Ergebnisse beinhalten die Verbrennungsstabilität 210 (z. B. einen Variationskoeffizienten eines mittleren effektiven Drucks oder COV-IMEP), der in Bezug auf die %-AGR-Verdünnung 220 aufgetragen ist. In diesem Beispiel arbeitet der Motor bei niedrigen Motorlastbedingungen mit einem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoff-Verhältnis. Aufgetragene Ergebnisse beinhalten eine Verbrennungsstabilität mit zunehmender AGR-Verdünnung, einschließlich eines induktiven Fremdzündungssystems, das bei 60 mJ 212 arbeitet, unter Verwendung eines induktiven Fremdzündungssystems, das bei 100 mJ 214 arbeitet, unter Verwendung einer Ausführungsform eines Barrierenentladungsplasmazünders 216 und Verwendung eine Ausführungsform eines Korona-Entladungs-Plasmazündsystems 218. Ein maximaler Schwellenwert für die Verbrennungsstabilität 215 ist ebenfalls dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass es eine merkliche Zunahme der Verbrennungsstabilität gibt, wenn eine Ausführungsform des Barrierenentladungsplasmazündsystems 214 unter niedrigen Lastbedingungen bei Stöchiometrie im Vergleich zum induktiven Fremdzündungssystem verwendet wird. Als solche zeigen die Daten eine erhöhte Verdünnungstoleranz an, wenn das Plasmazündsystem im Vergleich zu einem induktiven Hochenergie-Fremdzündungssystem verwendet wird.
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3 zeigt graphisch ein Steuerzeitendiagramm, das dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotor 10 zugeordnet ist, die unter Bezugnahme auf die FIG:1 und 2 über einen einzelnen Motorzyklus, einschließlich Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasstakte 302, 304, 306 bzw. 308 beschrieben ist. Dieses Diagramm beinhaltet Steuerzeiten des Betriebs des Plasmazünders 39 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 Auslasshubs 308 seinen Höhepunkt erreicht. Motorsteuerdaten beinhalten Kraftstoffeinspritzereignisse 320, die in die Brennkammer 15 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 306 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. Die Plasmaereignisse der Reaktivitätssteigerung sind ein Schlüsselelement für eine verbesserte Verdünnungstoleranz.
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Im Betrieb arbeitet das mit Bezug auf 1 beschriebene Motorsystem 10 durch Überwachen einer Motorlast und Bestimmen von Kraftstoffbefehlen, um in Reaktion darauf jedem der Zylinder Kraftstoff zuzuführen. Dies beinhaltet das Steuern der ersten Zylinderuntergruppe bei Stöchiometrie oder mager über Stöchiometrie und das Steuern der zweiten Zylinderuntergruppe bei fettem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis. Das der zweiten Zylinderuntergruppe 19 zugeordnete Plasmazündsystem führt zur Verbrennung der Zylinderladungen in der zweiten Zylinderuntergruppe 19 ein Plasmaentladungsereignis aus, um Energie zu erzeugen und Restabgas zu bilden, das Radikale wie H2 enthält, was eine Verbesserung der Reaktivität bereitstellt. Das Restabgas wird zur Aufnahme in die Zylinderladungen der ersten Zylinderuntergruppe, und, in einer Ausführungsform, zur Aufnahme in die Zylinderladungen der ersten Zylinderuntergruppen zur Einleitung und dem Abschluss des Verbrennungsvorgangs darin, über das AGR-System mit dediziertem Zylinder zum Einlasssystem zurückgeführt. Die Größenordnung des Restabgases wird basierend auf der Verdünnungstoleranz und der Verbrennungsstabilität für die erste Zylinderuntergruppe gesteuert.
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In einer Ausführungsform kann die Fähigkeit einer erhöhten Verdünnungstoleranz, die durch die Verwendung des Plasmazündsystems erreicht wird, eine Verdünnung unter Verwendung eines externen AGR-Systems (nicht dargestellt) zusätzlich zu der Verdünnung von dem dedizierten AGR-System 60 ermöglichen, um die Verbrennungseffizienz zu verbessern. Unter bestimmten Betriebsbedingungen steht die Verdünnungsgrenze mit der Verbrennungsstabilität in Verbindung, die mit einer fetten Verbrennungsgrenze in der dem dedizierten AGR-System 60 zugeordneten zweiten Zylinderuntergruppe assoziiert ist.
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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.
