DE10233180A1

DE10233180A1 - Motor mit homogener Ladungskompressionszündung mit einem Zylinder, der einen Hochdruckraum aufweist

Info

Publication number: DE10233180A1
Application number: DE10233180A
Authority: DE
Inventors: Ronald P Maloney
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2003-07-03
Also published as: US20030116120A1; US6668788B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Motoren mit homogener Ladungskompressionszündung. Bei diesen Motoren wird Brennstoff stromaufwärts oder direkt in den Zylinder eingespritzt, wenn der Leistungskolben relativ an seiner unteren Totpunktposition ist. Der Brennstoff vermischt sich mit der Luft im Zylinder, wenn sich der Leistungskolben voran bewegt, um eine relativ magere homogene Mischung zu erzeugen, die vorzugsweise zündet, wenn der Leistungskolben relaitv nahe an der oberen Totpunktposition ist. Wenn jedoch das Zündungsereignis entweder früher oder später als erwünscht auftritt, kann eine geringere Leistung, eine Fehlzündung des Motors oder sogar ein Motorschaden die Folge sein. Somit teilt die vorliegende Erfindung die homogene Ladung zwischen einem gesteuerten Volumen in einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum auf, um besser den Beginn der Zündung zu steuern.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Motoren mit homogener Ladungskompressionszündung und insbesondere auf Motoren mit homogener Ladungskompressionszündung mit Zylindern mit einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum.

Hintergrund

Teilweise aufgrund immer enger werdender Emissionsstandards der Regierung haben Ingenieure schon seit langem nach Verfahren gesucht, um Emissionen zu verringern, die durch Dieselmotoren erzeugt werden. Eine Lösung, die einen vernünftigen Erfolg bei der Absenkung der NOx- und Russemissionen gezeigt hat, ist die Anwendung eines Motorbetriebszustandes mit homogener Ladungskompressionszündung (HCCI). Im HCCI-Betrieb wird Brennstoff in einen Motorzylinder eingespritzt, wenn der Leistungskolben auf oder nahe der unteren Totpunktposition seines Kompressionshubes ist. Wenn der Leistungskolben sich seiner oberen Totpunktposition nähert, vermischt sich der Brennstoff dann mit der Luft in dem Zylinder, um eine relativ magere Brennstoff/Luft-Mischung zu bilden, die weniger Emissionen bei der Zündung erzeugt. Während der HCCI-Betrieb einen gewissen Erfolg bei der Reduzierung von Dieselmotoremissionen gezeigt hat, gibt es immer noch Raum zur Verbesserung des Motors unter Verwendung dieses Betriebsverfahrens.
Während beispielsweise Brennstoff in den Zylinder eingespritzt wird, wenn der Leistungskolben nahe der unteren Totpunktposition ist, sollte die Zündung der Brennstoff/Luft-Mischung nicht auftreten, bis der Leistungskolben auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist. Wenn der Beginn der Einspritzung zu früh auftritt, wird die Brennstoff/Luft-Mischung während des Kompressionshubes des Zylinderkolbens verbrennen, was einen möglichen Motorschaden und einen geringen Wirkungsgrad des Zyklus zur Folge hat. Zusätzlich könnte dies zu hohen Temperaturen während des nächsten Motorzyklus führen, was einen weiter frühen Beginn der Zündung zur Folge haben könnte. Somit ist die Steuerung des Zündzeitpunktes ansprechend auf die Motorbetriebszustände, wie beispielsweise die Zylindertemperatur und der Brennstoffdruck, ein kritischer Punkt.

Ein Versuch zur Steuerung des Zündzeitpunktes ist im US-Patent 5832880 dargestellt, welches an Dickey am 10. November 1998 ausgegeben wurde, und folgende Titel trägt: Apparatus and Method for Controlling Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion in Diesel Engines (Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Verbrennung mit homogener Ladungskompressionszündung in Dieselmotoren). Bei Dickey wird eine Regelungssteuerungsstrategie offenbart, die die Regelung der Zeitsteuerung bzw. des Zeitpunktes durch Steuerung einer Wassermenge aufweist, die in einen Zylinder eines Motors mit homogener Ladungskompressionszündung eingespritzt wird, um den Beginn der Zündung zu steuern. Während diese vorgeschlagene Lösung eine gewisse Anwendung finden kann, gibt es immer noch Raum zur Verbesserung. Beispielsweise wird für jene Motoren, die keine Wasser versprühenden Brennstoffeinspritzvorrichtungen verwenden, eine Lösung zur Steuerung des Zeitpunktes der Zündungsereignisse benötigt.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist ein Motor mit homogener Ladungskompressionszündung ein Motorgehäuse auf, welches mindestens einen Zylinder definiert. Ein Leistungskolben mit einem erhöhten Teil ist so positioniert, dass er sich in dem Zylinder zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition hin und her bewegt. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für den Zylinder ist wirksam zur Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder, wenn der Leistungskolben näher an der unteren Totpunktposition als an der oberen Totpunktposition ist. Der Leistungskolben und das Motorgehäuse definieren zumindest einen Teil eines Hochdruckraumes und zumindest einen Teil eines Niederdruckraumes, wenn der Leistungskolben an der oberen Totpunktposition ist.

Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur Zündung einer homogenen Ladung in einem Motor den Schritt auf, Brennstoff in einen Zylinder einzuspritzen, wenn ein Leistungskolben näher an einer unteren Totpunktposition als an einer oberen Totpunktposition ist. Eine homogene Ladung wird zwischen einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum mit einem Leistungskolben aufgeteilt. Ein Teil der homogenen Ladung in dem Hochdruckraum wird gezündet, zumindest teilweise durch Kompression des Teils auf einen Kompressionszündungspunkt. Ein westlicher Teil der homogenen Ladung wird zumindest teilweise eingespritzt, in dem der Hochdruckraum strömungsmittelmässig mit dem Niederdruckraum verbunden wird.

Gemäß noch eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung weist einen Motor mit homogener Ladungskompressionszündung ein Motorgehäuse auf, welches zumindest einen Zylinder mit einer Mittellinie definiert. Ein Leistungskolben mit einem erhöhten Teil ist so positioniert, dass er sich in den Zylinder zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition hin und her bewegt. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für den Zylinder ist wirksam zur Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder, wenn der Leistungskolben näher an der unteren Totpunktposition ist als an der oberen Totpunktposition. Der Leistungskolben und das Motorgehäuse definieren zumindest einen Teil eines Hochdruckraumes und zumindest einen Teil eines Niederdruckraumes, wenn der Leistungskolben an der oberen Totpunktposition ist, wo die Mittellinie den Hochdruckraum schneidet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Motors gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht eines Zylinders und eines Leistungskolbens gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht eines Zylinders und eines Leistungskolbens des Motors der Fig. 1 gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4a ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht des Zylinders der Fig. 3 gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4b ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht des Zylinders der Fig. 3, der eine alternativ konfigurierte Brennstoffeinspritzvorrichtung aufweist;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Steuerkolbens und der Steuervorrichtung des Zylinders der Fig. 3; und
Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene diagrammartige Seitenansicht eines Zylinders und eines Leistungskolbens gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Motor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ein Niederdruckreservoir 12 ist in dem Motor 10 vorgesehen und weist vorzugsweise eine Menge bzw. einen Vorrat von Motorschmieröl auf niedrigem Druck auf. Während das Niederdruckreservoir 12 vorzugsweise eine Ölwanne ist, die eine Menge von Motorschmieröl enthält, sei bemerkt, dass andere Strömungsmittelquellen mit einer Menge von verfügbaren Strömungsmittel, wie beispielsweise Kühlmittel, Getriebeströmungsmittel bzw. Getriebeöl oder Brennstoff, statt dessen verwendet werden könnten. Eine Hochdruckpumpe 13 pumpt Öl von dem Niederdruckreservoir 12 und liefert dieses zur Hochdrucksammelleitung 14. Hochdrucköl, welches aus der Hochdrucksammelleitung 14 fließt, wird über eine Hochdruck- Strömungsmittelversorgungsleitung 15 zu einem Hydrauliksystem geliefert, welches in dem Motor 10 vorgesehen ist, und verbrauchtes Öl wird zu dem Niederdruckreservoir 12 über eine Niederdruck-Rückleitung 16 zurück geleitet, nachdem es Arbeit in dem Hydrauliksystem ausgeführt hat. Ein elektronisches Steuermodul 17 wird vom Motor 10 vorgesehen und ist in steuernder Verbindung mit einer oder mehreren Motorkomponenten über eine elektronische Kommunikationsleitung 18. Das elektronische Steuermodul 17 steuert vorzugsweise mehrere Aspekte des Betriebs des Motors 10, wie beispielsweise den Zeitpunkt der Brennstoffeinspritzung und den Zündzeitpunkt. Der Motor 10 sieht auch ein Motorgehäuse 11 vor, welches eine Vielzahl von Motorzylindern 30 definiert.
Jeder Zylinder 30, der durch das Motorgehäuse 11 definiert wird, besitzt einen bewegbaren Leistungskolben 31. Während der Motor 10 so gezeigt worden ist, dass er nur zwei Zylinder 30 aufweist, sei bemerkt, dass er statt dessen irgendeine geeignete Anzahl von Zylindern aufweisen könnte. Jeder Leistungskolben 31 ist zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition bewegbar. Die abwärts gerichteten und aufwärts gerichteten Hübe von jedem Leistungskolben 31 könnten den traditionellen Hüben von entweder einem Zwei-Takt-Motor oder ein Vier-Takt-Motor entsprechen. Egal ob der Motor 10 ein Zwei-Takt-Motor oder einen Vier-Takt- Motor ist, wird eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 vorzugsweise Brennstoff in den Zylinder 30 einsprühen, wenn der Leistungskolben 31 näher an der unteren Totpunktposition ist, als an der oberen Totpunktposition in seinem Kompressionshub. Wenn somit der Motor 10 ein Zwei-Takt-Motor ist, wird die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 Brennstoff in den Zylinder 30 jedesmal dann einspritzen, wenn der Kolben 31 auf oder nahe seiner unteren Totpunktposition ist, während die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 Brennstoff einspritzen wird, wenn der Kolben 31 auf oder nahe der unteren Totpunktposition während abwechselnder Hübe ist, wenn der Motor 10 ein Vier- Takt-Motor ist. Brennstoff, der in den Zylinder 30 eingespritzt worden ist, kann sich dann mit der Luft im Zylinder 30 vermischen, um eine relativ magere homogene Brennstoff/Luft-Mischung zu bilden. Wenn der Leistungskolben 31 auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist, wird diese Brennstoff/Luft-Mischung zünden, was bewirkt, dass der Kolben 31 sich zur unteren Totpunktposition für seinen Leistungshub bewegt.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine geschnittene diagrammartige Seitenansicht von einem Zylinder 30 und seinem jeweiligen Leistungskolben 31 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Oberseite 33 des Leistungskolbens 31 sieht vorzugsweise einen abgestuften Oberteil vor, der einen erhabenen Teil 34 besitzt. Der erhabene Teil 34 weist vorzugsweise eine zylindrische Wand 32 auf, die um eine Mittellinie 29 des Leistungskolbens 31 zentriert ist, so dass die Mittellinie 29 den erhabenen Teil 34 schneidet. Eine Dichtungsscheibe 35 ist an den erhabenen Teil 34 angebracht, vorzugsweise durch eine oder mehrere Schrauben 36. Die Dichtungsscheibe 35 ist vorzugsweise lose angebracht, so dass sie sich geringfügig mit Bezug auf den erhabenen Teil 34 bewegen kann. Alternativ oder zusätzlich könnte eine Dichtung mit einem oder mehreren Kolbenringen erreicht werden. Wenn sich der Leistungskolben 31 seiner oberen Totpunktposition nähert, kommt die Dichtungsscheibe 35 in Kontakt mit einer Anzahl von Dichtungsscheibenführungen 38. Während nur eine Dichtungsscheibenführung 38 veranschaulicht worden ist, weist der Zylinder 30 vorzugsweise mindestens drei Dichtungsscheibenführungen 38 auf, die gleichmäßig um eine Mittellinie 28 des Zylinders 30 beabstandet sind. Wenn sich der Leistungskolben 31 seiner oberen Totpunktposition nähert, stellen die Dichtungsscheibenführungen 38 einen sanften Eingriff der Dichtungsscheibe 35 in der ausgenommenen Hohlraumbohrung 39 sicher. Die Dichtungsscheibenführungen 38 sind in Spielbohrungen 37 aufgenommen. Die Anwendung von einer oder mehreren Dichtungsscheibenführungen 38 ist vorzuziehen, auch wenn dies für die vorliegende Erfindung nicht notwendig ist, da wenn der Leistungskolben 31 sich seiner oberen Totpunktposition nähert, der nicht perfekt innerhalb des Zylinders 30 zentriert sein könnte. Wenn jedoch die Dichtung 35 in Kontakt mit den Dichtungsscheibenführungen 38 kommt, kann die Dichtungsscheibe 35, die verschiebbar auf den erhabenen Teil 34 montiert ist, in ordnungsgemäßer Weise mit dem Zylinder 30 ausgerichtet sein, um zu verhindern, dass die Dichtungsscheibe 35 mit dem Zylinderkopf kollidiert. Es sei bemerkt, dass die Spiele ausreichen, um mehr zu verhindern, dass der erhabenen Teil 34 die ausgenommene Hohlraumbohrung 39 berührt.
Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 ist vorzugsweise an dem Zylinder 30 so angebracht, dass eine Einspritzvorrichtungsspitze in einem ausgenommenen Hohlraum 39 positioniert ist, der von dem Zylinder 30 definiert wird. Der ausgenommene Hohlraum 39 ist so bemessen und positioniert, dass er den erhabenen Teil 34 des Leistungskolbens 31 aufnimmt. Es sei bemerkt, dass der ausgenommene Hohlraum 39 auch ausreichend bemessen ist, um zu verhindern, dass der erhabene Teil 34 in Kontakt mit der Einspritzvorrichtungsspitze 22 kommt, wenn der Leistungskolben 31 in seiner oberen Totpunktposition ist. Wenn der Leistungskolben 31 sich seiner oberen Totpunktposition nähert, ist das Volumen des ausgenommenen Hohlraum 39 vorzugsweise wesentlich kleiner als das Volumen des übrigen Teils des Zylinders 30 über dem Kolben 31. Zusätzlich ist der Teil des ausgenommenen Hohlraums 39 zwischen den erhabenen Teil 34 und dem Zylinderkopf vorzugsweise strömungsmittelmässig vom Rest des Zylinders 30 isoliert. Es sei bemerkt, dass wenn das Volumen in dem ausgenommenen Hohlraum 39 über dem erhabenen Teil 34 wesentlich geringer ist, als das Volumen im Rest des Zylinders über dem Leistungskolben 31, die Temperatur und der Druck innerhalb des ausgenommenen Hohlraum 39 mit einer gesteigerten Rate innerhalb des ausgenommenen Hohlraums 39 zunehmen werden, wenn sich der Kolben 31 seiner oberen Totpunktposition nähert. Somit gestatten diese Merkmale der vorliegenden Erfindung, dass die homogene Ladung im Zylinder 30 zwischen einem Hochdruckraum 40 in dem ausgenommenen Hohlraum 39 über dem erhabenen Teil 34 und einem Niederdruckraum 41 im Rest des Zylinders 30 über dem Leistungskolben 31 aufgeteilt wird.
Es sei daran erinnert, dass bei Motoren mit homogener Ladungskompressionszündung Brennstoff in den Zylinder 30 eingespritzt wird, wenn der Leistungskolben 31 auf oder nahe seiner unteren Totpunktposition ist. Jedoch ist die Zündung erwünscht, wenn der Leistungskolben 31 auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist. Somit sollte die Geometrie des Zylinders 30 so sein, dass die Temperatur und der Druck der Brennstoff/Luft-Mischung innerhalb des Zylinders 30 die Zündungsniveaus erreichen wird, wenn der Leistungskolben 31 auf oder nahe der oberen Totpunktposition ist, während die Temperatur und der Druck innerhalb des Zylinders 30 sich nicht zu schnell auf diese Niveaus beschleunigen. Die vorliegende Erfindung verwendet die Aufteilung der homogene Ladung zwischen einem Hochdruckraum 40 und einem Niederdruckraum 41, um besser die Zeitsteuerung des Zündungsereignisses zu steuern. Es sei bemerkt, dass die homogene Ladung im Zylinder 30 nicht zwischen dem Hochdruckraum 40 und dem Niederdruckraum 41 aufgeteilt wird, bis der erhabene Teil 34 in den ausgenommenen Hohlraum 39 eintritt. Daher wird die Geometrie, die von der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, die Temperatur- und Druckpegel innerhalb des Zylinders 30 über nur einen kleinen Teil der Bewegung des Leistungskolbens 31 merklich beeinflussen. Anders gesagt wird die vorliegende Erfindung nicht wesentlich die Temperatur und die Druckpegel innerhalb des Zylinders 30 beeinflussen, um zu bewirken, dass die Brennstoff/Luft-Mischung im Zylinder 30 zündet, bevor sich der Leistungskolben 31 seiner oberen Totpunktposition nähert. Jedoch sollte der ausgenommene Hohlraum 39 so bemessen sein, dass die homogene Ladung, die in dem Hochdruckraum 40 eingeschlossen ist, auf Zündungstemperatur und auf Zündungsdruck gebracht wird, wenn sich der Leistungskolben 31 seiner oberen Totpunktposition nähert oder diesen erreicht.
Es sei bemerkt, dass bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches in Fig. 2 veranschaulicht ist, die Größe des ausgenommenen Hohlraum 39 und daher des Hochdruckraumes 40, die eine Zündungstemperatur und einen Zünddruck sicherstellt, abhängig von Faktoren erreicht werden wird, wie dem Einspritzdruck, der Einlasstemperatur und dem Gesamtvolumen des Zylinders 30. Bei einem Motor 10, der beispielsweise einen bekannten Bereich von Einlasstemperaturen besitzt, kann die Größe des ausgenommenen Hohlraum 39 bestimmt werden, die benötigt wird, um ein Einspritzereignis zu erzeugen, welches zum erwünschten Zeitpunkt auftritt. Wenn jedoch die tatsächliche Einlasstemperatur sehr stark von dem abweicht, was erwartet wird, könnte dies die Wirksamkeit der Anwendung des Hochdruckraumes 40 zur Steuerung des Zeitpunktes der Einspritzung verändern. Wenn beispielsweise die Einlasstemperatur beträchtlich geringer ist, als erwartet, könnte die Zündungstemperatur nicht erreicht werden, und zwar nicht einmal innerhalb des Hochdruckraumes 40. Wenn genauso die Einlasstemperatur beträchtlich höher ist, als erwartet, könnte die Zündungstemperatur erreicht werden, bevor der erhabene Teil 34 in den ausgenommenen Hohlraum 39 eintritt. Somit sei bemerkt, dass die Größe oder das Volumen des ausgenommenen Hohlraum 39 mit Bezug auf den Rest des Zylinders 30 von einer Anzahl von Faktoren abhängt.
Mit Bezug auf Fig. 2 sei bemerkt, dass jedoch auf Grund der Bearbeitungstoleranzen von solchen Komponenten wie beispielsweise dem erhabenen Teil 34, der Dichtungsscheibe 35 und dem ausgenommenen Hohlraum 39 genauso wie weil der Leistungskolben 31 in kontinuierlicher Bewegung ist, eine vollständige Strömungsmittelisolationen zwischen dem Hochdruckraum 40 und dem Niederdruckraum 41 nicht zu erreichen sein könnte. Es sei daher bemerkt, dass der Hochdruckraum 40 und der Niederdruckraum 41 nur im wesentlichen strömungsmittelmässig isoliert sein könnten. Während zusätzlich die vorliegende Erfindung bezüglich eines Hochdruckraumes 40 und eines Niederdruckraumes 41 beschrieben worden ist, die strömungsmittelmässig isoliert sind oder im wesentlichen strömungsmittelmässig isoliert sind, wenn der erhabene Teil 34 in den ausgenommenen Hohlraum 39 eintritt, könnte dies nicht immer zu bevorzugen sein. Es sei bemerkt, dass wenn der Hochdruckraum 40 und der Niederdruckraum 41 strömungsmittelmässig isoliert sind, ein erstes Zündungsereignis innerhalb des ausgenommenen Hohlraum 39 auftreten wird, bevor die Zündungsniveaus bzw. Zündungspegel in dem Niederdruckraum 40 erreicht wurden. Jedoch wird die Hautladung nicht gezündet werden, bis der Leistungskolben 31 sich ausreichend zurückzieht, um strömungsmittelmässig den Niederdruckraum 41 mit dem Hochdruckraum 40 erneut zu verbinden. Anders gesagt könnte das Hauptzündungsereignis auftreten, sobald sich der Leistungskolben 31 zu seiner unteren Totpunktposition hin zurückzieht, und nicht wenn der Leistungskolben 31 auf seiner oberen Totpunktposition ist.
Alternativ könnte es vorzuziehen sein, dass der erhabene Teil 34 und der ausgenommene Hohlraum 39 so bemessen und angeordnet sind, dass eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Hochdruckraum 40 und dem Niederdruckraum 41 in Form eines gesteuerten Überlaufes über den erhabenen Teil 34 existiert. In dieser Alternative wäre der Hochdruckraum 40 ausreichend strömungsmittelmässig vom Niederdruckraum 41 isoliert, um zu gestatten, dass eine Zündungstemperatur erreicht wird, wenn der Leistungskolben 31 auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist. Jedoch könnte eine ausreichende Leckage über den erhabenen Teil 34 in den Niederdruckraum 41 eine beschleunigte Steigerungsrate der Temperatur der Brennstoff/Luft-Mischung im Rest des Zylinders 30 gestatten. Daher wäre es möglich, die Temperatur innerhalb des Niederdruckraumes 41 anzuheben, um entweder ein einzelnes Zündungsereignis oder mehrere Zündungsereignisse zu erzeugen, und zwar eines in dem Hochdruckraum 40 und ein anderes im Niederdruckraum 41, die zeitlich sehr nahe aneinander auftreten. Diese Alternative könnte weiter verbessert werden, wenn man die Möglichkeit hat, einen Strömungsquerschnitt zwischen den Räumen 40 und 41 zu steuern, wie beispielsweise durch Anwendung eines Ventils 44 mit variablem Strömungsquerschnitt, wie in Fig. 2 gezeigt.
Mit Bezug auf Fig. 2 sei bemerkt, das während die Aufteilung der homogenen Ladung zwischen dem Hochdruckraum 40 und dem Niederdruckraum 41 die Steuerung bezüglich des Starts der Zündung verbessern kann, eine noch bessere Steuerung über das Zündungsereignis erreicht werden könnte durch Modifikationen des in Fig. 2 gezeigten Zylinders, so dass er einen Volumensteuermechanismus aufweist, der einen Teil des Hochdruckraumes 40 definiert. Mit Bezug auf Fig. 3 sind nun ein Zylinder 130 und ein Leistungskolben 131 veranschaulicht, und zwar gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Während der Zylinder 130 und der Leistungskolben 131 eine Anzahl von Merkmalen mit dem Zylinder 30 und dem Leistungskolben 31 gemeinsam haben, weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel auch einen Volumensteuermechanismus 149 (Fig. 5) auf, der das Volumen eines Hochdruckraumes 140 variieren kann.
Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel definiert der Zylinder 130 einen ausgenommenen Hohlraum 139, der bemessen und positioniert ist, um einen erhabenen Teil 134 aufzunehmen, der auf einer Oberseite 133 des Leistungskolbens 131 vorgesehen ist. Der erhabene Teil 134 weist vorzugsweise eine zylindrische Wand 32 auf, die auf einer Mittellinie 129 des Leistungskolbens 131 zentriert ist, so dass die Mittellinie 129 den erhabenen Teil 134 schneidet. Eine Dichtungsscheibe 135 ist vorzugsweise Lose an dem erhabenen Teil 134 angebracht, wie beispielsweise durch eine oder mehrere Schrauben 136. Wenn sich der Leistungskolben 131 seiner oberen Totpunktposition nähert, kann die Dichtungsscheibe 135 eine Anzahl von Dichtungsscheibenführungen 138 berühren. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel weist der Zylinder 130 vorzugsweise mindestens drei Dichtungsscheibenführungen 138 auf, die gleichmäßig um eine Mittellinie 128 des Zylinders 130 beabstandet sind, obwohl nur eine Dichtungsscheibenführung 138 gezeigt worden ist. Wenn der Leistungskolben 131 auf seiner oberen Totpunktposition ist, kann jede Dichtungsscheibenführungen 138 in einer Spielbohrung 137 aufgenommen werden, die vom Leistungskolben 131 definiert wird. Wenn der Leistungskolben 131 sich seiner oberen Totpunktposition nähert, wird die homogene Ladung im Zylinder 130 zwischen dem Hochdruckraum 140 und einem Niederdruckraum 141 aufgeteilt, der in dem Rest des Zylinders 130 über dem Leistungskolben 131 ausgebildet ist. Wiederum sei bemerkt, dass wenn das Volumen des Hochdruckraumes 140 wesentlich geringer ist, als das Volumen des Niederdruckraumes 141, die Temperatur mit einer gesteigerten Rate innerhalb des Hochdruckraumes 140 ansteigen wird, wenn sich der Leistungskolben 131 seiner oberen Totpunktposition nähert. Jedoch hat in diesem Ausführungsbeispiel der Hochdruckraum 140 ein variables Volumen, welches durch den Volumensteuermechanismus 149 (siehe Fig. 5) gesteuert wird, was einen Steuerkolben 145 vorsieht, der in dem ausgenommenen Hohlraum 139 positioniert ist.
Es sei bemerkt, dass weil der Steuerkolben 145 in dem ausgenommenen Hohlraum 139 positioniert ist, der vorzugsweise in der Mitte des Zylinders 130 ist, die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 nicht erneut mit Bezug auf den Zylinder 130 positioniert werden muss, um eine Brennstoffeinspritzungen über dem Steuerkolben 145 zu verhindern. Somit ist die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 vorzugsweise von der Mittellinie 128 des Zylinders versetzt, wie in Fig. 4a veranschaulicht. Es ist jedoch bekannt, dass wenn ein Brennstoffstrahl die Wand des Zylinders trifft, wie beispielsweise die Wand des Zylinders 130, Russ oder andere Emissionen erzeugt werden könnten. Somit sollte die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 so orientiert sein, dass dies die Wahrscheinlichkeit einer Einspritzung von Brennstoff auf die Wände des Zylinders 130 verringert. Wie beispielsweise in Fig. 4a veranschaulicht, könnte die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 Düsenauslässe aufweisen, die in einem Winkel mit Bezug zur Mittellinie der Brennstoffeinspritzvorrichtung positioniert sind. Ein Brennstoffstrahl aus einem oder mehreren Düsenauslässen der Einspritzvorrichtung könnte im wesentlichen nach unten gerichtet sein, während ein Strahl aus einem oder mehreren anderen Düsenauslässen der Einspritzvorrichtung in einem größeren Winkel liegen könnte. Anstatt die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 parallel zur Mittellinie 128 des Zylinders zu positionieren, könnte die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 alternativ in einem Winkel mit Bezug auf die Mittellinie 128 des Zylinders angeordnet sein, wie in Fig. 4b veranschaulicht. Dies könnte wünschenswert sein, da die Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Anwendung bei Motoren mit homogener Ladungskompressionszündung typischerweise Brennstoff in einem sehr kleinen Winkel mit Bezug auf die Mittellinie der Brennstoffeinspritzvorrichtung einspritzen. Es sei auch bemerkt, dass die Lage und Orientierung der Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 durch derartige Faktoren eingeschränkt sein wird, wie beispielsweise die Anzahl und Größe von anderen Vorrichtungen, die am Zylinder 130 angebracht sind, wie beispielsweise Einlass- und Auslassventile genauso wie die Größe und Anordnung von den erwähnten Komponenten des Volumensteuermechanismus 149, der außerhalb des Zylinders 130 positioniert sein könnte.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist der Steuerkolben 145 belegbar zwischen einer aufwärts gerichteten Positionen, die von einem oberen Anschlag 143 definiert wird, und einer abwärts gerichteten Position, die von einem unteren Anschlag 144 definiert wird. Während die maximale obere Position und die maximale untere Position des Steuerkolbens 145 durch den oberen Anschlag 143 und dem unteren Anschlag 144 jeweils begrenzt werden, kann der Steuerkolben 145 vorzugsweise an einer unbegrenzten Anzahl von Positionen zwischen diesen extremen Stellungen anhalten. Der Steuerkolben 145 weist eine Zündungsfläche 147 auf, die dem Strömungsmitteldruck innerhalb des Zylinders 130 ausgesetzt ist, und eine Steuerfläche 146, die gegenüberliegend zur Zündungsfläche 147 positioniert ist und dem Strömungsmitteldruck in einem Steuerhohlraum 148 ausgesetzt ist. Wenn der Kolben 131 sich seiner oberen Totpunktposition nähert, wird der ausgenommene Hohlraum 139 ausreichend vom Rest des Zylinders 130 durch die Dichtungsscheibe 135 und den erhabenen Teil 134 abgeblockt, um zu gestatten, dass die Temperatur und der Druck innerhalb des ausgenommenen Hohlraums 139 auf Zündungspegel ansteigt.
Wenn der Leistungskolben 131 sich seiner oberen Totpunktposition nähert, wird der Teil des ausgenommenen Hohlraums 139 zwischen dem Steuerkolben 145 und dem Leistungskolben 131 im wesentlichen strömungsmittelmässig vom Rest des Zylinders 130 isoliert, um zu gestatten, dass der Druck innerhalb des ausgenommenen Hohlraums 139 auf Zündungspegel ansteigt. Somit wird die homogene Ladung im Zylinder 130 aufgeteilt werden zwischen einem Hochdruckraum 140, der in dem ausgenommenen Hohlraum 139 zwischen dem Leistungskolben 131 und dem Steuerkolben 145 ausgebildet ist, und einem Niederdruckraum 141, der in dem Rest des Zylinders 130 über dem Leistungskolben 131 ausgebildet ist. Wenn das Volumen des Hochdruckraumes 140 wesentlich kleiner ist als das Volumen des Niederdruckraumes 141 wird wiederum die Temperatur mit einer beschleunigten Rate in dem Hochdruckraum 140 ansteigen, wenn sich der Leistungskolben 131 seiner oberen Totpunktposition nähert. Weil der Hochdruckraum 140 einen größeren Anstieg der Temperatur erfahren wird, wenn sich der Leistungskolben 131 seiner oberen Totpunktposition nähert, als der Niederdruckraum 141, wird die Zündung des Teils der homogenen Ladung im Hochdruckraum 140 zuerst auftreten, während der Niederdruckraum 141 noch nicht die Zündungspegel erreicht hat. Somit kann durch Steuerung der Kompressionstemperatur innerhalb des Hochdruckraumes 140 der Zeitpunkt des Zündungsereignisses gesteuert werden. Die vorliegende Erfindung steuert die Temperatur oder die Rate der Temperatursteigerung innerhalb des Hochdruckraumes 140 durch Steuerung des Volumens darin.
Durch Einstellung der Lage des Steuerkolbens 145 innerhalb des ausgenommenen Hohlraums 139 kann das minimale Volumen des Hochdruckraumes 140 verändert werden. Somit kann abhängig vom erwünschten Beginn der Zündung der Hochdruckraum 140 relativ klein gemacht werden, wie beispielsweise wenn der Steuerkolben 145 auf oder nahe seiner unteren Position ist, oder kann relativ groß gemacht werden, wie beispielsweise wenn der Steuerkolben 145 auf oder nahe seiner oberen Position ist. Das elektronische Steuermodul 17 bestimmt Vorzugsweise, ob der Steuerkolben 145 basierend auf einer Bewertung von einem oder mehreren Zuständen des Zylinders bewegt werden sollte, wie beispielsweise einer Zylinderdruckkurve. Jedoch kann der erhabene Teil 134 des Leistungskolbens 131 sich vorzugsweise weit genug in den ausgenommenen Hohlraum 139 erstrecken, und zwar ungeachtet der Größe des Hochdruckraumes 140, so dass der Hochdruckraum 140 ausreichend strömungsmittelmässig von dem Niederdruckraum 141 isoliert ist, wenn der Leistungskolben 131 auf seiner oberen Totpunktposition ist, so dass die zwei Räume jeweils auf relativ höhere und niedrigere Drücke angehoben werden, wenn sich der Leistungskolben 131 der im oberen Totpunkt nähert. Wenn der Leistungskolben 131 beginnt, sich zu seiner unteren Totpunktposition hin zurückzuziehen, kann der Niederdruckraum 141 wiederum strömungsmittelmässig mit dem Hochdruckraum 140 verbunden sein, sodass die relativ magerere Brennstoff/Luft-Mischung in dem Niederdruckraum 141 durch die heißen Gase in dem Hochdruckraum 140 zünden kann.
Es sei bemerkt, dass verschiedene Verfahren zur Steuerung der Bewegung des Steuerkolbens 145 eingesetzt werden könnten. Zusätzlich mit Bezug auf Fig. 5 ist eine Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 150 gezeigt worden, um die Bewegung des Steuerkolbens 145 zwischen seinen oberen und unteren Positionen zu steuern. Ein bewegbares Steuerventilglied 158 ist vorzugsweise durch die Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 150 vorgesehen. Ein Steuerventil 151 ist auch vorzugsweise vorgesehen, um die Bewegung des Steuerventilgliedes 158 zwischen drei Positionen zu steuern. Wenn der Steuerventilschieber 152 in der Positionen für keinen Fluss ist, werden die hydraulischen Hohlräume 156 und 157 abgedichtet und verhindern eine Bewegung des Gliedes 158. Das Steuerventilglied 158 weist vorzugsweise einen pneumatischen Teil 167 auf, der eine erste pneumatische Oberfläche 146 aufweist, die dem Druck in einem ersten Hohlraum 165 ausgesetzt ist, und eine zweite pneumatische Oberfläche 147, die dem Druck in dem Hochdruckraum 140 ausgesetzt ist. Ein Passspiel existiert vorzugsweise zwischen dem pneumatischen Teil 165 und dem Steuerventilgehäuse. Der Steuerkolben 145, der an dem Glied 158 angebracht ist, weist eine beschränkte Zumessöffnung 163 auf, die einen begrenzten Gasfluss zwischen dem pneumatischen Hohlraum 165 und dem Hochdruckraum 40 zulassen kann. Die Zumessöffnung 163 ist vorzugsweise ausreichend eingeschränkt, sodass der Hochdruckraum 140 sich im wesentlichen wie ein geschlossenes Volumen verhält, wenn sich der Kolben 131 dem oberen Totpunkt nähert. Die Zumessöffnung 163 ist so bemessen, dass die Druckveränderungen auf der Oberfläche 147, die durch den Betrieb des Motors verursacht werden, zu einem konstanteren Druck auf der Oberfläche 146 durchschnittlich verteilt werden. Das Ergebnis ist eine abwechselnde Kraft auf dem Steuerelement 158. Es wird von dem hydraulischen Teil verhindert, dass diese Kraft das Steuerelement 158 bewegt, außer wenn das Steuerventil 151 gestattet, das Strömungsmittel zu einer Seite oder zur anderen fließt. Die Rückschlagventile in dem Steuerventil können Flüsse zulassen, so dass das Element 148 das Volumen 140 vergrößert oder verkleinert.
Mit Bezug auf Fig. 5 weist das Steuerventilglied 158 auch vorzugsweise einen hydraulischen Teil 159 auf, der eine erste Hydraulikfläche 160 vorsieht, die dem Strömungsmitteldruck in einem ersten hydraulischen Hohlraum 156 ausgesetzt ist, und eine zweite hydraulischen Oberfläche 161, die dem Strömungsmitteldruck in einem zweiten hydraulischen Hohlraum 157 ausgesetzt ist. Das Steuerventil 151 sieht vorzugsweise ein Gleitventilglied 152 vor, welches zwischen drei Positionen durch eine erste Bestätigungsvorrichtung 153 und eine zweite Bestätigungsvorrichtung 155 bewegt wird. Wenn das Gleitventilglied 152 in seiner ersten Position ist, wie beispielsweise wenn die erste Betätigungsvorrichtung 153 aktiviert ist, ist der erste Hohlraum 156 strömungsmittelmässig mit dem Ablauf verbunden. Wenn das Gleitventilglied 152 in dieser Position ist, ist der zweite Hohlraum 157 geöffnet, um Strömungsmittel vom Ablauf aufzunehmen. Wenn das Gleitventilglied 158 in der zweiten Position ist, gibt es keinen Fluss in die Hohlräume 156 und 157 hinein oder aus diesen heraus, sodass die Position des Gliedes 158 verriegelt ist. Wenn das Gleitventilglied 152 in seiner dritten Position ist, wie beispielsweise wenn die zweite Betätigungsvorrichtung 151 erregt ist, ist der erste Hohlraum 156 geöffnet, um Strömungsmittel vom Ablauf aufzunehmen. Wenn das Gleitventilglied 152 in dieser Position ist, ist der zweite Hohlraum 157 zum Ablauf hin offen. Somit kann das Steuerventil 151 vorzugsweise dahingehend arbeiten, dass es die pneumatischen Kräfte auf dem Kolben ausnutzt, um das Glied 158 erneut zu positionieren, und daher um das Volumen des Hochdruckraumes 140 zu variieren.
Wie zuvor gezeigt, steuert die Bewegung des Steuerventilgliedes 158 die Bewegung und die Verriegelung des Steuerkolbens 145. Um zu gestatten, dass der Steuerkolben 145 sich zu seiner oberen Position für ein darauf folgendes Zündungsereignis bewegt, sollte das Steuerventilglied 158 in seiner ersten Position sein. Das Gleitventilglied 152 wird aus seiner ersten Position in seine dritte Position durch die erste Bestätigungsvorrichtung 153 bewegt, und zwar während des Kompressionshubes. Um zu gestatten, dass der Steuerkolben 145 sich zu seiner unteren Positionen für ein darauf folgendes Zündungsereignis bewegt, sollte das Steuerventilglied 158 in seiner dritten Position sein. Somit kann das Volumen des Raums 140 eingestellt werden durch Aktivierung der Bestätigungsvorrichtungen 153 und 155 mit einer entsprechenden Zeitsteuerung zur Verwendung von Gaskräften auf dem Kolben 145 zur Einstellung der Positionen des Kolbens.
Wenn die Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 150 so konfiguriert ist, wie in Fig. 5 veranschaulicht, existiert vorzugsweise ein Passspiel zwischen dem Steuerventilglied 158 und dem Steuerventilgehäuse, um zu verhindern, das Strömungsmittel aus dem hydraulischen Hohlraum 157 in den Steuerhohlraum 165 fließt. Dies ist vorzuziehen, da ohne eine adäquate Dichtung um das Steuerventilglied 158 herum das hydraulische Strömungsmittel, welches in den Steuerhohlraum 165 eingetreten ist, in den Zylinder 130 über den Raum 140 fließen könnte, und die Verbrennungseigenschaften des Verbrennungsereignisses verändern könnte. Es sei bemerkt, dass die Anwesenheit des hydraulischen Strömungsmittels im Zylinder 130 (Räume 140 und 141) zu gesteigerten Emissionen und anderen mit der Zündung und der Verbrennung in Beziehung stehenden Problemen führen könnte. Teilweise aufgrund dieser Überlegungen bezüglich der Abdichtung und der Leckage sei bemerkt, dass andere Konfigurationen von Kompressionsverhältnis Steuervorrichtungen 150 wünschenswert sein könnten. Während beispielsweise das Steuerventilglied 158 so veranschaulicht worden ist, dass es sowohl einen hydraulischen Teil 159 als auch einen pneumatischen Teil 167 aufweist, es statt dessen nur einen pneumatischen Teil 167 aufweisen könnte. Der Steuerhohlraum 165 könnte alternativ zu einer Hochdruck- Pneumatikquelle geöffnet und geschlossen werden, um die Bewegung des Steuerventilgliedes 158 zu erleichtern.
Mit Bezug auf Fig. 6 ist ein Zylinder 230 und ein Leistungszylinder 231 gemäß noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Leistungskolben 231 weist eine Oberseite 233 auf, die einen abgesenkten Teil 234 definiert. Der abgesenkte Teil 234 ist bemessen und positioniert, um einen Steuerkolben 245 aufzunehmen, der innerhalb des Zylinders 230 bewegbar ist. Vorzugsweise hat der Leistungskolben 231 eine Mittellinie 229, die den abgesenkten Teil 234 schneidet. Der Steuerkolben 245 ist vorzugsweise zwischen einer unteren Positionen wie gezeigt und einer oberen Position bewegbar. Es sei bemerkt, dass der Steuerkolben 245 in seiner Bewegung durch ein Steuerventilglied gesteuert werden könnte, welches einen hydraulischen Teil und einen pneumatischen Teil besitzt, wie beispielsweise für das vorherige Ausführungsbeispiel offenbart. Es sei jedoch weiter bemerkt, dass irgendwelche geeigneten Mittel zur Steuerung der Bewegung des Steuerkolbens 245 statt dessen verwendet werden könnten. Beispielsweise könnte der Steuerkolben 245 durch ein pneumatisches Steuerventilglied gesteuert werden, welches eine Oberfläche aufweist, die einer Hochdruckquelle ausgesetzt ist, die Alternativ geöffnet und geschlossen wird, wie beispielsweise zuvor offenbart.
Wie gezeigt, ist der Steuerkolben 245 bemessen und positioniert, sodass er in dem abgesenkten Teil 234 des Leistungskolbens 231 aufgenommen werden kann. Eine Dichtungsscheibe 235 ist vorzugsweise am Steuerkolben 245 in irgendeiner geeigneten Weise angebracht, wie beispielsweise durch Befestigungsmittel 236. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Dichtungsscheibe 235 vorzugsweise mit einer oder mehreren Dichtungsscheiben 238 in Eingriff stehen, die auf dem Leistungskolben 231 vorgesehen sind, sodass der Leistungskolben 231 und die Dichtungsscheibe 235 mit Bezug aufeinander ausgerichtet sein werden, wenn sich der Leistungskolben 231 seiner oberen Totpunktposition nähert. Wenn der Steuerkolben 245 in seiner oberen Position ist, und wenn der Leistungskolben 231 sich anderenfalls dem Zylinderkopf nähern könnte, könnte die eine oder Vielzahl von Dichtungsscheibenführungen 238 durch entsprechende Spielbohrungen 237 aufgenommen werden. Sobald er mit dem Leistungskolben 231 in Eingriff kommt, hilft der Steuerkolben 245 dabei, den Zylinder 230 aufzuteilen, und zwar in einen Hochdruckraum 240, der von dem abgesenkten Teil 234 und dem Steuerkolben 245 definiert wird, und einen Niederdruckraum 241, der von der Oberseite 233 des Leistungskolbens 231, den Zylinder 230 und dem Steuerkolben 245 definiert wird. Da der Steuerkolben 245 vorzugsweise zu einem Bereich von Positionen zwischen seinen unteren und oberen Positionen bewegbar ist, kann das Volumen des Hochdruckraumes 240 wie erwünscht eingestellt werden, wenn der Leistungskolben 231 auf der oberen Totpunktposition ist. Somit kann durch Einstellung der Distanz, über die sich der Steuerkolben 245 innerhalb des abgesenkten Teils 234 ausdehnt, wenn der Leistungskolben 231 auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist, die Größe des Hochdruckraumes 240 verändert werden.
Daher kann wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel abhängig vom erwünschten Beginn der Zündung der Hochdruckraum relativ klein gemacht werden, wie beispielsweise wenn der Steuerkolben 245 auf oder nahe seiner unteren Positionen ist, oder er kann relativ groß gemacht werden, wie beispielsweise wenn der Steuerkolben 245 auf oder nahe seiner oberen Position ist. Wiederum kann ungeachtet der erwünschten Größe des Hochdruckraumes 240 der Steuerkolben 245 vorzugsweise sich weit genug in den abgesenkten Teil 234 erstrecken, sodass der Hochdruckraum 240 ausreichend strömungsmittelmässig von dem Niederdruckraum 241 isoliert ist, wenn der Leistungskolben 231 auf seiner oberen Totpunktposition ist, um zu gestatten, dass der Druck innerhalb des Hochdruckraumes 240 auf Zündungspegel ansteigt. Die Zündung der restlichen Ladung in dem Niederdruckraum 241 kann durch die Leckage von heißen Gasen um die Dichtungsscheibe 235 oder durch eine wesentliche Strömungsmittelverbindung erreicht werden, wenn der erhabene Teil 234 sich aus dem ausgenommenen Hohlraum 239 heraus bewegt, wenn sich der Leistungskolben 231 zurückzieht.

Industrielle Anwendbarkeit

Mit Bezug auf die Fig. 1-2 zieht sich genau vor seinem Kompressionshub der Leistungskolben 31 zu seiner unteren Totpunktposition hin zurück. Wenn der Motor 10 ein Vier-Takt-Motor ist, entspricht dieses zurückziehen dem Einlasshub des Leistungskolbens 31. Wenn jedoch der Motor 10 ein Zwei- Takt-Motor ist, führt der Leistungskolben 31 seinen Leistungshub aus. Sobald der Kolben 31 seine untere Totpunktposition erreicht und beginnt, vorzulaufen, spritzt die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 eine Brennstoffmenge in den Zylinder 30 ein. Wenn der Leistungskolben 31 vor läuft, vermischt sich der Brennstoff mit der Luft innerhalb des Zylinders 30, um eine relativ magere Brennstoff/Luft-Mischung zu erzeugen. Wenn der Leistungskolben 31 weiter vor läuft, kommt die Dichtungsscheibe 35 in Kontakt mit einer oder mehreren Dichtungsscheibenführungen 38. Diese Gegenwirkung der Dichtungsscheibe 35 mit den Dichtungsscheibenführungen 38 bewegt die Dichtungsscheibe 35 in Ausrichtung mit dem ausgenommenen Hohlraum 39, falls nötig. Sobald der erhabene Teil 34 in den ausgenommenen Hohlraum 39 eingetreten ist, wird die relativ magere Brennstoff/Luft-Mischung innerhalb des Zylinders 30 zwischen dem Hochdruckraum 40 und dem Niederdruckraum 41 aufgeteilt.
Weil der Hochdruckraum 40 ein wesentlich kleineres Volumen hat als der Niederdruckraum 41, und weil diese Strömungsmittelleerräume strömungsmittelmässig isoliert sind, werden die Temperaturen und der Druck innerhalb des Hochdruckraumes 40 viel schneller im Hochdruckraum 40 ansteigen als im Niederdruckraum 41. Sobald die Zündungspegel innerhalb des Hochdruckraumes 40 erreicht wurden, wird die Brennstoff/Luft-Mischung innerhalb des ausgenommenen Hohlraums 39 zünden. Vorzugsweise ist der ausgenommene Hohlraum 39 so bemessen, dass dieses Zündungsereignis auftritt, wenn der Leistungskolben 31 auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist. Es sei daran erinnert, dass die Zündungspegel in dem Niederdruckraum 41 nicht erreicht werden könnten, wenn der Leistungskolben 31 zu seiner oberen Totpunktposition hin läuft. Wenn sich jedoch der Leistungskolben 31 zu seiner unteren Totpunktposition hin zurückzieht, und sich der erhabene Teil 34 von dem ausgenommenen Hohlraum 39 zurückzieht, wird die Brennstoff/Luft-Mischung im Rest des Zylinders 30 gezündet werden, wenn der Niederdruckraum 41 wieder strömungsmittelmässig mit dem Hochdruckraum 40 verbunden ist, und den heißen Gasen innerhalb dieses Raums ausgesetzt ist. Somit wird die Hauptladung innerhalb des Zylinders 30 gezündet, wenn sich der Leistungskolben 31 zu seiner unteren Totpunktposition hin zurückzieht.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 3-5 und zieht sich der Leistungskolben 131 gerade vor seinem Kompressionshub zu seiner unteren Totpunktposition zurück. Wenn der Leistungskolben 131 beginnt, sich zu seiner unteren Totpunktposition hin zurück zuziehen, bestimmt das elektronische Steuermodul 17, ob die Größe des Hochdruckraumes 140 vergrößert werden sollte, und zwar entsprechend der Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens 145, verringert werden sollte, entsprechend der Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 145, oder dass sie für das darauf folgende Zündungsereignis gleich bleiben sollte. Wenn bestimmt wird, dass der Hochdruckraum 140 entweder bezüglich des Volumens vergrößert oder verkleinert werden sollte, signalisiert das elektronische Steuermodul 17, dass die erste Bestätigungsvorrichtung 153 und die zweite Bestätigungsvorrichtung 155 das Gleitventilglied 152 zu der entsprechenden Position bewegen.
Wenn bestimmt wird, dass der Hochdruckraum 140 bezüglich des Volumens vergrößert werden sollte, wird die erste Bestätigungsvorrichtung 153 erregt, und das Gleitventilglied 152 wird zu seiner ersten Position bewegt. Der erste hydraulische Hohlraum 156 ist nun geöffnet, um zum Reservoir 12 ablaufen zu können, und der zweite hydraulische Hohlraum 157 ist nun offen, um vom Reservoir 12 etwas anzuziehen. Wenn der höhere Druck auf die erste hydraulische Fläche 145 des pneumatischen Teils 167 wirkt, wird das Steuerventilglied 158 bewegt, um das Volumen des Hochdruckraumes 140 zu steigern. Das Steuerventilglied 152 wird in einer gegebenen Positionen gehalten, wenn die Betätigungsvorrichtungen 153 und 155 nicht aktiviert werden, wobei das Glied 152 in der zweiten (keinen Fluss zulassenden) Positionen ist. Wenn der Leistungskolben 131 auf seiner unteren Totpunktposition ist, oder wenn er gerade begonnen hat, sich zu seiner oberen Totpunktposition hin zu bewegen, spritzt die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 eine Brennstoffmenge in den Zylinder 130 ein. Wenn der Leistungskolben 131 vor läuft, vermischt sich der Brennstoff mit der Luft im Zylinder 130, um eine relativ magere Brennstoff/Luft-Mischung zu bilden.
Wenn der Leistungskolben 131 sich seiner oberen Totpunktposition nähert, berührt die Dichtungsscheibe 135 die eine Dichtungsscheibenführung oder die Vielzahl von Dichtungsscheibenführungen 138 und wird innerhalb des Zylinders 130 relativ zum ausgenommenen Hohlraum 139 zentriert. Da zusätzlich der erhabene Teil 134 und die Dichtungsscheibe 135 dahingehend wirken, dass sie strömungsmittelmässig den Hochdruckraum 140 vom Niederdruckraum 141 isolieren, ist der Hochdruckraum 140 nun im wesentlichen ein eingeschlossenes bzw. abgeschlossenes Volumen. Wenn der Leistungskolben 131 weiter vor läuft, werden die Temperatur und der Druck innerhalb des Hochdruckraumes 140 auf Zündungspegel angehoben. Wenn der Druck innerhalb des Hochdruckraumes 140 ausreicht, zündet die Menge der relativ mageren Brennstoff/Luft-Mischung, die in dem Hochdruckraum 140 eingeschlossen ist, vorzugsweise wenn der Leistungskolben 131 auf oder nahe seiner oberen Totpunktposition ist. Der Leistungskolben 131 beginnt, sich zurück zuziehen, und der erhabene Teil 134 bewegt sich aus dem ausgenommenen Hohlraum 139. Sobald sich der Leistungskolben 131 ausreichend zurückgezogen hat, wird der Hochdruckraum 140 vollständig zum Niederdruckraum 141 geöffnet, und die Brennstoff/Luft-Mischung innerhalb des Niederdruckraumes 141 wird über den Kontakt mit den heißen Gasen vom Hochdruckraum 140 gezündet. Der Leistungskolben 131 wird nun nach unten zu seiner unteren Totpunktposition durch die volle Ladung innerhalb des vollen Zylinders 130 betrieben.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 6 wird der Betrieb für dieses alternative Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das elektronische Steuermodul 17 bestimmt, ob das darauf folgende Einspritzereignis bezüglich der Zeit vorgestellt werden sollte, entsprechend dem Steuerkolben 245, der zu seiner unteren Position bewegt wird, oder bezüglich des Zeitpunktes oder der Zeitsteuerung verzögert wird, entsprechend dem, dass der Steuerkolben 245 zu seiner oberen Position bewegt wird. Der Steuerkolben 245 wird dann über die erwünschte Distanz in der geeigneten Weise bewegt. Es sei daran erinnert, dass der Steuerkolben 245 in ähnlicher Weise wie der Steuerkolben 145 bewegt werden kann, wie beispielsweise mit einem Steuerventilglied, welches einen hydraulischen Teil und einen pneumatischen Teil aufweist, oder in irgendeiner anderen geeigneten Art und Weise. Wenn sich der Leistungskolben 231 seiner oberen Totpunktposition nähert, berührt er die Dichtungsscheibe 235, die bei der Ausrichtung des Steuerkolbens 245 und des Leistungskolbens 231 hilft. Wenn der Steuerkolben 245 innerhalb des abgesenkten Teils 234 aufgenommen wird, wird ein Hochdruckraum 240 erzeugt und ausreichend strömungsmittelmässig vom Niederdruckraum 241 isoliert. Sobald die relativ magere Brennstoff/Luft-Mischung innerhalb des Hochdruckraumes 240 ausreichend komprimiert ist, zündete sie, was den Leistungskolben 231 zu seiner unteren Totpunktposition hin treibt. Wenn sich der Leistungskolben 231 zurückzieht, wird der Hochdruckraum 240 wiederum vollständig strömungsmittelmässig mit dem Niederdruckraum 241 verbunden, und der Brennstoff innerhalb des Niederdruckraumes 241 kann durch die Ladung aus dem Hochdruckraum 240 gezündet werden.
Es sei bemerkt, dass verschiedene Modifikationen an den offenbarten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden könnten, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Während beispielsweise der Hochdruckraum so dargestellt wurde, dass er um die Mittellinien des Zylinders und des Leistungskolbens zentriert ist, könnte dies modifiziert werden. Beispielsweise könnte der Hochdruckraum statt dessen auf einer Seite der Mittellinien definiert werden. Es sei jedoch bemerkt, dass der hohe Druck, der durch die Zündung auf einer Seite des Leistungskolbens anstelle in dessen Mitte erzeugt wird, in nicht wünschenswerterweise die Abwärtsbewegung des Leistungskolbens beeinflussen könnte. Während zusätzlich der Hochdruckraum so beschrieben wurde, dass er wesentlich kleiner an Volumen ist als der Niederdruckraum, könnte dies auch modifiziert werden. Es sei jedoch bemerkt, dass wenn das Volumen des Hochdruckraumes sich jenem des Niederdruckraumes annähert, die Steuerung über die Temperatur innerhalb des Hochdruckraumes, um den erwünschten Zündungszeitpunkt sicherzustellen, schwieriger werden würde.
Somit wird der Fachmann erkennen, dass andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden können.

Claims

1. 1. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung, der Folgendes aufweist:
ein Motorgehäuse, dass mindestens einen Zylinder definiert;
einen Leistungskolben mit einem erhabene Teil und einem abgesenkten Teil, der positioniert ist, um sich in den Zylinder zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition hin und her zu bewegen;
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Strömungsmittelverbindung mit den Zylinder, die betreibbar bzw. wirksam ist, um Brennstoff in den Zylinder einzuspritzen, wenn der Leistungskolben näher an der unteren Totpunktposition als an der oberen Totpunktposition ist; und
wobei der Leistungskolben und das Motorgehäuse zumindest einen Teil eines Hochdruckraumes und zumindest einen Teil eines Niederdruckraumes definieren, wenn der Leistungskolben auf der oberen Totpunktposition ist.

2. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 1, wobei das Motorgehäuse eine Ausnehmung definiert, um den erhabene Teil aufzunehmen; und wobei der erhabene Teil einen Teil des Hochdruckraumes definiert, wenn der Leistungskolben auf der oberen Totpunktposition ist.

3. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 1, wobei der abgesenkte Teil einen Teil des Hochdruckraumes definiert, wenn der Leistungskolben in der oberen Totpunktposition ist.

4. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 1, wobei der Leistungskolben eine Mittellinie besitzt; und wobei der erhabene Teil eine zylindrische Wand aufweist, die auf der Mittellinie zentriert ist.

5. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 4, wobei die Mittellinie den erhabene Teil schneidet.

6. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 4, wobei die Mittellinie einen abgesenkten Teil des Leistungskolbens schneidet.

7. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 1, der einen Volumensteuermechanismus aufweist, der einen Teil des Hochdruckraumes definiert.

8. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 7, wobei der Volumensteuermechanismus einen bewegbaren Steuerkolben aufweist, der den Teil des Hochdruckraumes definiert.

9. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 8, wobei der Steuerkolben eine Zündungsfläche aufweist, die den erwähnten Teil des Hochdruckraumes definiert, und eine Steuerfläche, die gegenüberliegend zu der Zündungsfläche orientiert ist; und wobei der Volumensteuermechanismus ein Steuerventil aufweist, das betriebsmässig mit der Steuerfläche gekoppelt ist.

10. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 1, wobei der Niederdruckraum vom Hochdruckraum durch eine bewegbare Scheibendichtung getrennt ist, die an dem Leistungskolben angebracht ist.

11. Verfahren zur Zündung einer homogenen Ladung in einem Motor, das folgende Schritte aufweist:
Einspritzung von Brennstoff in einen Zylinder, wenn ein Leistungskolben näher an einer unteren Totpunktposition als an einer oberen Totpunktposition ist;
Aufteilung einer homogenen Ladung zwischen einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum;
Zündung eines Teils der homogenen Ladung in dem Hochdruckraum zumindest teilweise durch komprimieren des Teils auf einen Kompressionszündungspunkt; und
Zündung eines restlichen Teils der homogenen Ladung zumindest teilweise durch strömungsmittelmässige Verbindung des Hochdruckraumes mit dem Niederdruckraum.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Aufteilungsschritt einen Schritt aufweist, einen erhabene Teil des Leistungskolbens in eine Ausnehmung zu bewegen, die von einem Motorgehäuse definiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Aufteilungsschritt einen Schritt der Bewegung eines abgesenkten Teils des Leistungskolbens zur Aufnahme eines erweiterten bzw. verlängerten Teils aufweist, der in dem Zylinder vorgesehen ist.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt der Zündung eines restlichen Teils einen Schritt der Bewegung des Leistungskolbens weg von einer oberen Totpunktposition aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 11, welches einen Schritt der Einstellung eines minimalen Volumens des Hochdruckraumes aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Einstellungsschritt einen Schritt aufweist, einen Steuerkolben erneut zu positionieren, der einen Teil des Hochdruckraumes definiert.

17. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung, der Folgendes aufweist:
ein Motorgehäuse, das mindestens einen Zylinder mit einer Mittellinie definiert;
einen Leistungskolben, der positioniert ist, um sich in dem Zylinder zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition hin und her zu bewegen;
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Strömungsmittelverbindung mit dem Zylinder, die betreibbar ist, um Brennstoff in den Zylinder einzuspritzen, wenn der Leistungskolben näher an der unteren Totpunktposition als an der oberen Totpunktposition ist; und
wobei der Leistungskolben und das Motorgehäuse zumindest einen Teil eines Hochdruckraumes und zumindest einen Teil eines Niederdruckraumes definieren, wenn der Leistungskolben auf der oberen Totpunktposition ist, wobei die Mittellinie den Hochdruckraum schneidet.

18. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 17, wobei der Niederdruckraum ein wesentlich größeres Volumen hat als der Hochdruckraum.

19. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 18, der einen Volumensteuermechanismus aufweist, der betriebsmässig mit dem Hochdruckraum gekoppelt ist; und
wobei der Volumensteuermechanismus einen bewegbaren Steuerkolben aufweist, der einen Teil des Hochdruckraumes definiert.

20. Motor mit homogener Ladungskompressionszündung nach Anspruch 19, wobei der Leistungskolben einen gestuften Oberteil aufweist, der den erwähnten erhabenen Teil aufweist;
wobei das Motorgehäuse eine Ausnehmung definiert, um den erhabenen Teil aufzunehmen; und
wobei der erhabene Teil einen Teil des Hochdruckraumes definiert, wenn der Leistungskolben in der oberen Totpunktposition ist.