DE10238009A1

DE10238009A1 - Mehrfach-Zonen-Verbrennungskammer und Verfahren zur Verbrennungssteuerung in kompressionszündenden Kolbenmotoren

Info

Publication number: DE10238009A1
Application number: DE10238009A
Authority: DE
Inventors: Jun Charles E Roberts
Original assignee: Southwest Research Institute SwRI
Current assignee: Southwest Research Institute SwRI
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2003-04-17
Also published as: US20030041836A1; US6557520B2; JP2003083071A

Abstract

Eine Mehrfachzonenverbrennungskammer und ein Verfahren zur Verbrennung in einem verdichtungsgezündeten, reziprokierenden Motor. Die Verbrennungskammer beinhaltet einen Zylinder, einen Zylinderkopf, der an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, einen Kolben, der in dem Zylinder reziprokiert, einen Einlass, der ein Gas in die Verbrennungskammer während eines Einlasshubes des Kolbens bereitstellt und einen Einspritzer, der einen Treibstoff in die Verbrennungskammer versorgt. Die Verbrennungskammer definiert eine Primärkammer und wenigstens eine Sekundärkammer, wenn der Kolben gegen eine vorbestimmte Position nahe des Zylinderkopfs angeordnet ist. Die Verbrennung wird in der Primärkammer gestartet, während verhindert wird, dass die Verbrennung in der Sekundärkammer erfolgt. Die Verbrennung in der Sekundärkammer wird verzögert, bis der Kolben und der Zylinderkopf voneinander getrennt sind und eine thermodynamische Verbindung zwischen der Treibstoff/Gasmasse in der Primärkammer und der Treibstoff/Gasmasse in der Sekundärkammer möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Verbrennungskammer in einem Verbrennungsmotor und insbesondere das Bereitstellen einer Mehrfachzonenverbrennungskammer in einem druckgezündeten Motor, wie, zum Beispiel, einem Dieselmotor, oder einem homogenen Aufladungsdruck- entzündeten Motor (HCCI).
Eine Art eines Verbrennungsmotors ist ein Dieselmotor. Während des Betriebs wird Luft in einen Zylinder des Motors eingesogen und auf ein hohes Volumenverhältnis (typischerweise 14 : 1-25 : 1) verdichtet. Im Ergebnis wird eine hohe Temperatur zwischen 300° und 400° erreicht. Treibstoff wird nicht vor dem Ende des Verdichtungshubes in dem Zylinder eingespritzt. Aufgrund der hohen Temperatur der Luft entzündet sich der Treibstoff spontan. Die Zündung erfolgt jedoch nicht unmittelbar nachdem der Treibstoff eingespritzt wurde. Der Treibstoff tritt in den Zylinder in Form von Flüssigkeitstropfen ein. Diese Tropfen müssen intensiv mit der Luft in dem Zylinder gemischt werden und vergasen bevor sie sich entzünden können, um die Verbrennung zu beginnen. Diese inhärente Verzögerung bei der Verbrennung macht den Verbrennungsprozess einen verhältnismäßig langsamen Prozess, welcher nicht dazu führt, dass eine vollständige Treibstoffmischung erreicht wird, wodurch der effiziente Betrieb des Dieselmotors auf vergleichsweise langsame Geschwindigkeiten begrenzt wird und der Motor zur Rauchbildung veranlasst wird.

US-Patent 2,234,844 von Mitchell, dessen vollständige Offenbarung hierin durch Bezugnahme mit einbezogen wird, veröffentlicht eine Zweikammer-Verbrennungskammer, welche durch eine Kolbenbewegung unterteilt wird, wobei ein Druckausgleich ermöglicht wird, wenn der Kolben sich dem oberen Totpunkt (TDC) annähert. Mitchell beschreibt nicht den Verbrennungsstart in einer Primärkammer und die Verbrennungsverzögerung in der Sekundärkammer.

US-Patent 4,164,915 von Kulhavy et al. dessen vollständige Veröffentlichung hierin durch Bezugnahme mit einbezogen wird, beschreibt ein Verfahren zum Umwandeln eines Ottomotors in einem Dieselmotor. Ein Kolben ist mit einem Vorsprung ausgerüstet, welcher die Kammer in zwei Kammern unterteilt. Hohe Geschwindigkeiten fließen von einer Hochdruckkammer zu einer Niederdruckkammer. Kulhavy et al. beschreiben auch nicht die initiale Verbrennung in einer Primärkammer und die Verbrennungsverzögerung in einer Sekundärkammer.

US-Patent 3,386,422 von Eyzat, dessen vollständige Veröffentlichung hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, beschreibt einen druckgezündeten Motor, der einen Kolbenvorsprung aufweist, welcher eine in Querschnitt variable Vorkammer-Flammenstrahlverbrennung und eine erhöhte Turbulenz ausbildet. Eyzat beschreibt ebenfalls nicht den Verbrennungsstart in einer Primärkammer und die Verbrennungsverzögerung in der Sekundärkammer.

US-Patent 2,696,808, Chronic et al., dessen vollständige Veröffentlichung hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, beschreibt eine Verwirbelungskammer für Verbrennungsmotoren, die einen Kolben mit einem Vorsprung und einem Kopf mit einer Aufnahme aufweisen. Die Verbrennungskammern sind exzentrische zylindrische Kammern mit Treibstoffeinspritzung und Energie(vorkammer), für eine erhöhte Verwirbelungsbewegung. Chronic et al. beschreiben auch nicht, die Verbrennung in einer Primärkammer zu starten und die Verbrennung in der Sekundärkammer zu verzögern.

US-Patent 6,119,650 von Tanigawa et al., dessen vollständige Veröffentlichung hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, beschreibt einen Energieerhaltungskreislaufmotor, welcher zwei Kammern aufweist mit Kolbenvorsprüngen und Kopfaufnahmen von zwei Kammern im TDC. Einwegrückschlagventile sind bereit gestellt, um eine Verbindung zwischen Kammern von einer zweiten äußeren Kammer zu einer ersten inneren Kammer zu ermöglichen. Die Rückschlagventile ermöglichen es, dass komprimierte Luft während des Verdichtungshubes aus der zweiten Kammer in die erste Kammer eingeleitet wird. Der Treibstoff wird nur in die erste Kammer eingespritzt. Tanigawa et al. beschreiben nicht, die HCCI Verbrennung oder die resultierende Verringerung der NO_x aufgrund der Spitzentemperaturregelung zu regeln. Weiterhin bilden Tanigawa et al nicht ein Treibstoff/Luftgemisch in der zweiten Kammer vor der Verbrennung aus.

Es ist wünschenswert, eine Mehrfachzonenverbrennungskammer bereitzustellen, welche physikalisch die Verbrennungskammer in mehrere kleinere Kammern unterteilt, wobei wenigstens eine der mehreren Kammern eine Primärverbrennungskammer ist. Die Mehrbereichsverbrennungskammer verstärkt eine Erhöhung der Mischung und Vergasung des eingespritzten Treibstoffs. Die Mehrfachzonenverbrennungskammer stellt auch verschiedene wirksame Verdichtungsverhältnisse während der Zündung und/oder Verbrennung eines reziprokierenden Motors bereit, wodurch sie bei der Regelung des Verbrennungsvorgangs und einer Verringerung der NO_x hilft. Die Unterteilung der Kammern wird erreicht, wenn der Kolben zu einer vorbestimmten Position bewegt wurde, was bewirkt, dass die Kammern voneinander gegenüber einer Fluidverbindung abgedichtet werden. Die erhöhte Steuerung des Verbrennungsvorgangs verringert wirkungsvoll bekannte Limitationen des effizienten Betriebs von Verbrennungsmotoren.

Die Erfindung wurde in Betrachtung der zuvor beschriebenen Umstände gemacht. Die vorliegende Erfindung ist auf das langbestehende Problem, wie zuvor beschrieben, gerichtet, eine Mehrfachzonenverbrennungskammer bereitzustellen und ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor, welches so arbeitet, dass gewünschte Eigenschaften hinsichtlich Geschwindigkeit, Leistungsabgabe, Treibstoffverbrauch und Abgasemission des Motorsystems erreicht werden. Ein besserer Treibstoffverbrauch und reduzierte Emissionen werden erreicht, weil die Mehrfachzonen- Verbrennung eine Verbrennungskammer in mehrere Kammern und Stufen für die Verbrennung unterteilen, wodurch eine homogene Mischung des Treibstoffs mit der Luft erreicht wird, bevor das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Verdichtung gezündet wird.

Ein Aspekt dieser Erfindung ist, eine Mehrfachzonenverbrennungskammer in einem Verbrennungsmotor bereitzustellen. Die Mehrfachzonenverbrennungskammer beinhaltet einen Zylinder, einen Zylinderkopf, der an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, einen Kolben, der sich in dem Zylinder hin- und herbewegt, einen Einlass, der Treibstoff, Luft oder eine Kombination davon in die Verbrennungskammer während eines Einlasshubes des Kolbens versorgt. Zusätzlich kann eine Einspritzung beinhaltet sein, welche einen Treibstoff direkt in die Verbrennungskammer versorgt. Die Verbrennungskammer definiert eine Primärkammer und eine Sekundärkammer, wenn der Kolben in eine vorbestimmte Position nahe des Zylinderkopfs bewegt würde. Die Primär- und Sekundärkammern enthalten entsprechende Mischungen von Gas und Treibstoff vor der Verbrennung. Die Primär- und Sekundärkammern sind so bemessen, dass eine Verdichtungsverbrennung in der Primärkammer durch Verdichtung des darin befindlichen Treibstoff-Luft- Gemisches ausgelöst wird, während in der zweiten Kammer eine Simultanauslösung der Verdichtungsverbrennung aufgrund der Verdichtung des Treibstoff-Luft-Gemisches in der Sekundärkammer nicht auftritt.

Ein anderer Aspekt dieser Erfindung ist, ein Verfahren in einem Verbrennungsmotor mit einer Verbrennungskammer bereitzustellen. Die Mehrfachzonenverbrennungskammer beinhaltet einen Zylinder, einen Zylinderkopf, der an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, einen Kolben, der sich in dem Zylinder hin- und herbewegt und einen Einlass, der Treibstoff, Luft oder eine Kombination davon in die Verbrennungskammer während eines Einlasshubes des Kolbens versorgt. Zusätzlich kann eine Einspritzung beinhaltet sein, die einen Treibstoff direkt in die Verbrennungskammer versorgt. Das Verfahren umfasst: (1) Unterteilen der Verbrennungskammer in wenigstens zwei Unterkammern, wenn der Kolben zu einer vorbestimmten Position nahe des Zylinderkopfs bewegt wurde, (2) Auslösen einer verdichtungsgezündeten Verbrennung in einer der Unterkammern, die von einer benachbarten Unterkammern abgedichtet wurde und (3) Auslösen einer verdichtungsgezündeten oder - assistierten Verbrennung in der benachbarten Unterkammer, nachdem die Unterteilung dieser beiden Unterkammern aufgehoben wurde.

Die Erfindung wird mit Bezug zu den folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines bekannten Verbrennungsmotors;
Fig. 2 eine erste Phase in einer Mehrfachverbrennungskammer nach einem normalen Einlasshub entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine zweite Phase in der Mehrfachzonenverbrennungskammer, in der die Verbrennungskammer in einer Primärkammer und einer Sekundärkammer entsprechend der vorliegenden Erfindung unterteilt wird;
Fig. 4 eine dritte Phase der Mehrfachzonenverbrennungskammer, welche eine initiale Verdichtungsentzündung in der Primärkammer entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 eine vierte Phase in der Mehrfachzonenverbrennungskammer, welche eine schnelle Verbrennung in der Primärkammer entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine fünfte Phase der Mehrfachzonenverbrennungskammer, welche die Entwicklung der schnellen Verbrennung entsprechend der vorliegenden Erfindung weiter zeigt;
Fig. 7 eine sechste Phase der Mehrfachzonenverbrennungskammer, welche die Verbindung zwischen der Primärkammer- und der Sekundärkammer zeigt, welche die Verbrennung in der Sekundärkammer initiiert entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine siebte Phase der Mehrfachzonenverbrennungskammer, welche zeigt, dass die Sekundärkammer aufgrund von dem durch die Primärkammer ausgelösten Druck- und Temperaturanstiegs zur Verdichtungsentzündung bewegt wird;
Fig. 9 eine Treibstoffeinspritzungsanordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine alternative Treibstoffeinspritzungsanordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines Verbrennungsmotors entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Kurz zusammengefasst wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung, ein Beispiel eines Verbrennungsmotors, bei dem die Erfindung angewendet wird, beschrieben. Der Verbrennungsmotor ist ein verdichtungszündender Motor.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Verbrennungsmotor. Die Motoranordnung 10 beinhaltet ein Verteilerbauteil 12 und eine Luftquelle 14. Das Verteilerbauteil 12 hat eine Einlassöffnung 16 und eine Auslassöffnung 15, die darin ausgebildet sind. Die Luftquelle 14 versorgt Luft zu der Einlassöffnung 16. Die Luft von der Luftquelle 14 schreitet in die Vorraumkammer 24, welche durch das Verteilerbauteil 12 definiert wird, durch die Einlassöffnung 16 fort.
Die Motoranordnung 10 beinhaltet weiterhin eine Treibstoffverbrennungsanordnung oder Zylinderanordnung 26. Die Zylinderanordnung 26 beinhaltet einen Block 28, in dem ein Kolbenzylinder 30 ausgebildet ist. Ein Zylinderkopf 32 ist an dem Block 28 befestigt. Im Zylinderkopf 32 ist eine Einlassöffnung 34, eine Auslassöffnung 36 und eine Treibstoffeinspritzungsöffnung 60 ausgebildet. Ein Einlasskanal 38 setzt die Einlassöffnung 34 in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 15 des Verteilerbauteils 12. Ein Auslasskanal 52 setzt die Auslassöffnung 36 in Fluidverbindung mit einem Auslasssammler oder Auspuffkrümmer 54.
Die Motoranordnung 10 beinhaltet weiterhin einen Kolben 40, der in dem Kolbenzylinder 30 in der allgemeinen hin- und hergehenden Richtung der Pfeile 42 und 44 gleitet. Während eines Einlasshubes wird der Kolben 40 in die allgemeine Richtung des Pfeils 44 vorbewegt, wodurch ein Unterdruck in der Verbrennungskammer 46 erzeugt wird. Dieser Unterdruck zieht Luft herab in die Verbrennungskammer 46. Wenn der Kolben 40 sich abwärts in die allgemeine Richtung des Pfeils 44 bewegt (zu der Position, die in Fig. 1 gezeigt ist) veranlasst ein Verbindungspleuel 43 eine Kurbelwelle 50 dazu, in der allgemeinen Richtung des Pfeils 51 zu rotieren. Folglich drückt, wenn die Kurbelwelle 50 die Rotation in der allgemeinen Richtung des Pfeils 51 fortsetzt, die Kurbelwelle 50 das Verbindungspleuel 43 und den Kolben 40 in der allgemeinen Richtung des Pfeils 42, um den Kolben 40 zu einer obersten Position zurückzubringen (nicht gezeigt).
Beim Fortschreiten zu einem Verdichtungshub sind das Einlassventil 48 und das Auslassventil 56 beide in ihrer entsprechenden geschlossenen Position angeordnet. Wenn der Kolben 40 sich in der allgemeinen Richtung des Pfeils 42 aufwärts bewegt, verdichtet er die Luft in der Verbrennungskammer 46. Der Druck in der Verbrennungskammer 46 steigt an, wenn die Luft durch den Kolben 40 verdichtet wird, der von dem Beginn des Verdichtungshubes (oder 180° vor dem oberen Totpunkt (TDC) in Richtung des Endes des Verdichtungshubes (oder 0° vor TDC) fortschreitet.
Der Kolben 40, der Kolbenzylinder 30 und der Zylinderkopf 32 wirken zusammen, um die Verbrennungskammer 46 zu definieren. Insbesondere wird, wenn der Kolben 40 in Richtung des Pfeils 42 (in Richtung TDC) fortschreitet, das Volumen der Verbrennungskammer 46 verringert. Andererseits wird, wenn der Kolben 40 in der allgemeinen Richtung des Pfeils 44 (in Richtung des unteren Totpunktes (BDC)) fortschreitet, das Volumen der Verbrennungskammer 46 vergrößert, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die Motoranordnung 10 beinhaltet weiterhin eine Treibstoffquelle 18 in Fluidverbindung mit dem Einlasskanal 38. Ein Treibstoffversorgungsventil 41 regelt die Menge des Treibstoffs (gasförmig oder flüssig), welcher in den Einlasskanal 38 fortschreitet. Insbesondere bewegt sich das Treibstoffversorgungsventil 41 zwischen einer offenen Position, in der Treibstoff in den Einlasskanal 38 fortschreitet, und einer geschlossenen Position, welche das Fortschreiten von Treibstoff zu dem Einlasskanal 38 verhindert. Es sollte erkannt werden, dass die Menge des durch das Treibstoffventil 41 fortschreitenden Treibstoffs das Verhältnis von Luft zu Treibstoff, oder das Treibstoff-Luftverhältnis regelt, welches in die Verbrennungskammer 46 fortschreitet. Insbesondere wird, wenn es gewünscht ist, ein magereres Gemisch zu der Verbrennungskammer 46 zu leiten, das Treibstoffventil 41 betrieben, um weniger Treibstoff in den Einlasskanal 38 abzugeben. Auf der anderen Seite wird, wenn es gewünscht ist, eine fettere Mischung von Luft und Treibstoff zu der Verbrennungskammer 46 zu leiten, das Treibstoffventil 41 betrieben, um mehr Treibstoff in den Einlasskanal 38 zu leiten.
Das Einlassventil 48 setzt die Verteilerkammer oder Verteilerbauteil 24 wahlweise in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 46. Das Einlassventil 48 wird in bekannter Weise durch eine Nockenwelle (nicht gezeigt), eine Druckstange (nicht gezeigt) und einen Kipphebel (nicht gezeigt) betätigt, angetrieben durch die Rotation der Kurbelwelle 50. Wenn das Einlassventil 48 in der offenen Position (gezeigt in Fig. 1) angeordnet ist, wird Luft aus dem Einlasskanal 38 zu der Verbrennungskammer 46 durch die Einlassöffnung 34 geleitet. Wenn das Einlassventil 48 in der geschlossenen Position angeordnet ist (nicht gezeigt) wird verhindert, das Luft von dem Einlasskanal 38 zu der Verbrennungskammer 46 fortschreitet, da das Einlassventil 48 den Fluidfluß durch die Einlassöffnung 34 blockiert.
Das Auslassventil 56 setzt den Auslasssammler 54 wahlweise in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 46. Das Auslassventil 46 wird auch allgemein betätigt in einer bekannten Weise durch eine Nockenwelle (nicht gezeigt), auch eine Druckstange (nicht gezeigt) und einen Kipphebel (nicht gezeigt), von denen jedes durch die Rotation der Kurbelwelle 50 angetrieben wird. Wenn das Auslassventil 56 in der offenen Position (nicht gezeigt) angeordnet ist, werden Auspuffgase von der Verbrennungskammer 46 zu dem Auslasssammler 54 über den Fluidpfad, der die Auslassöffnung 36 und den Auslasskanal 52 beinhaltet, geführt. Wenn das Auslassventil 56 in der geschlossenen Position angeordnet ist (gezeigt in Fig. 1) werden die Auspuffgase daran gehindert, von der Verbrennungskammer 46 zu dem Auslasssammler 54 fortzuschreiten, da das Auslassventil 56 den Fluidfluß durch die Auslassöffnung 36 blockiert.
Die Motoranordnung 10 beinhaltet einen Treibstoffvorrat 70. Eine Treibstoffpumpe 72 zieht Treibstoff mit Unterdruck aus dem Treibstoffvorrat 70 und führt über die Treibstoffleitung 74 Treibstoff mit Hochdruck zu einem Treibstoffeinspritzer 62. Der Treibstoffeinspritzer 62 ist in der Einspritzöffnung 60 angeordnet und ist betreibbar, um eine Treibstoffmenge in die Verbrennungskammer 46 durch die Einspritzöffnung 60 einzuspritzen. Insbesondere spritzt der Treibstoffeinspritzer 62 Treibstoff in die Verbrennungskammer 46 bei Erhalt eines Einspritzsteuerungssignals auf der Signalleitung 100 durch eine Motorsteuerungseinheit 90.
Die Motoranordnung 10 beinhaltet einen Kurbelwinkelsensor 86 und einen Drucksensor 88. Der Kurbelwinkelsensor 86 misst die momentane Position der Kurbelwelle 50 und erzeugt ein dementsprechendes Kurbelwinkelsignal. Der Drucksensor 88 ist auf dem Zylinderkopf 32 befestigt und ist in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 46. Der Drucksensor 88 misst den momentanen Druck in der Verbrennungskammer 46 und erzeugt ein dementsprechendes Drucksignal.
Die Motorsteuerungseinheit 90 wird betrieben, um Kurbelwinkelsignale von dem Kurbelwinkelsensor 86 über die Signalleitung 92 und Drucksignale von dem Drucksensor 88 über die Signalleitung 94 zu empfangen. Die Motorsteuerungseinheit 90 erzeugt dann das Einspritzsteuerungssignal, welches zu dem Treibstoffeinspritzer 62 über die Signalleitung 100 gesendet wird und die Menge und den Zeitpunkt des Treibstoffs, der durch den Treibstoffeinspritzer 62 eingespritzt wird, steuert. Die Motorsteuerungseinheit 90 wird weiterhin betrieben, um das Treibstoffversorgungsventil 41 zu steuern. Treibstoffsteuerungssignale werden zu dem Treibstoffversorgungsventil 41 über die Signalleitung 96 gesendet, was bewirkt, dass das Treibstoffversorgungsventil 41 das Treibstoff-Luft-Verhältnis von dem Treibstoff-Luft-Gemisch steuert, welches zu der Verbrennungskammer 46 geleitet wird.
Im Betrieb arbeitet die Zylinderanordnung 26 in einem Viertaktzyklus. Der erste Takt ist ein Einlasstakt, während dem das Auslassventil 56 in der geschlossenen Position und das Einlassventil 48 in der offenen Position angeordnet ist.
Verschiedene Arten von Treibstoff können in dem Verbrennungsvorgang verwendet werden und können irgendeines der folgenden Gruppe von Treibstoffen beinhalten: Sauerstoffangereichertes (oxygenated), Benzin, Dieseltreibstoff, Rohöle, Schmieröl, eine Emulsion von Wasser und Dieseltreibstoff, jegliche wasserstoffbasierte oder kohlenwasserstoffbasierte Treibstoffe. Für weitere Details über Verbrennungsmotoren kann, zum Beispiel, das US-Patent 6,032,617 von Willi et al., dessen vollständige Offenbarung hierin durch Bezugnahme einbezogen wird, eingesehen werden.
Die vorliegende Erfindung strebt an, einen verbesserten Verbrennungsmotor mit einer Mehrfachzonen-Kammer bereitzustellen, d. h. mit wenigstens zwei Kammern wie gezeigt in Fig. 11, welche eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Verbrennungskammer 146 eines reziprokierenden Motors 110 definiert eine Mehrfachzonenkammer (d. h. die Kammer 146 hat zwei Unterkammern (eine Primärkammer und eine Sekundärkammer)) wenn ein Kolben 140 zu einer vorbestimmten Position nahe dem oberen Totpunkt (TDC) des Kolbenhubes bewegt wird. Zum Zwecke der klareren Darstellung sind die Einlass- und Auslassventile nicht gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile.
Fig. 2 und 11 stellen eine vereinfachte, beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dar. Der Kolben 140, der Kolbenzylinder 130 und der Zylinderkopf 132 definieren eine Mehrfachzonenverbrennungskammer 146.
Insbesondere hat der Kolben 140 eine Muldenform mit einer zentralen Vertiefung 141, welche von einer umlaufenden, hervorstehenden Wand 142 umgeben wird, die Teil des Kolbens 140 ist. Der Zylinderkopf 132 ist ausgebildet, um passend die Muldenform des Kolbens 140 aufzunehmen. Der Zylinderkopf 132 hat einen zentralen Vorsprung 133, welcher von einer umlaufenden Vertiefung 134 umgeben ist. Die zentrale Vertiefung 141 ist ausgebildet, um den zentralen Vorsprung 133 gleitend aufzunehmen und die umlaufende, hervorstehende Wand 142 ist ausgebildet, um zwischen dem Kolbenzylinder 130 und dem zentralen Vorsprung 133 und der Vertiefung 134 gleitend aufgenommen zu werden.
Bezugnehmend zu Fig. 2 können innere Kolbenringe 148 und äußere Kolbenringe 147 an dem Kolben angeordnet sein, um abzudichten und um die Reibungskräfte, welche zwischen den Kontaktflächen des Kolbens 140, des Zylinderkopfs 132 und des Kolbenzylinders 130 wirken, zu steuern. Alternativ können äußere Kolbenringe 149 (dargestellt in unterbrochenen Linien in Fig. 2) auch auf dem zentralen Vorsprung 133 des Zylinderkopfs 132 angeordnet sein, anstelle der Bereitstellung der inneren Kolbenringe 148. Die Einbeziehung (d. h. die Notwendigkeit) der Kolbenringe 147, 148, 149 kann von verschiedenen Faktoren abhängen, beinhaltend, jedoch nicht beschränkt auf, die Art des Motors, die Kosteneffektivität und den Betrag der zulässigen Leckage. Entsprechend sind die Kolbenringe nicht wesentlich für alle Ausführungsformen.
Bezugnehmend zu Fig. 3, werden, wenn der Kolben 140 sich in die Richtung des Pfeils 42 bewegt, eine Primärkammer 143 und eine Sekundärkammer 144 ausgebildet und voneinander abgedichtet, um eine Fluidverbindung zwischen ihnen zu verhindern. Die Primärkammer 143 wird durch die zentrale Vertiefung 141, den zentralen Vorsprung 133 und die Wand 142 definiert. Die Sekundärkammer 144 wird durch die Wand 142, den zentralen Vorsprung 133 und die Vertiefung 134 des Zylinderkopfs 132 definiert. Obwohl nur eine Primärkammer 143 und eine Sekundärkammer 144 gezeigt und beschrieben sind, kann die Verbrennungskammer 146 ausgebildet sein, um mehr als zwei Unterkammern zu definieren.
Die Primärkammer 143 schließt einen vorbestimmten Anteil einer Treibstoff/Luftmasse 150 (oder eines verbrennbaren Gases) der gesamten Treibstoff/Luftmasse (oder Mischung) in der Verbrennungskammer 146 ein und die Sekundärkammer 144 schließt einen verbleibenden Anteil der Treibstoff/Luftmasse 151 (oder des verbleibenden, verbrennbaren Gases) der gesamten Treibstoff/Luftmasse ein. Die Zündung kann in irgendeiner der unterteilten Kammern durch Verdichtungszündung ausgelöst werden. Jedoch ist zum Zwecke der Darstellung in dieser Ausführungsform die Primärkammer 143 die initiale Verbrennungskammer.
Die Konstruktion der Bauteile, welche die Primärkammer 143 und die Sekundärkammer 144 unterteilen, bestimmt eine vorbestimmte Zeit, bei der die Treibstoff-/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144 verbrannt wird. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform, ragt der zentrale Vorsprung 133 (über die Grundoberfläche der Vertiefung 134) um einen Betrag vor, welcher größer ist als ein Betrag, um den der vorspringende, umlaufende Abschnitt 142 hervorsteht (über die Grundoberfläche der Vertiefung 141). Entsprechend ist das Verdichtungsverhältnis der Primärkammer 143 größer als das Verdichtungsverhältnis der Sekundärkammer.
Fig. 2-8 stellen eine bevorzugte Mehrfachphasen-Sequenz des Verbrennungsvorgangs dar. Einen Aspekt dieser Ausführungsform ist, die Verbrennung in der Primärkammer 143 zu initiieren, während die Verbrennung in der Sekundärkammer 144 verzögert wird.
Insbesondere illustriert Fig. 2 eine erste Phase, welche nach einem normalen Einlasshub beginnt und in der Luft in die Verbrennungskammer 146 eingeführt wird. Die erste Phase stellt eine frühen Verdichtungsvorgang dar. Treibstoff kann in das Verbrennungssystem während jeder Phase geliefert und gemischt werden, d. h. vor und während der ersten Phase, durch das Ventil 41 und/oder dem Treibstoffeinspritzer 62. Der gelieferte Treibstoff kann auch eine vorgemischte Treibstoff-Sauerstoffladung oder eine nicht vorgemischte Treibstoff-Sauerstoffladung sein. Wenn Treibstoff direkt in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, ist es ein Aspekt der Erfindung, den Treibstoff und die Luft in die Verbrennungskammer 146 mit ausreichender Zeit einzuspritzen, so dass die Treibstoff-Luftmischung im Wesentlichen homogen ist, bevor sie verdichtungsgezündet wird.
Fig. 3 stellt eine spätere, zweite Phase in den Verdichtungshub der Verbrennungskammer 146 dar. Diese Phase stellt den Beginn der chemischen Reaktionen innerhalb der nicht verbrannten Treibstoff/Luftmassen 150, 151 in der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144 während der Verdichtungserwärmung dar. In dieser Phase ist die Verdichtungskammer 146 in zwei (es können auch mehr sein) individuelle Verbrennungskammern (d. h. die Primärkammer 143 und die Sekundärkammer 144) unterteilt. Die Unterteilung der Verbrennungskammer 146 wird erreicht als ein Ergebnis der kombinierten Wirkung der Kolbenbewegung und der Konstruktion der Verbrennungskammer. Der vorbestimmte Anteil der Treibstoff/Luftmasse 150, welche in der Primärkammer 143 eingeschlossen wird und der verbleibende Anteil der Treibstoff/Luftmasse 151, welche in der Sekundärkammer 144 eingeschlossen wird, kann gleich sein oder verschieden. Die Menge der vorbestimmten Anteile der Treibstoff/Luftmasse 150, welche in der Primärkammer 143 eingeschlossen wird, und des verbleibenden Anteils der Treibstoff/Luftmasse 151, welche in der Sekundärkammer 144 eingeschlossen wird, wird durch das Volumen der Treibstoff/Luftmassen in der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144, genau bevor die Kammern voneinander abgetrennt werden, bestimmt. Die Menge der Treibstoff/Luftmasse 150 in der Primärkammer 143 ist ausreichend zur Verdichtungszündung. Der Anteil der gesamten potenziellen Verbrennungsenergie, welche innerhalb der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144 eingeschlossen ist, wird durch die Motorkonstruktion bestimmt.
Eine Zündschwelle und ein Verdichtungsverhältnis der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144 hängt von zahlreichen Faktoren ab, beinhaltend, zum Beispiel: Die Abmessungen der Primärkammer 143; die Abmessungen der Sekundärkammer 144; die Art des verwendeten Treibstoffs; die Treibstoff/Luftmischung (Schichtung) in jeder der Kammern 143, 144; der vorbestimmte Anteil der Treibstoff/Luftmasse 150 in der Primärkammer 143; der verbleibende Anteil der Treibstoff-/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144; ob die Motorsteuerungseinheit 190 eine geschlossene Regelkreisregelung ausführt unter Verwendung des Druckes, welcher durch den Drucksensor 88 gemessen wird und der Temperatur, welche durch einen Temperatursensor 89 gemessen wird; ein Volumen der Primärkammer 143; ein Volumen der Sekundärkammer 144; eine Motorlast und eine Motorgeschwindigkeit; etc.
Die Zündschwelle der Primärkammer 143 kann verringert werden (eine höhere Bereitschaft zur Zündung verursachend) indem das Verdichtungsverhältnis der Primärkammer 143 erhöht wird. Dies kann erreicht werden, zum Beispiel, indem das obere Totpunktvolumen der Primärkammer 143 verringert wird. Ein Weg, um dies zu erreichen, ist, die Vorsprungstiefe des Vorsprungs 133 zu vergrößern oder die Tiefe der zentralen Vertiefung 141 zu verringern. Die Zündschwelle der Sekundärkammer 144 kann auch erhöht oder verringert werden in einer gleichen Weise, wie diejenige, welche zuvor mit Bezug zu der Primärkammer 143 beschrieben wurde. Insbesondere kann durch Reduzieren des oberen Totpunktvolumens der Sekundärkammer 144 die Zündschwelle der Sekundärkammer 144 verringert werden (eine höhere Zündwilligkeit verursachend). Dies kann erreicht werden durch Erhöhen des Hervorstehens des vorstehenden, umlaufenden Abschnitts 142, oder durch Verringern der Tiefe der Verbrennungskammer 146.
Fig. 4 stellt eine dritte Phase dar, in der der vorbestimmte Anteil der Treibstoff/Luftmasse 150, welche innerhalb der Primärkammer 143 eingeschlossen ist, einen Verdichtungszündungsvorgang durchläuft. Wenn die Verdichtungszündung aufgenommen wird, tritt eine schnelle Verbrennung des vorbestimmten Anteils der Treibstoff/Luftmasse 150 in der Primärkammer 143 ein. Die Größe der Primärkammer 143 beeinflusst die Menge der in der Primärkammer 143 eingeschlossenen Energie, so dass, wenn der vorbestimmte Anteil der Treibstoff/Luftmasse 150 zündet, der Druck und die Temperatur, welche(r) erreicht werden, durch die Konstruktion gesteuert werden kann. Der zur Zündung des vorbestimmten Anteils der Treibstoff/Luftmasse 150 erforderliche Druck ist eine Funktion der thermodynamischen Interaktion.
Die Primärzündung wird in der Primärkammer 143 durch Verdichtungszündung initiiert. Durch die Konstruktion können die Primärkammer 143 und die Sekundärkammer 144 gleiche oder verschiedene Verdichtungsverhältniswerte aufweisen. In gleicher Weise sind der Spitzenverbrennungsdruck und die Temperatur auch durch die Abmessungsparameter und das Verdichtungsverhältnis der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144 begrenzt.
Fig. 5 stellt eine vierte Phase dar, in der der Verdichtungszündungsvorgang zu einem schnellen Verbrennungsvorgang innerhalb der Primärkammer 143 fortschreitet. Da die Primärkammer 143 als eine Zündungssteuerung für die Sekundärkammer 144 verwendet wird, ist die Zeitsteuerung nach TDC nicht erforderlich.
Fig. 6 stellt eine fünfte Phase dar, in der der vorbestimmte Anteil der Treibstoff/Luftmasse 150 in ein Hochdruck-, Hochtemperaturverbrennungsgas 150A innerhalb der Primärkammer 143 gewandelt wurde. Die fünfte Phase tritt nach TDC auf, wenn der Kolben 140 in die Richtung des Abwärtshubes 44 sich bewegt. In dieser fünften Phase schreitet das Verbrennungsgas 150A fort, zu expandieren und verbleibt abgetrennt von der verbleibenden Treibstoff/Luftmasse 151 (oder dem verbleibenden verbrennbaren Gas) in der Sekundärkammer 144.
Fig. 7 zeigt eine sechste Phase, in der der Kolben 140 in eine vorbestimmte Position fortgeschritten ist, in der die Unterteilung der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144 aufgehoben wird. Die sechste Phase tritt nach TDC auf, wenn der Kolben fortschreitet, sich in die Richtung des Abwärtshubes 44 zu bewegen. In dieser Phase wird die Verbrennung des verbleibenden Anteils der Treibstoff/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144 initiiert. Fig. 7 zeigt, wie das Verbrennungsgas 150A von der Primärkammer 143 sich thermodynamisch mit der verbleibenden Treibstoff/Luftmasse 151 der Sekundärkammer 144 verbindet und diese veranlasst, in ein verbleibendes Verbrennungsgas 151a konvertiert zu werden. Thermodynamische Verbindung kann direkten Flammenkontakt des Verbrennungsgases 150A beinhalten, welches von der Primärkammer 143 zu der Sekundärkammer 144 fließt.
Insbesondere wird, nachdem die Unterteilung zwischen der Primärkammer 143 und der Sekundärkammer 144 aufgehoben wurde und dem Verbrennungsgas 150A der Primärkammer 143 erlaubt wird, mit der Sekundärkammer 144 in Verbindung zu treten, das Verbrennungsgas 150A in der Primärkammer 143 und der thermodynamische Zustand der Primärkammer 143 verwendet als Zündungsquelle für die verbleibende Treibstoff/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144. Eine vorbestimmte Zeit, in der der Anteil der verbleibenden Treibstoff/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144 verbrannt wird, ist eine Funktion der Abmessungsparameter und der Konstruktion der Bauteile, welche die Primärkammer 143 von der Sekundärkammer 144 abtrennen.
Fig. 8 illustriert eine siebte Phase, in der die gesamte verbleibende Treibstoff/Luftmasse 151 der Sekundärkammer 144 entzündet wurde und in ein Verbrennungsgas 151A umgewandelt wurde. Die Zündung der Sekundärkammer kann durch Verdichtungszündung, direkten Flammenkontakt oder einer Kombination davon stattfinden.
Die Verbrennung der verbleibenden Treibstoff/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144 tritt in der folgenden Weise auf. Zuerst wirkt das Verbrennungsgas 150A in der Primärkammer 143 als eine direkte Zündungsquelle auf die verbleibende Treibstoff/Luftmasse 151 in der Sekundärkammer 144. Eine turbulente Flammenfront wird innerhalb der Sekundärkammer 144 an einer Position erzeugt, wo die Kammern anfänglich miteinander in Verbindung treten, wie in der sechsten Phase der Fig. 7 gezeigt. Als zweites verursacht die plötzliche Expansion des Verbrennungsgases 150A von der Primärkammer 143 in die Sekundärkammer 144 einen plötzlichen Anstieg der Temperatur und des Druckes in der Sekundärkammer 144. Dieser Vorgang kann zu einer Selbstentzündung und einer schnellen Verbrennung der unverbrannten, verbleibenden Treibstoff/Luftmasse 151 der Sekundärkammer 144 führen. Fig. 7-8 bebildern die Selbstentzündung und schnelle Verbrennung der Treibstoff/Luftmasse 151 entlang des Umfangs der Sekundärkammer 144 und über die gesamte Mehrfachzonen Verbrennungskammer 146.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Treibstoff an jeder Stelle in die Mehrfachzonenverbrennungskammer 146 eingespritzt werden.
Fig. 9 und 11 stellen einen Treibstoffeinspritzer 62 dar, der in dem Zylinderkopf 132 angeordnet ist zum anfänglichen Bereitstellen von Treibstoff zu der Primärkammer 143.
Fig. 10 stellt eine alternative Treibstoffeinspritzeranordnung 62 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Treibstoffeinspritzer 62 ist in der Vertiefung 134 des Zylinderkopfs 132 angeordnet zum initialen Bereitstellen von Treibstoff zu der Sekundärkammer 144. Wie zuvor beschrieben, kann die Mehrfachzonenverbrennungskammer 146 mehr als zwei Verbrennungskammern beinhalten. Entsprechend ist es auch möglich, den Treibstoff in irgendeine der zahlreichen Unterkammern einzuspritzen. Obwohl der Treibstoff initial in einen Abschnitt der Kammer 146, welcher einer der Unterkammern zugeordnet ist, eingespritzt werden kann, wird ein Treibstoff-Luftgemisch in der Primärkammer und allen, oder wenigstens einer, anderen Sekundärkammer vor der Unterteilung der Kammern erzeugt.
Wie zuvor beschrieben, ist es ein Aspekt der Erfindung, eine homogene Treibstoff-Luftmischung von Treibstoff und Luft vor der Verdichtungsentzündung bereitzustellen. Der Treibstoff und die Luft kann auf beliebige Weise gemischt werden. Ein Weg besteht darin, den Treibstoff und die Luft außerhalb der Verbrennungskammer 146 zu einem im wesentlichen homogenen Treibstoff-Luftgemisch zu mischen und dann in die Verbrennungskammer 146 zu ziehen. Bezugnehmend zu Fig. 9 besteht ein anderer Weg darin, den Treibstoff direkt in die Mitte der Verbrennungskammer 146 einzuspritzen, während der Kolben 140 zu einer Position nahe des unteren Totpunkts gezogen wird, so dass dem gesamten Treibstoff ermöglicht wird, sich homogen mit der gesamten Luft in der Verbrennungskammer 146 zu mischen. Hiernach wird die Primärkammer 143 von der Sekundärkammer 144 abgetrennt, wobei ein homogenes Treibstoff-Luftgemisch sowohl in der Primärkammer 143 als auch der Sekundärkammer 144 bereitgestellt wird. Alternativ kann, wenn es gewünscht ist, den Treibstoff zu schichten, d. h. mehr Treibstoff in der Primärkammer 143 zu haben als in der Sekundärkammer 144 (nach Unterteilung), zusätzlicher Treibstoff in die Primärkammer zu einer vorbestimmten Zeit später (z. B. nach der Unterteilung oder wenn der Kolben sich dem in Fig. 3 in gezeigten Unterteilungsstadium nähert) eingespritzt werden, so dass nicht dem gesamten Treibstoff ermöglicht wird sich mit der gesamten Luft über die ganze Verbrennungskammer 146 vor der Unterteilung zu vermischen. Auf diese Weise würde die Primärkammer 143 mehr Treibstoff enthalten und die Sekundärkammer 144 würde weniger Treibstoff enthalten. Zum Zeitpunkt der Verdichtungsentzündung würde das homogene Treibstoff-Gemisch in der Primärkammer 143 ein Treibstoff/Luftverhältnis aufweisen, welches sich von dem Treibstoff/Luftverhältnis der homogenen Treibstoff-Luftmischung in der Sekundärkammer 144 unterscheidet. Entsprechend einem anderen Mischungsweg könnte, wenn der Einspritzer 62 so angeordnet ist, dass er direkt in die Sekundärkammer 144 (wie gezeigt in Fig. 10) einspritzt, der Betrag des in der Sekundärkammer 144 enthaltenen Treibstoffs so eingestellt werden, dass er größer ist als der Betrag von Treibstoff in der Primärkammer 143. Dies kann erreicht werden, indem Treibstoff eingespritzt wird kurz bevor die Primärkammer 143 von der Sekundärkammer 144 abgetrennt wird. In jeder dieser Mischungstechniken und gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Einspritzung von Treibstoff in die Verbrennungskammer 146 früh genug, so dass der gesamte Treibstoff sich homogen mit der Luft mischen kann. Die Art des verwendeten Treibstoffs wird auch die Zeit, bei der dieser Treibstoff eingespritzt wird, beeinflussen. Zum Beispiel können, bei einem Treibstoff wie Benzin da die Vergasungsrate von Benzin höher ist als bei anderen Treibstoffen, das Benzin zeitlich später eingespritzt werden, so wenn der Kolben 140 nahe einer Position ist, an der die Verdichtungsentzündung des Benzins auftritt.
Die Motorsteuerungseinheit 190 ist betreibbar, um verschiedene Parameter in der Mehrfachzonenverbrennungskammer zu beobachten, um den Vorgang des internen Verbrennungsprozesses effizient zu steuern. Fig. 11 zeigt, zum Beispiel, dass zusätzlich zu dem Kurbelwinkelsensor 86 und dem Drucksensor 88, welche in der Motoranordnung 10 der Fig. 1 beschrieben wurden, die Motorsteuerungseinheit 190 in dieser bevorzugten Ausführungsform auch betreibbar ist, um eine Temperatur in der Verbrennungskammer 146 mit einem Temperatursensor 89 zu beobachten.
Der Temperatursensor 89 ist an dem Zylinderkopf 32 befestigt und ist in Verbindung mit der Verbrennungskammer 146. Der Temperatursensor 89 misst die aktuelle Temperatur in der Verbrennungskammer 146 und erzeugt ein Temperatursignal, das in der Motorsteuerungseinheit 190 verarbeitet wird, um den Motorbetrieb der Mehrfachzonenverbrennungskammer zu optimieren. Die Motorsteuerungseinheit 190 ist eingerichtet, um Temperatursignale von dem Temperatursensor 89 über die Signalleitung 95 und/oder Drucksignale von dem Drucksensor 88 über die Signalleitung 94 zu erhalten. Die Motorsteuerungseinheit 190 erzeugt dann das Einspritzsteuerungssignal, welches zu dem Treibstoffeinspritzer 62 über die Signalleitung 100 gesendet wird und die Menge und den Zeitverlauf des durch den Treibstoffeinspritzer 62 eingespritzten Treibstoffs steuert.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Motorsteuerungseinheit 190 als ein programmierter Mehrzweckcomputer implementiert. Dem Fachmann wird klar werden, dass die Steuerung implementiert werden kann, indem ein einzelner integrierter Schaltkreis eines Sonderzweckes (zum Beispiel, ASIC) verwendet wird, der einen Haupt- oder Zentralprozessorabschnitt für eine Gesamtsystemzustandssteuerung aufweist, und separate Abschnitte, welche zugewiesen sind, um verschiedene unterschiedliche, spezifische Berechnungen, Funktionen und andere Prozesse unter der Steuerung des zentralen Prozessorabschnitts auszuführen. Die Steuerung kann eine Vielzahl von einzelner, zugewiesener, oder programmierbarer integrierter oder anderer elektronischer Schaltkreise oder -vorrichtungen sein (zum Beispiel festverdrahtete elektronische oder logische Schaltkreise, so wie diskrete Schaltungselemente oder programmierbare logische Vorrichtungen so wie PLDs, PLAs, PALs oder Ähnliches). Die Steuerung kann implementiert werden, indem ein geeignet programmierter Mehrzweckcomputer, zum Beispiel ein Mikroprozessor, Mikrocontroller oder eine andere Prozessorvorrichtung (CPU oder MPU) verwendet wird, entweder allein oder in Verbindung mit einer oder mehrerer peripherer (zum Beispiel integrierter Schaltungen) Daten- und Signalprozessvorrichtungen. Allgemein kann jede Vorrichtung oder Anordnung von Vorrichtungen als Steuerung verwendet werden, auf der eine Maschine mit definierten Zuständen in der Lage ist, die zuvor beschriebenen Prozeduren zu implementieren. Eine Verteilungsprozessorarchitektur kann verwendet werden für eine maximale Daten/Signalverarbeitungskapazität und -geschwindigkeit.
Weiterhin ist es ein anderer Aspekt der Erfindung, jeglichen Treibstoff zu beinhalten, der geeignet ist für den Verbrennungsvorgang, beinhaltend, jedoch nicht beschränkt auf, Oxigenate, Benzin, Diesel und Wasserstoff. Oxigenierte Treibstoffe können an jedem Zeitpunkt während des Verdichtungsvorgangs durch das Ventil 41 oder durch den Treibstoffeinspritzer 62 eingespritzt werden.
Vorzugsweise sind die Unterkammern (d. h., die Primärkammer, die Sekundärkammer, etc.) konzentrisch, wobei die Primärkammer zentral angeordnet ist, um eine ausgeglichene, effizienteste Verbrennung zu erreichen. Jedoch sind andere, nicht konzentrische Anordnungen möglich. Wenn mehr als zwei Unterkammern bereitgestellt werden, würde die Verbrennung von der Primärkammer zu den anderen Kammern nacheinander fortschreiten oder zwei oder mehr der Unterkammern könnten die Verbrennung gemeinsam ausführen. Jedoch sollte die Primärkammer oder -kammern immer zuerst zünden, so dass die Primärkammer 143 die Zündungsquelle für die nachfolgenden Sekundärkammern wird. Entsprechend der vorliegenden Erfindung können mehr als eine Primärkammer zu den folgenden Sekundärkammern angeschlossen werden, so dass alle Primärkammern zum gleichen Zeitpunkt verdichtungszünden und hiernach folgend ihre entsprechenden Sekundärkammern zünden. Dies würde einen Kaskadeneffekt zwischen der Verbrennung von wenigstens einer Primärkammer und wenigstens einer folgenden Sekundärkammer entsprechend erzeugen. Dieser Kaskadeneffekt wäre solcher Art, dass die Nettoverbrennungsenergiefreisetzungsrate wirksam gesteuert werden kann. Im Gegensatz zu konventionellen Verbrennungskammern, wo die Nettoverbrennungsenergiefreisetzungsrate ungesteuert ist, ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung, wo sequenzielle Verbrennung auftritt, möglich, die Nettoverbrennungsenergiefreisetzungsrate zu steuern, da die Verbrennung in diskrete, steuerbare Vorgänge aufgeteilt ist.
Die Abmessungen und relativen Volumina der Primärkammer(n) und der Sekundärkammer(n) ist eine Funktion des verwendeten Treibstoffs und der Treibstoff/Luft-Raten, welche in den Primärkammer(n) und den Sekundärkammer(n) eingeschlossen sind.
Während die Erfindung mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen derselben zuvor beschrieben wurde, ist es so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen oder Kontruktionensweisen beschränkt ist. Im Gegenteil, ist die Erfindung gedacht, um verschiedene Modifikationen und gleichartige Anordnungen abzudecken. Zusätzlich sind, während die verschiedenen Bauteile der bevorzugten Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen und Anordnungen gezeigt werden, welche beispielhaft sind, andere Kombinationen und Anordnungen möglich, beinhaltend mehr, weniger oder nur ein einzelnes Bauteil, welche auch innerhalb des Gedankens und des Bereichs der Erfindung sind.

Claims

1. Ein Verbrennungsmotor mit einer Mehrfachzonenverbrennungskammer mit einem Zylinder 130, einem Zylinderkopf (132), der an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, einem Kolben (140), der sich in dem Zylinder (130) hin- und herbewegt, einem Einlass (38), der ein Gas (14) in die Verbrennungskammer (146) während eines Ansaughubes des Kolben (140) einführt und einem Einspritzer (62), welcher einen Treibstoff (18) in die Verbrennungskammer einbringt, wobei die Verbrennungskammer (146) umfasst:
wenigstens zwei Verbrennungsunterkammern (143, 144), welche ausgebildet sind, wenn der Kolben (140) in eine vorbestimmte Position nahe des Zylinderkopfs (132) bewegt ist und die wenigstens zwei Verbrennungsunterkammern (143, 144) voneinander abgedichtet sind; und
worin die Verbrennung in einer ersten Verbrennungsunterkammer (143) gestartet wird, während ein Auftreten der Verbrennung in jeder der anderen Verbrennungsunterkammern (144) verzögert wird, bis der Kolben (140) und der Zylinderkopf (132) zu der vorbestimmten Position zurückkehren und folglich in Fluidverbindung zueinander angeordnet sind, sodass eine entzündete Gas/Treibstoffmischung thermodynamisch von der einen Verbrennungsunterkammer (143) mit einer benachbarten, anderen Verbrennungsunterkammer (144) in Verbindung treten kann.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die erste Verbrennungsunterkammer eine Primärkammer (143) ist und wenigstens eine der anderen Verbrennungsunterkammern, welche benachbart zu der Primärkammer (143) angeordnet sind, eine Sekundärkammer (144) ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, bei dem die Verbrennung in der Sekundärkammer (144) verzögert wird, bis der Kolben (140) und der Zylinderkopf (133) um einen Betrag beabstandet sind, der die Primärkammer (143) und die Sekundärkammer (144) in Fluidverbindung zueinander setzt, und
worin die Primärkammer (143) wahlweise abgedichtet und nicht abgedichtet wird von der Sekundärkammer (144) durch eine Bewegung des Kolbens (140).

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, worin:
der Kolben (140) eine zentrale Vertiefung (141) aufweist, die von einer vorstehenden, umlaufenden Wand (142) umgeben ist;
der Zylinderkopf (132) einen zentralen Vorsprung (133) aufweist, der von einer umlaufenden Vertiefung (134) umgeben ist, die übereinpassend die hervorstehende, umlaufende Wand (142) des Kolbens (140) aufnimmt;
die Primärkammer (142) zwischen der zentralen Vertiefung (141) und dem zentralen Vorsprung (133) ausgebildet ist;
die Sekundärkammer (144) zwischen der vorstehenden umlaufenden Wand (142) und der umlaufenden Vertiefung (134) ausgebildet ist; und
wenigstens einen Satz von Kolbenringen (147, 148, 149) zwischen dem Kolben (140) und dem Zylinder (130).

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2-4, worin:
eine verbleibende Treibstoff/Gasmasse (141) innerhalb der Sekundärkammer (144) durch eine kombinierte Druckentzündung und direkten Flammenkontakt von einem Verbrennungsgas gezündet wird, welches von der Primärkammer (143) nach Durchlauf des Verbrennungsgases zwischen der Primärkammer (143) und der Sekundärkammer übertritt; und
eine Zeit in Abhängigkeit einer Abmessung der Primärkammer (143), einer Abmessung der Sekundärkammer (144) und einer Bewegung des Kolbens (140) geregelt wird, bei der die Sekundärkammer (144) gezündet wird.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2-5, worin einem Verdichtungsverhältnis der Primärkammer (143) und einem Verdichtungsverhältnis der Sekundärkammer (144) die Dimension der Primärkammer (143) und der Sekundärkammer (144) zu Grunde gelegt ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem Ansprüche 1-6, worin:
ein Verdichtungsverhältnis der einen Verbrennungsunterkammer (143) eine Druckentzündung des darin befindlichen Gas/Treibstoffgemischs bereitstellt; und
ein Druck und eine Temperatur des verbrannten Gas- /Treibstoffgemischs (150) innerhalb der einen Verbrennungsunterkammer (143) in Abhängigkeit zu wenigstens einer Gestaltungsvariablen, beinhaltend ein Kammervolumen und das Verdichtungsverhältnis, geregelt sind.

8. Ein Verbrennungsverfahren in einem Verbrennungsmotor, verwendend die Mehrfachzonenverbrennungskammer von einem der Ansprüche 1-7, umfassend die Schritte:

- Unterteilen der Verbrennungskammer (146) in die wenigstens zwei Unterkammern (143, 144), wenn der Kolben (140) in eine vorbestimmte Position nahe des Zylinderkopfs (132) bewegt wird;

- Initiieren der Druckverbrennung in einer der Unterkammern (143), welche gegenüber einer benachbarten Unterkammer (144) abgedichtet wurde, während ein Auftreten der Verbrennung in der benachbarten Unterkammer (144) verhindert wird; und

- Initiieren der Verbrennung in der benachbarten Unterkammer (144) nachdem die Unterteilung der wenigstens zwei Unterkammern (143, 144) aufgehoben wurde.

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend:
Ausgestalten der Größen von den wenigstens zwei Unterkammern (143, 144) von solcher Art, dass eine vorbestimmte Fraktion der Treibstoff-/Gasmasse (150) in der einen Unterkammer (143) ausreichend ist zum Initiieren der Verbrennung.

10. Verfahren nach Anspruch 8, worin die Initiation der Verbrennung in der benachbarten Unterkammer (144) durch thermodynamische Verbindung zwischen der Treibstoff/Gasmasse (150), welche in der einen Unterkammer (143) entzündet wurde und der Treibstoff/Gasmasse (151) in der benachbarten Unterkammer (144) bewirkt wird.