DE10354839A1

DE10354839A1 - Kompressionsgezündete Motortechnologie mit niedrigen Emissionen

Info

Publication number: DE10354839A1
Application number: DE10354839A
Authority: DE
Inventors: Gerald N. Dunlap Coleman; Kevin P. East Peoria Duffy; Eric C. Dunlap Fluga; Jonathan P. Peoria Kilkenny
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2004-07-08
Also published as: JP2004197744A; US7198024B2; US20060112928A1; US20040112329A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgesehen zum Betrieb eines kompressionsgezündeten Motors mit einer Zylinderwand, einem Kolben und einem Kopf, die eine Verbrennungskammer definieren. Das Verfahren und die Vorrichtung weisen Folgendes auf: Lieferung von Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer, der Kraftstoff wird durch die Verbrennungskammer bzw. in der Verbrennungskammer verteilt, und zwar beabstandet von der Zylinderwand, Lieferung eines Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer ausreichend, um die Verbrennung mit einer ersten Verbrennungsdauer zu unterstützen und Lieferung eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer ausreichend, um die erste vorbestimmte Verbrennungsdauer auf eine zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer unterschiedlich von der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer zu ändern.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines kompressionsgezündeten Motors und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Motors in einer homogenen Ladungskompressionszündbetriebsart um während normaler Betriebslastbedingungen niedrige Emissionen zu erreichen.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren mit interner Verbrennung werden im großen Maße für unterschiedliche Zwecke verwendet. Die Transportinfrastruktur vertraut nahezu ausschließlich auf die Verwendung von Motoren, um die für Mobilität erforderliche Leistung zu liefern. Auch die elektrische Leistungserzeugung vertraut in starkem Maße auf Verbrennungsmotoren mit interner Verbrennung.
Die profilierte Verwendung von Motoren in unserer Gesellschaft hat eine Anzahl von Problemkreisen aufgeworfen, von denen einer sich auf die stets ansteigenden Mengen von emittierten Verbrennungsnebenprodukten bezieht. Obwohl heutige Motoren mit wesentlich niedrigeren Emissionspegeln arbeiten, als frühere Motorgenerationen, schafft die Schnelligkeit des Anstiegs der Motorzahlen die Notwendigkeit die Emissionsniveaus noch weiter zu reduzieren.
Regierungen der ganzen Welt haben dieses Problem erkannt und stellen sich auf die Emissionsniveaus der Motoren beziehende Richtlinien auf. Beispielsweise müssen die Niveaus von Stickoxiden (NOx), Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Rauch unter anderem drastisch reduziert werden, um die sich entwickelnden Regierungsstandards zu erfüllen.
Funkengezündete Motoren haben in Folge ihres Betriebs und der verwendeten Kraftstoffarten die Tendenz niedrige Niveaus an NO_x und Teilchenemissionen zu erzeugen. Kompressionsgezündete Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren erzeugen im Allgemeinen hohe Niveaus an NO_x und Teilchenemissionen. Dieselmotoren sind jedoch noch immer gefragt im Gebrauch, da sie eine höhere thermische Effizienz vorsehen, als die entsprechenden funkengezündeten Motoren und auf diese Weise eine höhere Leistungsausgangsgröße für Arbeitsanwendungen bieten.
Motoren, die in der homogenen Ladungskompressionszünd-(HCCI)-Betriebsart (Homogeneous Charge Compression Ignition = HCCI) arbeiten, haben großes Interesse erzeugt, und zwar wegen des Potentials mit hoher Kraftstoffeffizienz zu arbeiten, wobei niedrige Verbrennungsemissionen erzeugt werden. HCCI-Motoren unterscheiden sich von konventionellen Dieselkompressionszündmotoren insofern, als die Dieselmotoren fetten Kraftstoff, d.h. Kraftstoff, der in einem Gebiet einer Verbrennungskammer hochkonzentriert ist, zünden, während die HCCI-Techniken eine verteilte oder dispergierte (disperse) homogene Kraftstoff/Luftmischung zur Zeit der Verbrennung schaffen. Die Verbrennung einer homogenen Kraftstoff/Luftmischung gestattet den Betrieb eines Motors derart, dass die Emissionsnebenprodukte in signifikanter Weise reduziert werden.

Die Theorie der HCCI-Betriebsart (HCCI Mode Operation) wurde jedoch durch die Realität noch nicht erfüllt. Es hat sich als extrem schwierig herausgestellt eine gewünschte homogene Mischung aus Kraftstoff und Luft zu schaffen und noch immer den Betrieb des Motors zu steuern. Beispielsweise ist es sehr schwierig die Zeitsteuerung (Timing) der Verbrennung dann zu steuern, wenn eine homogene Mischung in eine Verbrennungskammer eingeführt wird. Erfolgte Versuche von anderen führten nur zu einem partiellen Erfolg bei geringerer Last beispielsweise bei Bedingungen oder Zuständen halber Last oder weniger. Im U.S. Patent Nr. 6,286,482 von Flynn et al. wird dieses Problem erkannt und es erfolgt nur der Betrieb eines Motors in der PCCI-Betriebsart (was äquivalent zu HCCI ist) bei niedrigen bis mittleren Lastbedingungen oder Lastzuständen. Der Betrieb schaltet bei hohen Lasten auf die Funkenzündbetriebsart um. Yanagihara begrenzt in einem Aufsatz mit dem Titel „Ignition Timing Control at Toyota 'UNIBUS' Combustion System" den Maschinen- oder Motorbetrieb auf eine Hälfte der Last um den Betrieb in der HCCI-Mode oder -Betriebsart zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Überwindung eines oder mehrerer der oben genannten Probleme.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressionszündmotors vorgeschlagen, der eine Zylinderwand, einen Kolben und einen Kopf besitzt, wobei eine Verbrennungskammer definiert wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Liefern von Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer, wobei der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer hindurch verteilt und von der Zylinderwand beabstandet ist, Liefern eines Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer hinreichend um eine Verbrennung mit einer ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer zu unterstützen oder zu erhalten, und Lieferung eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer ausreichend, um die erste vorbestimmte Verbrennungsdauer in eine zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer zu ändern, die unterschiedlich ist von der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressionszündmotors vorgesehen, der eine Zylinderwand aufweist, ferner eine Kolben und einen Kopf, wobei eine Verbrennungskammer definiert wird. Das Verfahren umfasst bzw. weist auf die folgenden Schritte: Liefern von Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer, wobei der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer verteilt und von der Zylinderwand beabstandet ist, Liefern eines Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer ausreichend um die Verbrennung mit einer ersten vorbestimmten Druckanstiegsrate zu unterstützen, und Liefern eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer ausreichend um die erste vorbestimmte Druckanstiegsrate in eine zweite vor bestimmte Druckanstiegsrate zu ändern, wobei letztere unterschiedlich ist von der ersten vorbestimmten Druckanstiegsrate.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Lieferung von Kraftstoffen in eine Verbrennungskammer eines Kompressionszündmotors vorgesehen, wobei die Verbrennungskammer durch eine Zylinderwand, einen Kolben und einen Kopf definiert wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Liefern des Kraftstoffs an eine Düse eines Injektors oder einer Einspritzvorrichtung, wobei die Düse eine Vielzahl von Löchern verteilt in einem gewünschten oder Soll-Muster aufweist, und ferner Einspritzen des Kraftstoffs durch die Düsenlöcher in die Verbrennungskammer in einem vorbestimmten Sprühmuster derart, dass der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer hindurch verteilt wird und von der Zylinderwand beabstandet ist.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kompressionszündmotors vorgeschlagen, der eine Zylinderwand, einen Kolben und einen Kopf aufweist, und zwar eine Verbrennungskammer definierend. Die Vorrichtung weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf, und zwar mit einer Düse, die derart positioniert ist, dass Kraftstoff in einem dispergierten oder verteilten Muster durch die Verbrennungskammer hindurch und beabstandet von der Zylinderwand eingespritzt wird und ferner mit einem, Luftversorgungs- oder -liefersystem zur Lieferung von mindestens einem Oxidationsmittel und/oder einem Verdünnungsmittel in die Verbrennungskammer.

1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Verbrennungsmotors mit interner Verbrennung geeignet zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm, welches einen Motor veranschaulicht, und zwar einschließlich eines Abgasrückführungssystems (EGR = Exhaust-Gas-Recirculation-System);
3 ist ein Blockdiagramm, welches eine Abwandlung des EGR-Systems der 2 darstellt;
4a ist eine schematische Veranschaulichung eines Kraftstoffeinspritzmusters; 4b ist eine weitere Ansicht des Kraftstoffeinspritzmusters der 4a;
5a ist eine Teilansicht einer beispielhaften Kraftstoffeinspritzspitze;
5b ist ein Diagramm, welches die Verwendung der Kraftstoffeinspritzspitze der 5A in einer ersten Betriebsart zeigt;
5c ist ein Diagramm, welches die Verwendung der Kraftstoffeinspritzspitze der 5a in einer zweiten Betriebsart zeigt;
6a ist eine graphische Darstellung, die die NOx und Rauchemissionen als eine Funktion der Einspritzzeitsteuerung (Einspritztiming) darstellt;
6b ist eine graphische Darstellung, welche die HC- und CO-Emissionen als eine Funktion der Einspritzzeitsteuerung bzw. Einspritzzeit darstellt;
7 ist eine graphische Darstellung, welche ein Verbrennungsereignis als eine Funktion von Druck und Zeit darstellt;
8 ist ein Blockdiagramm, welches die Abgase veranschaulicht, die vom Ausgang eines Motors zum Eingang des Motors geleitet werden;
9a ist eine graphische Darstellung, welche ein Verbrennungsereignis als eine Funktion des Zylinderdrucks und der Kurbelwinkelgerade darstellt;
9b ist eine graphische Darstellung, die ein Verbrennungsereignis als einen Funktion einer Wärmefreigaberate und der Kurbelwinkelgerade darstellt;
10 ist eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften variablen Kompressionsverhältniskonfiguration;
11 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Dreiwegekatalysators;
12 ist eine schematische Veranschaulichung eines ersten beispielhaften Luftunterstützungssystems für einen Motor;
13 ist eine schematische Darstellung eines zweiten beispielhaften Luftunterstützungssystems;
14 ist eine schematische Darstellung eines dritten Beispiels oder Ausführungsbeispiels eines Luftunterstützungssystems;
15 ist ein Blockdiagramm, welches ein beispielhaftes Steuer- oder Regelsystem für einen Motor darstellt;
16 ist ein Blockdiagramm der 2, welches weitere Merkmale aufweist;
17 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Membrantechnologiesystems geeignet zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
18 ist eine schematische Veranschaulichung eines Motors mit einem beispielhaften variablen Ventilbetätigungssystem;
19 ist eine graphische Darstellung, welche die Versetzung oder Verschiebung eines Einlassventils darstellt, und zwar als eine Funktion der Kurbelwinkelgerade; und
20 ist ein Flussdiagramm, welches ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung und die Beschreibung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung 100 zum Betrieb eines Kompressionszündungsmotors 102 offenbart.
1 zeigt eine Motoranordnung 104, die den grundlegenden Betrieb eines Kompressionszündungsmotors 102 zeigt. Zusätzliche Merkmale der Motoranordnung 104 der 1 beispielsweise eine Abgasrückführungsanordnung werden unten unter Bezugnahme auf die zusätzlichen Figuren beschrieben.
Die Motoranordnung 104 weist ein Raumglied 106 und eine Luftquelle 108 auf. Das Raumglied 106 besitzt eine Einlassöffnung 112 und eine ebenfalls darin definierte Auslassöffnung 110. Die Luftquelle 108 liefert Luft an die Einlassöffnung 112. Luft von der Luftquelle 108 schreitet in eine Hohlraumkammer 114 fort, die in dem Hohlraumglied 106 definiert ist und zwar über die Einlassöffnung 112. Es sei bemerkt, dass die sich auf die 1 beziehende Beschreibung auf Luft als das Medium Bezug nimmt, welches an die Motoranordnung 104 geliefert wird. Wie unten beschrieben kann jedoch irgendein geeignetes Strömungsmedium oder Flu idmedium verwendet werden, beispielsweise rezirkulierte Abgase kombiniert mit Luft und dergleichen.
Die Motoranordnung 104 weist eine Zylinderanordnung 116 auf. Die Zylinderanordnung 116 umfasst einen Block 118, der einen Zylinder 119 darinnen definiert. Der Zylinder 119 wird durch eine Zylinderwand 120 definiert. Ein Motorkopf 122 ist am Block 118 befestigt. Der Motorkopf 122 besitzt einen Einlassanschluss 124, einen Auslassanschluss 126 und darinnen ebenfalls definiert eine Kraftstoffeinspritzöffnung 154. Eine Einlassleitung 128 bringt den Einlassanschluss 124 in Strömungsmittelverbindung mit der Auslassöffnung 110 des Hohlraumgliedes 106. Ein Auslassdurchlass 146 bringt den Auslassanschluss 126 in Strömungsmittelverbindung mit einer Auslasssammelleitung 148.
Die Motoranordnung 104 weist ferner einen Kolben 130 auf, der den Zylinder 119 im Allgemeinen in Richtung der Pfeile 132, 136 in eine Translationsbewegung bringt. Wenn sich der Kolben 130 nach unten, im Allgemeinen in der Richtung des Pfeils 136, zu der in 1 gezeigten Position hin bewegt, so drückt eine Verbindungsstange 134 eine Kurbelwelle 142 zur Rotation in der allgemeinen Richtung des Pfeiles 144. Darauffolgend, wenn die Kurbelwelle 142 ihre Rotation der allgemeinen Richtung des Pfeiles 144 fortsetzt, drückt die Kurbelwelle 142 die Verbindungsstange 134 des Kolbens 130 in die allgemeine Richtung des Pfeils 132, um den Kolben 130 in seine (nicht gezeigt) oberste Position zurück zu bringen.
Der Kolben 130, die Zylinderwand 120 und der Motorkopf 122 arbeiten zur Definition einer Verbrennungskammer 138 zusammen. Insbesondere dann, wenn der Kolben 130 in der allgemeinen Richtung des Pfeils 132 voran bewegt wird, wird das Volumen der Verbrennungskammer 138 verringert. Wenn andererseits der Kolben 130 in der allgemeinen Richtung des Pfeils 136 voran bewegt wird, so wird das Volumen der Verbrennungskammer 138, wie in 1 gezeigt vergrößert.
Die Motoranordnung 104 weist ferner ein Kraftstoffreservoir, einen Kraftstoffbehälter 158 auf. Eine Kraftstoffpumpe 160 zieht Niederdruckkraftstoff von dem Kraftstoffreservoir 158 ab, und schickt Hochdruckkraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritz vorrichtung (Kraftstoffinjektor) 156 über eine Kraftstoffleitung 162. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 ist in der Injektor- oder Einspritzöffnung 154 positioniert und betreibbar, um eine Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer 138 durch die Einspritzöffnung 154 einzuspritzen. Insbesondere spritzt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 Kraftstoff in die Verbrennungskammer 138 ein, und zwar in Folge Empfangs eines Einspritzsteuer- oder -regelsignals auf einer Signalleitung 166. Fernerhin sei bemerkt, dass der Kraftstoff irgendeiner aus der folgenden Gruppe von Kraftstoffen sein kann: Dieselkraftstoff, Rohöl, Schmieröl, eine Emulsion aus Wasser- und Dieselkraftstoff. Insbesondere kann der Kraftstoff irgendeine Kraftstoffart sein, die eine hohe Cetanzahl besitzt, auf welche Weise die Eigenschaft der Verbrennungsbereitschaft vorhanden ist.
Es sei bemerkt, dass die durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 eingespritzte Kraftstoffmenge das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff oder das Luft/Kraftstoffverhältnis steuert bzw. regelt und zwar wie dies in die Verbrennungskammer 138 geliefert wird. Wenn es erwünscht ist eine magerere Mischung in die Verbrennungskammer 138 zu liefern, so gilt insbesondere, dass ein über die Signalleitung 166 empfangenes Kraftstoffsteuer- oder -regelsignal bewirkt, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 derart arbeitet, dass weniger Kraftstoff in die Verbrennungskammer 138 eingespritzt wird. Wenn es andererseits erwünscht ist, eine reichere oder fettere Mischung aus Luft und Kraftstoff in die Verbrennungskammer 138 zu liefern, so bewirkt ein über Signalleitung 166 empfangenes Kraftstoffsteuersignal, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 derart arbeite, dass mehr Kraftstoff in die Verbrennungskammer 138 geliefert wird.
Es sei bemerkt, dass andere Verfahren zur Einführung der Kraftstoff- und Luftmischung in die Verbrennungskammer 138 verwendet werden können, ohne den Sinn und den Rahmen der vorliegenden Erfindung den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der Kraftstoff mit Luft an irgendeinem Punkt gemischt werden und zwar von der Lichtquelle 108. Durch die Einlassleitung 128 einschließlich stromaufwärts gegenüber einem (nicht gezeigten) Turbolader.
Ein Einlassventil 170 bringt die Hohlraumkammer 114 selektiv in Strömungsmittelverbindung mit der Verbrennungskammer 138. Das Einlassventil 140 kann in einer bekannten Art und Weise durch eine (nicht gezeigte) Nockenwelle, eine (nicht gezeigt) Schubstange und einen (nicht gezeigten) Kipparm angetrieben durch Drehung der Kurbelwelle 142 betätigt werden. Alternativ kann das Einlassventil 140 durch andere Mittel betätigt werden, wie beispielsweise hydraulisch-elektronisch, durch eine elektro-hydraulische Kombination oder dergleichen. Wenn das Einlassventil 140 in der offenen Position (1 zeigt dies), so wird Luft von der Einlassleitung 128 zur Verbrennungskammer 138 über den Einlassanschluss 124 geleitet. In das Einlassventil 140 in der geschlossenen Position (nicht gezeigt) angeordnet ist, so wird Luft daran gehindert, von der Einlassleitung 128 zur Verbrennungskammer 138 zu fließen, da dass Einlassventil 140 den Strömungsmittelfluss durch den Einlassanschluss 124 blockiert.
Ein Äußeres Ventil 152 bringt die Auslasssammelleitung 148 selektiv in Strömungsmittelverbindung mit der Verbrennungskammer 138. Das Auslassventil 152 kann in bekannter Art und Weise durch eine Nockenwelle (nicht gezeigt), eine Schubstange (nicht gezeigt), einen Kipparm (nicht gezeigt) betätigt werden, wobei jedes dieser Elemente durch die Drehung der Kurbelwelle 142 angetrieben wird. Alternativ kann das Auslassventil 152 durch andere Mittel betätigt werden, wie beispielsweise durch hydraulische, elektronische oder eine Kombination elektrohydraulischer und dergleichen Mittel. Wenn das Auslassventil 152 in der offenen Position (nicht gezeigt) positioniert ist, so werden die Auslassgase oder Abgase von der Verbrennungskammer 138 zur Auslasssammelleitung 148 laufen, und zwar über einen Strömungsmittelpfad, der den Auslassanschluss 126 und den Auslassdurchlass 146 umfasst. Von der Auslasssammelleitung 148 werden die Auslassgase (Abgase) zu einer Auslassseite 150 fortschreiten. Wenn das Ausstoß – oder Auslassventil 152 in der geschlossenen Position (in 1 gezeigt) angeordnet ist, so werden die Auslass- oder Ausstoßgase daran gehindert von der Verbrennungskammer 138 zu der Auslasssammelleitung 148 fortzuschreiten, da das Auslassventil 142 den Strömungsmittelfluss durch den Auslassanschluss 126 blockiert.
Die Verbrennung der Kraftstoffluftmischung in der Verbrennungskammer 138 erzeugt eine Anzahl von Abgasen oder Ausstoßgasen. Nachdem die Mischung aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer 138 verbrannt ist, werden die Ausstoß- oder Abgase durch die Ausstoß- oder Ablassleitung (Abgasleitung) 150 weitergeleitet. Die Abgase umfassen Mengen an Stickstoffoxiden (NO_x), Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Rauch und dergleichen.
Die Motoranordnung 104 weist ferner eine Steuer- oder Regelvorrichtung 164 auf. Die Steuer- bzw. Regelvorrichtung 164 ist vorzugsweise eine auf einem Mikroprozessor basierende Motorsteuer- oder -regeleinheit (ECU). Die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 kann eine Verschiedenheit von Funktionen ausführen und zwar einschließlich der oben beschriebenen und zwar zur Steuerung der Betätigung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung oder des Kraftstoffinjektors 156.
Unter Bezugnahme auf 2 sei bemerkt, dass eine schematische Darstellung eines Motors 102 vorgesehen ist, und zwar mit einer Einlassleitung 128 und einem Auslassdurchlass 146. Ein Motorblock 230 sieht ein Gehäuse für mindestens einen Zylinder 119 vor. 2 zeigt sechs Zylinder 119. Es kann jedoch irgendeine Anzahl von Zylindern 119 verwendet werden, und zwar beispielsweise einen, drei, sechs, acht, zehn, zwölf oder irgendeine andere Anzahl von Zylindern. Die Einlassleitung 128 sieht einen Einlasspfad für jeden Zylinder 119 vor und zwar für Luft, rezirkulierte Abgase und eine Kombination davon. Der Auslassdurchlass 146 sieht einen Abgas- oder Ausstoßpfad für jeden Zylinder 119 für die Abgase oder Ausstoßgase vor.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein zweistufiges Turboladersystem 208 dargestellt. Das Turboladersystem 208 weist eine erste Turboladerstufe 210 auf mit einer Niederdruckturbine 216 und einem einer ersten Stufe bildenden Kompressor 218. Das Turboladersystem 218 weist auch eine zweite Turboladerstufe 212 auf, mit einer Hochdruckturbine 214 und einem Kompressor 220 der zweiten Stufe. Das zweistufige Turboladersystem 208 arbeitet zur Erhöhung des Drucks der Luft und der Abgase, die an die Zylinder 119 geliefert werden und zwar über die Einlassleitung 128, um ein gewünschtes Luft-zu-Kraftstoffverhältnis (Soll- Luft/Kraftstoffverhältnis) während einer ausgedehnten offenen Dauer eines Einlassventils aufrecht zu erhalten, was im Einzelnen unten beschrieben wird. Es sei bemerkt, dass ein zweistufiges Turboladersystem 208 nicht für den Betrieb der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Andere Bauarten von Turboladersystemen, wie beispielsweise ein Hochdruckverhältniseinzelstufenturboladersystem, ein Turboladersystem mit variabler Geometrie und dergleichen können anstelle verwendet werden.
Die Motoranordnung weist ein Ausstoß- oder Abgassystem 202 auf, welches seinerseits ein Abgasrezirkulations-(EGR = Exhaust Gas Recirculation)-System 204 aufweist. Das in 2 gezeigte EGR-System 204 ist für ein Niederdruck-EGR-System in einem Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung typisch. Abwandlungen des gezeigten EGR-Systems 204 können auch mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ferner könnten andere Bauarten von EGR-Systemen, beispielsweise „By-Pass", Venturi, kolbengepumpte, spitzenabschneidende und Rückdrucksysteme ebenso verwendet werden.
Ein Oxidationskatalysator 222 nimmt Abgase von der Niederdruckturbine 216 auf. Der Oxidationskatalysator 222 kann auch mit einem De- oder Ent-No_x-Katalysator gekoppelt sein, um die NO_x-Emissionen weiter zu reduzieren. Ein Teilchen(Particulate Matter = PM oder Teilchenmaterial)-Filter 206 empfängt oder nimmt auf Abgase von dem Oxidationskatalysator 222. Obwohl der Oxidationskatalysator 222 und der PM-Filter 206 als gesonderte Gegenstände dargestellt sind, können sie alternativ in einer Packung kombiniert sein.
Einige der Abgase werden aus dem Abgas vom PM-Filter 206 geliefert. Ein Teil der Abgase wird jedoch zu der Einlassleitung 128 zurückgeführt, und zwar durch einen EGR-Kühler 224, durch ein EGR-Ventil 226 und durch das Turboladersystem 208.
3 zeigt eine Abwandlung des EGR-Systems 204 der 2. In 3 werden einige der Abgase von der Niederdruckturbine 216 durch den Oxidationskatalysator 222 und durch den PM-Filter 206 geleitet. Ein Teil der Abgase wird jedoch zu rückgeführt zu der Zylindereinlassleitung 128, und zwar von der Niederdruckturbine 216, d.h. vor dem Eintritt in den Oxidationskatalysator 222 und durch ein zusätzliches PM-Filter 302, so dann durch den EGR-Kühler 224, EGR-Ventil 226 und das Turboladersystem 208. Der zusätzliche PM-Filter 302 kann eine kleinere Größe besitzen als der PM-Filter 206, und zwar in dem Hauptabgasstrom, da nur ein Teil der Abgase gefiltert werden muss. Zudem wird durch die Installation des zusätzlichen PM-Filters 302 in dem Rückführungspfad des EGR-Systems 204, durch die Packung und die Leitung des Filters 302 und die zugehörigen Eingangs- und Ausgangskanäle eine kompaktere und leichter zu managende Umgebung um den Motor 102 herum geschaffen.
Es sei nunmehr auf die 4a und 4b Bezug genommen, wo der Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 156 geeignet für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. In 4a ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 154, d.h. die Spitze der Einspritzvorrichtung oder des Injektors 156 in mehr Detail gezeigt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsdüse 154 weist eine Vielzahl von einer Mikrogröße besitzenden Löchern oder Öffnungen 401 auf, beispielsweise 10, 16, 24, 32 und dergleichen, und zwar angeordnet in einem Muster derart, dass eine gewünschte oder Soll-Kraftstoffsprühung 402 erreicht wird. Die beispielhafte Kraftstoffeinspritzöffnung 154 der 4a und 4b reflektiert eine 24-Loch „Brause" oder „Showerhead" Design und zwar derart angeordnet, dass ein erster Satz von Löchern eine Kraftstoffsprühung oder ein Kraftstoffstrahl mit einem ersten Winkel injiziert, und zwar einem ersten Winkel mit einer Dispersion oder Verteilung α und ferner mit einem zweiten Satz von Löchern, der eine Kraftstoffsprühung mit einem zweiten Winkel der Verteilung oder Dispersion β injiziert. Beispielsweise injiziert ein erster Satz von 8 Löchern eine Kraftstoffsprühung oder ein Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α gleich ungefähr 50 Grad und ein zweiter Satz von 16 Löchern injiziert oder spritz ein eine Kraftstoffsprühung oder einen Kraftstoffstrahl mit einem Winkel β gleich ungefähr 90 Grad. Es sei bemerkt, dass irgendeine Anzahl und Kombination von Löchern, Sätzen von Löchern und Winkeln der Dispersion oder Verteilung verwendet werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Konstruktion der Kraftstoffeinspritzdüse 154 gemäß den 4a und 4b offeriert den Vorteil der Verteilung der Kraftstoffsprühung oder des Kraftstoffstrahls 402 gleichförmig über die gewünschten Teile der Verbrennungskammer 138 hinweg, und zwar insbesondere bezüglich der speziellen Geometrie des Kolbens 130. Diese Steuerung oder Regelung über den Kraftstoffstrahl und die Kraftstoffsprühung 402 hinweg gestattet, dass die Kraftstoffeinspritzung vor der normalen Einspritzzeitsteuerung erfolgt, um hinreichend Zeit zur Verfügung zu stellen für Kraftstoff und Luft, d.h. dass das Strömungsmittelmedium sich homogen mit dem Kraftstoff mischt, der zur Abscheidung oder zur Abgabe an der Zylinderwand 130 vor der Verbrennung zugelassen ist. Vorzugsweise ist die Kraftstoffeinspritzung oder Einsprühung 402 derart konfiguriert, dass Kraftstoff derart eingesprüht oder eingespritzt wird, dass der Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer 138 eingegeben wird, und zwar beabstandet von der Zylinderwand 120. Mehr ins Einzelne gehend, ist beabsichtigt, dass der Kraftstoffsprühvorgang oder die Kraftstoffeinspritzung 402 sich über die Verbrennungskammer 138 hinweg verteilt, ohne dass irgendein Kraftstoff die Zylinderwand 120 kontaktiert, auf welche Weise verhindert wird, dass der Kraftstoff die Zylinderwand 120 kühlt, was bei einer niedrigeren Temperatur erfolgen kann als der Rest der Verbrennungskammer 138 und auf diese Weise erhöhte Pegel an HC und CO während der Verbrennung verursachen könnte.
Alternative Kraftstoffeinspritztechniken können zusammen mit der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise veranschaulichen die 5a bis 5c die Funktion einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 geeignet zur Verwendung mit Betriebsweisen der gemischten Betriebsart. Insbesondere weist die Kraftstoffeinspritzöffnung 154 mindestens einen HCCI-Düsenauslass 504 auf und mindestens einen konventionellen Düsenauslass 506. Der HCCI-Düsenauslass 504 ist derart konfiguriert, dass ein Winkel θ von einer Längsachse 502 des Kraftstoffinjektors 156 vorliegt, um eine Kraftstoffsprühung und einen Kraftstoffstrahl 504 einzuspritzen oder zu injizieren, und zwar mit einem in 5b dargestellten Muster. Der konventionelle Düsenauslass 506 ist mit einem Winkel λ konfiguriert, und zwar gegenüber der Längsachse 502, um eine Kraftstoffsprühung 504 in einen durch 5c repräsentierten Muster einzuspritzen.
Während HCCI-Betriebsartvorgängen wird die Kraftstoffeinspritzung 402 nach unten zum Kolben 130 gerichtet. Die Einspritzung oder Injektion erfolgt mehr vor der oberen Totpunktmitte, wie man durch die Relativposition des Kolbens 130 in 5b verglichen mit 5c erkennen kann, was mehr Zeit dafür gestattet, dass sich der Kraftstoff und das Fluidmedium, beispielsweise Luft, in eine homogene Mischung kombinieren.
Während konventionellen Betriebsartvorgängen, beispielsweise der Dieselkompressionsbetriebsart, wird die Kraftstoffeinspritzung oder der Kraftstoffstrahl 402 mehr zu den Seiten des Zylinders 119 gerichtet und die Einspritzung erfolgt näher an dem oberen Totmittelpunkt oder -zentrum, wie dies durch die Position des Kolbens 130 in 5c gezeigt ist.
Es sei bemerkt, dass Variationen der Einspritzvorrichtungs- oder Injektorkonfiguration der 5a verwendet werden können ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann eine Ausgangsdüse der Brausebauart anstelle des HCCI-Düsenauslasses 504 für HCCI-Operationen oder Vorgänge verwendet werden, während der konventionelle Düsenauslass 506 während konventioneller Dieseloperationen verwendet werden kann. Ferner können in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 der 5a die Winkel θ und λ der Düsenauslässe 504, 506 über einen großen Bereich, um besondere Anwendungsfälle zu berücksichtigen, variiert werden. Alternativ kann die HCCI-Einspritzung mit einer Anschluss- oder Porteinspritzung erreicht werden, d.h. der Kraftstoff wird beispielsweise in die Einspritz- oder Zuführungsleitung 128 eingespritzt, um einen homogene Mischung aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer 138 vorzusehen. Dieses Verfahren kann jedoch zur Folge haben, dass sich eine Kraftstoffkondensation an der Zylinderwand 120 ergibt, was zur Öldegradierung beiträgt.
Die Zeitsteuerung oder das Timing der Kraftstoffeinspritzung kann verändert oder variiert werden, um die Performance oder die Leistungsfähigkeit während der HCCI-Operation oder des HCCI-Vorgangs zu verbessern. Ein Timing oder Zeitsteuerbereich von ungefähr 50 Grad vor dem oberen Totpunkt oder Totzentrum (TDC = Top Dead Center) bis ungefähr 180 Grad vor TDC wird typischerweise verwendet, um eine nahe vollständige homogene Mischung von Kraftstoff und Fluidmedium sicher zu stellen. Es wird jedoch bevorzugt, den Kraftstoff so spät wie möglich einzuspritzen, d.h. näher an dem TDC, da eine übermäßige Zeit für das Vorhandensein von Kraftstoff im Zylinder 119 zur Kraftstoffkondensation an den Zylinderwänden 120 führt, was seinerseits das Motoröl verunreinigt und verschlechtert. Es wurde, wie in den 6a und 6b gezeigt, dargestellt, dass mit einem 24 Loch Brausekopfkraftstoffinjektor (Kraftstoffeinspritzvorrichtung) und keiner EGR eine optimale Einspritzzeitsteuerung von ungefähr 70 Grad vor dem TDC erreicht werden kann. Genauer gesagt, sind bei ungefähr 70 Grad vor TDC die Pegel von NO_x und Rauch minimal und die Pegel von HC und CO sind stark vermindert. Es wurde ferner festgestellt, dass die Hinzufügung von EGR die optimale Einspritzzeitsteuerung auf ungefähr 60 Grad vor TDC verzögern kann, auf welche Weise die Kraftstoffkondensation noch weiter erleichtert wird. Weitere Verfeinerungen bei den Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Einspritzspitzengeometrie, der Kraftstoffdispersions- oder -verteilungsmuster, der EGR-Menge, des Lufteinlasses und dergleichen, haben die Kraftstoffeinspritzung ermöglicht im Bereich von ungefähr 30 Grad vor dem TDC bis ungefähr 90 Grad vor dem TDC und zwar mit optimalen Emissionen, die dann berichtet werden, wenn die Kraftstoffeinspritzung bei ungefähr 40 Grad vor dem TDC auftritt.
Während HCCI-Vorgängen oder Operationen ist es erwünscht eine geringe Verbrennungstemperatur aufrecht zu erhalten. Ein Grund besteht darin, dass die Pegel von NOx bei niedrigen Verbrennungstemperaturen reduziert werden. Ein Verfahren zum Erreichen von niedrigen Verbrennungstemperaturen besteht darin einen hohen Pegel von Überschussmasse einzuführen, d.h. große Mengen an Fluidmedium, wie beispielsweise Luft, EGR, Wasser, inertes Gas und dergleichen, und zwar in die Verbrennungskammer 138. Die Verwendung von Luft , d.h. von frischer Luft, als das überschüssige Massenmedium erfordert große Mengen an Luft, die an die Verbrennungskammer 138 geliefert werden müssen, um die gewünschten überschüssigen Massenniveaus oder Pegel zu erreichen. Beispielsweise kann ein Luft-zu-Kraftstoffverhältnis von ungefähr 36 zu 1 oder größer er wünscht oder zweckmäßig sein, und zwar entsprechend einem Äquivalenzverhältnis von 0,4 oder weniger.
Alternativ kann irgendeine andere Art eines Strömungsmittelmediums verwendet werden, um eine überschüssige Masse zu erreichen. Beispielsweise kann die Verwendung von EGR anstelle von mindestens einem Teil frischer Luft den Betrieb des Motors 102 nahe dem stoichometischen Äquivalenzverhältnis ermöglichen, d.h. mit einem Luft-zu-Kraftstoffverhältnis von ungefähr 14,5 zu 1.
EGR kann auch zur Steuerung oder Regelung der Wärmefreigaberate und einer Druckanstiegsrate innerhalb der Verbrennungskammer 138 verwendet werden. Beispielsweise – wie in dem Graph 702 der 7 dargestellt, ist eine erste Darstellung 704 eine Anzeige für die Druckanstiegsrate während der Verbrennung in der HCCI-Betriebsart ohne die Zugabe von EGR. Die Darstellung 704 veranschaulicht einen scharfen oder starken Anstieg des Drucks in der Verbrennungskammer 138. Dieser starke Anstieg des Drucks erzeugt Beanspruchungen in den Komponenten, wie beispielsweise dem Motorkopf 122. Eine zweite Darstellung 704 ergibt die Druckanstiegsrate bei hinzugegebenen EGR an. Als erstes sei Folgendes bemerkt: die Verbrennungsdauer, d.h. die Zeit während der die Verbrennung erfolgt, hat sich geändert. Insbesondere wird die Verbrennungsdauer verlängert. Zum zweiten sei bemerkt: der Spitzendruck hat sich geändert. Speziell ist der Spitzendruck reduziert. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von EGR es ermöglicht, dass die mittleren effektiven Bremsdruck-(BMEP = Brake Mean Effective Meassure)-Pegel 1600 kPa annähern. Ohne EGR ist BMEP auf ungefähr 1100 kPa, d.h. ungefähr die Hälfte der Last begrenzt.
Das hinzugefügte Fluid oder Strömungsmittel muss nicht notwendigerweise EGR sein. Allgemein gesagt, führt die Zugabe eines Verdünnungsmittels, wie beispielsweise EGR, Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff und dergleichen, die Funktion der Absenkung der Verbrennungstemperatur, des Begrenzens des Spitzenverbrennungsdrucks und das Verlängern der Verbrennungsdauer durch. Das Verdünnungsmittel beeinflusst die Verbrennung durch Absenkung der Wärmefreigaberate in der Verbrennungskammer 138 und Erzeugen eine Anzahl von chemi schen Interim oder Zwischenreaktionen während der Verbrennung, die dazu dienen, das Verbrennungsereignis zu verlängern. Es sei bemerkt, dass die Masse des Verdünnungsmittels zur Gesamtströmungsmittelmasse in der Verbrennungskammer 138 beiträgt, wobei der andere Teil der Strömungsmittelmasse das Oxidationsmittel beispielsweise Luft ist und zwar eingeführt zur Unterstützung der Verbrennung.
Unter Bezugnahme auf 8 sei Folgendes ausgeführt. Die Menge an zugegebenen EGR ist vorzugsweise als ein volumetrischer Prozentsatz quantifiziert, und zwar durch die folgende Gleichung exemplifiziert:
Dabei ist CO₂(in) (CO₂ EIN) eine zum Motor durch das EGR-System 204 zurückgeführte Kohlendioxidmenge, und CO₂(ex) (CO₂ AUS) eine vom Motor 102 ausgestoßene Kohlendioxidmenge. Die EGR-Menge kann ein signifikanter Prozentsatz, beispielsweise 40% bis 60%, bei bestimmten Betriebsbedingungen, sein. Es sei bemerkt, dass der Prozentsatz an EGR durch irgendein anderes Verfahren quantifiziert werden kann, wie beispielsweise die Masse des EGR dividiert durch die Gesamtmasse in der Verbrennungskammer 138.
9a zeigt einen Graphen 902 des Zylinderdrucks abhängig von den Kurbelwinkelgeraden (CAD = Crank Angle Degrees). Die Darstellung zeigt einen ersten Druckanstiegsteil 906 mit einer Anstiegsneigung, die auf einem Niveau endet und so dann in der Neigung auf einen zweiten Druckanstiegsteil 908 ansteigt. Die einen „doppelten Buckel" aufweisende Kurve, zeigt eine homogene Mischung während der Verbrennung an und definiert somit eine HCCI-Betriebsart. In ähnlicherweise ist in 9b ein Graph 904 gezeigt, der die Wärmefreigaberate abhängig von CAD zeigt. Die Darstellung umfasst einen ersten Wärmefreigabespitzenteil 910 gefolgt von einem zweiten Wärmefreigabespitzenteil 912. Es sei bemerkt, dass der zweite Wärmefreigabespitzenteil 912 in seinem Wert wesentlich größer ist als der erste Wärmefreigabespitzenteil 910. Die Kurve dient zur Definition auch einer HCCI-Betriebsart.
Die Überschuss oder Exzessmasse kann vorgesehen werde durch die Verwendung eines hohen „Boost"- oder Verstärkungsdruckes an der Einlassleitung 128, d.h. der Einlasssammelleitung des Motors 102. Beispielhafte Techniken zum Liefern des hohen Verstärkungsdruckes werden unten beschrieben.
Obwohl die Einführung der Überschussmasse dazu dient die Druckanstiegsrate in der Verbrennungskammer 138 zu steuern, ist es ebenfalls erwünscht, einen Spitzendruck während der Verbrennung zu steuern bzw. zu regeln. Wie die 7 veranschaulicht, besitzt die erste Darstellung 704 einen Spitzendruck, der höher ist in seinem Wert als der Spitzendruck der zweiten Darstellung 706. Ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung des Spitzendrucks besteht darin, dass man ein variables Kompressionsverhältnis (VCR = Variable Compression Ratio) verwendet.
Viele Verfahren sind im Gebrauch, die VCR eines Motors vorsehen. Eine übliche Strategie besteht darin, die variable Ventilzeitsteuerung zu verwenden, und zwar insbesondere die variable Einlassventilzeitsteuerung. Beispielsweise kann ein Einlassventil für eine Zeitperiode in einem Kompressionszyklus offengehalten werden, beispielsweise von ungefähr 20 bis ungefähr 50 Grad in die Kompression hinein. Eine variable Ventilzeitsteuerung kann durch verschiedene Mittel erreicht werden. Beispielhafte Techniken oder Verfahren können mechanische Verfahren umfassen, beispielsweise die Steuerung einer Nockenbetätigung, hydraulische elektrische, elektro-hydraulische und ähnliche Verfahren können ebenfalls verwendet werden.
Eine andere übliche Strategie und eine die effektiver sein kann, als die variable Ventilzeitsteuerung, besteht darin, die geometrischen Charakteristika eines Zylinders zu verändern. Beispielsweise, wie in 10 gezeigt, kann ein Sekundärzylinder 1002 in Zusammenarbeit mit einem Sekundärkolben 1004 verwendet werden, um das effektive Volumen des Zylinders 119 zu verändern. Eine mit dem Sekundärkolben 1004 verbundene Stange 1006 ist ebenfalls mit einem Betätigen 1008, wie beispielsweise einem Nockenbetätiger, einem hydraulischen Betätiger, einem Elektromagnetbetätiger oder einer anderen Betätigungsvorrichtung verbunden. Wenn die Position des Sekundärkolbens 1004 im Sekundärzylinder 1002 verändert wird, so wird das effektive Kompressionsverhältnis des Kolbens 130 und des Zylinders 119 verändert. Es sei bemerkt, dass das Beispiel der 10 nur eines von vielen Verfahren darstellt, durch die das Kompressionsverhältnis eines Zylinders unter Verwendung geometrischer Techniken verändert werden kann.
Vorzugsweise wird die VCR als eine Funktion der Motordrehzahl und der Motorlast verändert, um zu ermöglichen, dass die Verbrennung zu einer bestimmten Zeit (Soll-Zeit) erfolgt. Wenn die Drehzahl und Last ansteigen, wird typischerweise mehr Kraftstoff an die Verbrennungskammer 138 geliefert. Dieser zusätzliche Kraftstoff bewirkt einen Druckanstieg. Die VCR kann dann abgesenkt werden, wenn die Drehzahl und Last ansteigen, um bei der Kompensation dieses Druckanstieges mitzuhelfen. Ein exemplarischer Kompressionsverhältnisbereich kann von 8 : 1 bis 16 : 1 betragen. Beispielsweise wurde ein Kompressionsverhältnis von 10 : 1 in einem Testmotor verwendet, der mit ungefähr 75% Last lief. Vorzugsweise wird die Kompressionszündung anstelle der Funkenzündung während der oben erwähnten niedrigeren Kompressionsverhältnisse aufrecht erhalten.
Obwohl der Motor 102 in der HCCI-Betriebsart arbeiten kann und einen Kraftstoff, wie beispielsweise Dieselkraftstoff verwendet, ermöglicht die Zugabe von EGR, wie oben beschrieben, beispielsweise ungefähr 40% bis ungefähr 60% EGR den Betrieb nahe dem stoichometrischen Verhältnis. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, einen Dreiwegekatalysator für die weiteren Reduktionen hinsichtlich HC, CO und NO_x zu verwenden. Unter Hinweis auf 11 sei bemerkt, dass beispielsweise ein Dreiwegekatalysator für die Verwendung mit der Erfindung gezeigt ist.
11 zeigt einen katalytischen Serienkombinationskonverter 1110 in dem drei unterschiedliche katalytische Substrate 1133, 1134, 1135 in Serie innerhalb eines individuellen Rohrgehäuses 1122 angebracht sind. Die Innenstruktur weist die Anbringung jedes katalytischen Substrats in seiner eigenen Unterkapsel 1130, 1131, 1132 auf. Das Rohrgehäuse 1122 kann aus dünnem rostfreiem Stahl geformt sein und kann am Auslassende 1124 mit einer ringförmigen Haltelippe 1125 ausgebildet sein, welche verhindert, dass individuelle Subkapseln durch den Auslass entweichen. Zudem kann die Krümmung der Biegung, die die Haltelippe 1125 schafft nützlich als eine Führung dann sein, wenn der Konverter 1110 in einer Öffnung angebracht wird, die einen Durchmesser sehr nahe zu dem des Gehäuses 1122 besitzt. Jede der Unter- oder Subkapseln 1130, 1131 und 1132 kann innerhalb des Rohrgehäuses 1122 durch eine Umfangsschweißnaht an Ecken 1128 gehalten werden.
Das Substrat 1133 kann mit einem typischen de-NOx-Katalysator beschichtet sein, wie beispielsweise eine Kombination aus einem Edelmetall und einem Zeolit-Katalysator. Das Substrat 1134 kann mit einem Katalysator beschichtet sein, der dazu geeignet ist, um auf sekundäre unerwünschte Stickstoffverbindungen abzuzielen, die im Abgas nach dem Austritt aus dem Substrat 1133 vorhanden sind. Nach dem Austritt aus dem Substrat 1134 enthält das Abgas sehr niedrige Pegel an NOx-Verbindungen und noch weniger unerwünschte sekundäre Stickstoffverbindungen, die ansonsten NOx-Verbindungen nach dem Fortschreiten durch einen Oxidationskatalysator werden würden. Das Substrat 1135 kann mit einem Oxidationskatalysator beschichtet sein, um die Umwandlung von jedwedem existierenden HC und CO in Kohlendioxid und Wasser zu fördern. Nur kleine Mengen des Abgases werden zurück in unerwünschte NOx-Verbindungen umgewandelt, nachdem der Durchlauf durch das Oxidationskatalysatorsubstrat 1135 erfolgte. Nach dem Austreten aus dem Konverter 1110 am Auslass 1124 besitzt das Abgas akzeptable Niveaus oder Pegel von sowohl HC und NOx.
Die Unterkapseln 1130, 1131 und 1132 sind vorzugsweise aus einem relativ dünnen rostfreien Stahl hergestellt, der an beiden Enden gewalzt bzw. grollt ist, um eine ringförmige Haltelippe zu erzeugen, welche die einzelnen oder individuellen Keramiksubstrate 1133, 1134, 1135 innerhalb der Subkapseln hält. Ein Matten- oder Auskleidungsmaterial 1129 kann zwischen der Innenoberfläche jeder Subkapsel und der Außenoberfläche jedes Substrats angebracht sein. Die Kanten einzelner Streifen der Auskleidung 1129 können von korrodierenden Effekten des Abgases durch Endringe 1127 geschützt sein. Jede der Subkapseln kann innerhalb des Rohrgehäuses 1122 über eine Umfangsschweißnaht an den Winkelecken 1128 befestigt sein.
Es sei bemerkt, dass das obige Beispiel eines Dreiwegekatalysators nur beispielhaften Zwecken dient und dass Abwandlungen des obigen Katalysators ebenso verwendet werden können. Ferner können auch andere Bauarten von Katalysatoren, beispielsweise de-NOx-Katalysatoren allein, Oxidationskatalysatoren allein und dergleichen ebensogut verwendet werden.
Große Mengen an Überschussmasse, beispielsweise EGR, erfordern einen signifikanten Verstärkungsdruckpegel, d.h. Einlasssammelleitungsdruck, um die Überschussmasse in die Verbrennungskammer 138 zu liefern. Beispielsweise kann ein Verstärkungsdruckwert von ungefähr 4,5 bis 1 oder höher bei Volllastbetriebsbedingungen erforderlich sein. D.h., der Druck an der Einlasssammelleitung muss mindesten 456 kPa betragen. Um diesen hohen Verstärkungsdruck zu erreichen ist ein Luftsystem erforderlich, welches in der Lage ist einen hinreichenden Druck zu erzeugen. Beispielsweise veranschaulicht das zweistufige Turboladersystem 208 der 2 und 3 ein mögliches Luftsystem, welches in der Lage ist einen hinreichenden Verstärkungsdruck zu erzeugen.
Es sein nunmehr auf die 12 bis 14 hingewiesen, in denen beispielhafte Abwandlungen des Turboladersystems 208 gezeigt sind. Unten erfolgt eine Diskussion der Komponenten der 12 bis 14, wobei neue Elementbezeichnungen zur weiteren Klärung der verschiedenen Luftsysteme verwendet werden.
Die 12 zeigt ein beispielhaftes Luftversorgungssystem 1202 für einen Verbrennungsmotor 1204 mit interner Verbrennung, beispielsweise einen Viertaktdieselmotor. Der Verbrennungsmotor 1204 weist einen Motorblock 1206 auf, der eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 1208 definiert, wobei die Anzahl der Zylinder von dem speziellen Anwendungsfall abhängt. Beispielsweise würde ein Vierzylindermotor vier Verbrennungszylinder, ein Sechszylindermotor würde sechs Verbrennungszylinder usw. aufweisen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der 12 sind sechs Verbrennungszylinder 1208 gezeigt.
Der Verbrennungsmotor 1204 weist auch eine Einlasssammelleitung 1210 und eine Auslasssammelleitung 1212 auf. Die Einlasssammelleitung 1210 liefert ein Fluid oder Strömungsmittel, beispielsweise Luft oder einen Kraftstoff/Luftmischung, an die Verbrennungszylinder 1208. Die Auslasssammelleitung 1212 empfängt Ausstoß oder Abgasströmungsmittel, beispielsweise Abgas von den Verbrennungszylindern 1208. Die Einlasssammelleitung 1210 und die Auslasssammelleitung 1212 sind aus Gründen der Einfachheit der Zeichnung in einer Einzelteilkonsiruktion gezeigt. Es sei jedoch bemerkt, dass die Einlasssammelleitung 1210 und/oder die Auslasssammelleitung 1212 als mehrteilige Sammelleitungen abhängig von dem bestimmten Anwendungsfall konstruiert sein können.
Das Luftversorgungssystem 1202 weist einen ersten Turbolader 1214 auf und kann einen zweiten Turbolader 1216 aufweisen. Die ersten und zweiten Turbolader 1214, 1216 können in Serie miteinander derart angeordnet sein, dass der zweite Turbolader 1216 eine Unterdrucksetzung einer ersten Stufe vorsieht und der erste Turbolader 1214 sieht eine Unterdrucksetzung einer zweiten Stufe vor. Beispielsweise kann der zweite Turbolader 1216 ein Niederdruckturbolader sein und erster Turbolader 1214 kann ein Hochdruckturbolader sein. Der erste Turbolader 1214 umfasst eine Turbine 1218 und einen Kompressor 1220. Die Turbine 1218 ist strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung 1212 über einen Auslasskanal 1222 verbunden. Die Turbine 1218 weist ein Turbinenrad 1224 auf, welches durch eine Welle getragen wird, wobei die Welle 1226 ihrerseits drehbar durch ein Gehäuse 1228 gelagert wird, beispielsweise ein Einzelteil oder Mehrteilgehäuse. Der Strömungsmittelströmungspfad von der Auslasssammelleitung 1212 zur Turbine 1218 kann eine variable (nicht gezeigt) Düse aufweisen, oder eine andere Anordnung mit variabler Geometrie geeignet zur Steuerung der Geschwindigkeit des Ausstoßfluids, welches auf das Turbinenrad 1224 auftrifft.
Der Kompressor 1220 weist ein Kompressorrad 1230 getragen durch die Welle 1226 auf. Auf diese Weise kann die Drehung der Welle 1226 durch das Turbinenrad 1224 wiederum die Drehung des Kompressorrads 1230 bewirken.
Der erste Turbolader 1214 kann eine Leitung 1232 für komprimierte Luft aufweisen und, zwar zum Empfang der komprimierten Luft von dem zweiten Turbolader 1216 und ferner eine Luftauslassleitung 1234 zum Empfang komprimierter Luft vom Kompressor 1220 und zur Lieferung der komprimierten Luft an die Einlasssammelleitung 1210 des Motors 1204. Der erste Turbolader 1214 kann auch einen Auslasskanal oder eine Auslassleitung 1236 aufweisen, um Abgabe oder Ausgangsfluid von der Turbine 1218 aufzunehmen und das Ausgangsfluid an den zweiten Turbocharger oder Turbolader 1216 zu liefern.
Der zweite Turbolader 1216 kann eine Turbine 1238 und einen Kompressor 1240 aufweisen. Die Turbine 1238 kann strömungsmittelmäßig mit dem Auslasskanal 1236 verbunden sein. Die Turbine 1238 kann ein Turbinenrad 1242 getragen durch eine Welle 1244 aufweisen, wobei letztere ihrerseits drehbar durch das Gehäuse 1228 getragen bzw. gelagert ist. Der Kompressor 1240 kann ein Kompressorrad 1246 getragen durch die Welle 1244 aufweisen. Auf diese Weise kann die Drehung der Welle 1244 durch das Turbinenrad 1242 ihrerseits die Drehung des Kompressorrads 1246 bewirken.
Der zweite Turbolader 1216 kann eine Lufteinlassleitung 1248 aufweisen, und zwar eine Strömungsmittelverbindung vorsehend zwischen der Atmosphäre und dem Kompressor 1240. Der zweite Turbolader 1216 kann auch komprimierte Luft an den ersten Turbocharger oder Turbolader 1214 über den Kompressionsluftkanal 1232 liefern. Der zweite Turbolader 1216 kann einen Auslass oder Auströmungsauslass 1250 aufweisen, um Ausstoß- oder Auslassströmungsmittel von der Turbine 1238 zu empfangen und eine Strömungsmittelverbindung mit der Atmosphäre vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel können der erste Turbolader 1214 und der zweite Turbolader 1216 derart bemessen sein, dass im Wesentlichen gleiche Gleichkompressionsverhältnisse vorgesehen werden. Beispielsweise können sowohl der erste Turbolader 1214 als auch der zweite Turbolader 1216 beide Kompressionsverhältnisse von zwischen 2 : 1 und 3 : 1 vorsehen, was ein Systemkompressionsverhältnis von mindestens 4 : 1 bezüglich atmosphärischen Druck ermöglicht. Alternativ kann der zweite Turbolader 1216 ein Kompressionsverhältnis von 3 : 1 besitzen und der erste Turbolader 1214 kann ein Kompressionsverhältnis von 1,5 : 1 aufweisen, was ein Systemkompressionsverhältnis von 4,5 : 1 bezüglich des atmosphärischen Druckes ergibt.
Das Luftversorgungs- oder Luftliefersystem 1202 kann einen Luftkühler 1252, beispielsweise einen Nachkühler (Aftercooler) aufweisen, und zwar zwischen dem Kompressor 1220 und der Einlasssammelleitung 1210. Der Luftkühler 1252 kann aus der Luft Wärme entnehmen, um die Einlasssammlleitungstemperatur zu verringern und die Luftdichte zu erhöhen. Wahlweise kann das Luftversorgungssystem 1202 einen zusätzlichen Luftkühler 1254, beispielsweise einen Zwischenkühler (Intercooler) aufweisen, und zwar zwischen dem Kompressor 1240 des zweiten Turboladers 1216 und dem Kompressor 1220 des ersten Turboladers 1214. Alternativ kann das Luftversorgungssystem 1202 wahlweise einen zusätzlichen Luftkühler (nicht gezeigt) aufweisen, und zwar zwischen dem Luftkühler 1252 und der Einlasssammelleitung 1210. Der wahlweise zusätzliche Luftkühler kann ferner die Einlasssammlleitungstemperatur reduzieren.
13 ist ein Blockdiagramm, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Luftversorgungssystems 1302 darstellt und zwar für den Verbrennungsmotor 1204. Das Luftversorgungssystem 1302 kann einen Turbolader 1304 aufweisen, beispielsweise einen hocheffizienten Turbolader, der in der Lage ist mindestens ein 4,5 : 1 Kompressionsverhältnis bezüglich des atmosphärischen Druckes zu erzeugen. Der Turbolader 1304 kann eine Turbine 1306 und einen Kompressor 1308 aufweisen. Die Turbine 1306 kann strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung 1212 über einen Auslasskanal 1310 verbunden sein. Die Turbine 1306 kann ein Turbinenrad 1312 getragen von einer Welle 1314 aufweisen, die ihrerseits drehbar in einem Gehäuse 1316 gelagert ist, und zwar beispielsweise einem Einzelteil oder einem Mehrteilgehäuse. Der Strömungsmittel oder Fluidströmungspfad von der Abgas- bzw. Auslasssammelleitung 1212 zur Turbine 1306 kann eine (nicht gezeigt) variable Düse aufweisen, die die Geschwindigkeit des Ausgangsfluids, welches auf das Turbinenrad 1312 auftritt, steuert oder regelt.
Der Kompressor 1308 kann ein Kompressorrad 1318 getragen durch die Welle 1314 aufweisen. Auf diese Weise kann die Drehung der Welle 1314 durch das Turbinenrad 1312 seinerseits die Drehung des Kompressorrads 1318 bewirken. Der Turbolader 1304 kann einen Lufteinlass 1320 aufweisen und eine Fluid- oder Strömungsmittelverbindung zwischen der Atmosphäre und dem Kompressor 1308 und einem Luftauslass 1322 vorsehen, und zwar zur Lieferung von komprimierter Luft an die Einlasssammelleitung 1210 des Motors 1204. Der Turbolader 1304 kann auch einen Abgas- oder Austoßauslass 1324 aufweisen, um Austoßfluid oder Ausstoßströmungsmittel (Abgasströmungsmittel) von der Turbine 1306 zu empfangen und um die Strömungsmittelverbindung mit der Atmosphäre vorzusehen.
Das Luftversorgungssystem 1302 kann einen Luftkühler 1326 zwischen dem Kompressor 1308 und der Einlasssammelleitung 1210 aufweisen. Wahlweise kann das Luftversorgungssystem 1302 einen zusätzlichen (nicht gezeigt) Luftkühler aufweisen, und zwar zwischen dem Luftkühler 1326 und der Einlasssammelleitung 1210.
14 ist ein Blockdiagramm, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Luftversorgungssystems 1402 für den internen Verbrennungsmotor 1404 zeigt. Das Luftversorgungssystem 1402 kann einen Turbolader 1404, beispielsweise einen Turbolader 1404 mit einer Turbine 1406 und zwei Kompressoren 1408, 1410 aufweisen. Die Turbine 1406 kann strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung 1212 über einen Einlasskanal 1412 verbunden sein. Die Turbine 1406 kann ein Turbinenrad 1414 getragen von einer Welle 1416 aufweisen, die ihrerseits drehbar durch ein Gehäuse 1418 getragen wird, beispielsweise ein einteiliges oder mehrteiliges Gehäuse. Der Strömungs- oder Fluidströmungspfad von der Auslasssammelleitung 1212 zur Turbine 1406 kann eine (nicht gezeigt) variable Düse aufweisen, die die Geschwindigkeit des Auslassfluids, welches auf das Turbinenrad 1414 auftrifft steuert.
Der erste Kompressor 1408 kann ein Kompressorrad 1420, getragen durch die Welle 1416, aufweisen und der zweite Kompressor 1410 kann ein Kompressorrad 1422, getragen durch die Welle 1416, aufweisen. Auf diese Weise kann die Drehung der Welle 1416 durch das Turbinenrad 1414 seinerseits die Drehung der ersten und zweiten Kompressorräder 1420, 1422 verursachen. Die ersten und zweiten Kompressoren 1408, 1410 können erste bzw. zweite Unterdrucksetzungsstufen oder Druckstufen vorsehen.
Der Turbolader 1404 kann eine Lufteinlassleitung 1424 aufweisen, die eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Atmosphäre und dem ersten Kompressor 1408 und einem Kompressionsluftkanal 1436 vorsieht, um komprimierte Luft von dem ersten Kompressor 1408 zu empfangen und die komprimierte Luft an den zweiten Kompressor 1410 zu liefern. Der Turbolader 1404 kann eine Luftauslassleitung 1428 aufweisen, um komprimierte Luft von dem zweiten Kompressor 1410 an die Einlasssammelleitung 1210 des Motors 1204 zu liefern. Der Turbolader 1404 kann einen Ausstoß- bzw. Abgasauslass 1430 aufweisen, und zwar zum Empfang von Auslass- oder Austoßströmungsmittel von der Turbine 1406 und zum Vorsehen einer Strömungsmittelverbindung mit der Atmosphäre.
Der erste Kompressor 1408 und der zweite Kompressor 1410 können beispielsweise beide Kompressionsverhältnisse von zwischen 2 zu 1 und 3 zu 1 vorsehen, was ein Systemkompressionsverhältnis von mindestens 4 zu 1 bezüglich des atmosphärischen Drucks ergibt. Alternativ kann der zweite Kompressor 1410 ein Kompressionsverhältnis von 3 zu 1 und der erste Kompressor 1408 ein Kompressionsverhältnis von 1,5 zu 1 vorsehen, was ein Systemkompressionsverhältnis von 4,5 zu 1 bezüglich des atmosphärischen Drucks ergibt.
Das Luftversorgungssystem 1402 kann einen Luftkühler 1432 aufweisen, und zwar zwischen dem zweiten Kompressor 1410 und der Einlasssammelleitung 1210. Wahlweise kann das Luftversorgungssystem 1402 einen zusätzlichen Luftkühler 1434 aufweisen, und zwar zwischen dem ersten Kompressor 1408 und dem zweiten Kompressors 1410 des Turboladers 1404. Alternativ kann das Luft versorgungssystem 1402 wahlweise einen zusätzlichen (nicht gezeigten) Luftkühler aufweisen, und zwar zwischen dem Luftkühler 1432 und der Einlasssammelleitung 1210.
Es sei bemerkt, dass andere Bauarten von Luftversorgungssystemen ebenso verwendet werden könnten. Beispielsweise sind ein Luft-zu-EGR-Kühler, eine Gebläse und Turboladeranordnung und ein elektrischer Unterstützungsturbolader einige wenige der Bauarten von Luftversorgungssystemen, die den erforderlichen Verstärkungs- oder Boostdruck für die vorliegende Erfindung erzeugen können.
15 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel eines Steuer- oder Regelsystems der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Motor 102 wird überwacht und durch die Steuervorrichtung 164 gesteuert bzw. geregelt, beispielsweise mittels eines elektronischen Steuermoduls (ECM = Electronic Control Module) ist typischerweise für die Motorüberwachung und -steuerung verwendet wird.
Ein Signal, welches eine Anzeige für die Zylinderdruckrückkopplung bildet, wird an die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 geliefert, und zwar über die Signalleitung 1502 und kann dazu verwendet werden ein Ereignis, wie beispielsweise einen Start der Verbrennung zu bestimmen. Die Zylinderdruckrückkopplung kann direkt abgefühlt werden, beispielsweise durch einen (nicht gezeigten) Zylinderdrucksensor, oder aber sie kann aus anderen abgefühlten Parametern abgeleitet werden. Beispielsweise können die Motordrehzahl und die Lastparameter überwacht werden, und dazu verwendet werden, einen Start des Verbrennungsereignisses zu bestimmen.
Die Steuer- bzw. Regelvorrichtung 164 kann bei Empfang des Zylinderdruckrückkopplungssignals bestimmen, dass eine gewisse Steuerung oder Regelung der Motoroperationen oder der Motorbetriebsbedingungen erforderlich ist. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass die Zeitsteuerung des Startens der Verbrennung geändert werden sollte. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 kann mehrere Optionen besitzen, und zwar zur Verwendung der Steuerung der Motoroperationen. Beispielsweise kann die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 ein Steuer- oder Regelsignal liefern, und zwar über Signalleitung 1504, um die Einlasssammelleitungstemperatur zu modellieren bzw. zu verändern; die Steuervorrichtung 164 kann ein Steuersignal über Signalleitung 1506 liefern, um eine Zeitsteuerung der Betätigung eines Einlassventils zu modellieren oder zu einzustellen; ein Steuersignal kann, über Signalleitung 1508 zum Modellieren bzw. Einstellen einer Rate mit der EGR vorgesehen wird, geliefert werden; ein Steuersignal kann über Signalleitung 1510 geliefert werden, um eine Zeitsteuerung der Einspritzungen oder der Injektion des Kraftstoffs zu modellieren bzw. einzustellen; oder aber ein Steuersignal kann über Signalleitung 1512 geliefert werden, um einen Verstärkungsdruckwert einzustellen bzw. zu modellieren. Es ist klar, dass jedwede Kombination der oben genannten Steuer- oder Regelstrategien verwendet werden kann. Ferner können andere Kontroll- oder Regelstrategien ebenfalls inkooperiert werden.
Die Komplexitäten des Motorbetriebs infolge der Wechselwirkungen vieler Variablen deutet an, dass es zweckmäßig sein kann, die Steuer- oder Regelvorrichtung 164, unter Verwendung von fortschrittlichen Techniken der Datenanalyse und Motorregelung zu konfigurieren. Beispielsweise kann es trickmäßig sein einen Tag mal auf (nicht gezeigtes) Neuralnetzwerk in die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 einzubauen, um Steuer- oder Regelentscheidungen basierend auf einer historischen Datenbasis, der Motorbetriebsarten vorzunehmen.
In 16 ist das Blockdiagramm der 2 wiedergegeben, und zwar unter Hinzufügung eines Sauerstoffsensors (O2) 1602 und eines Massenluftströmungssensors (MAF = Mass Airflow Sensor) 1604. Der O2 Sensor 1602 kann in irgendeiner Position angeordnet werden, die zum Abfühlen einer Sauerstoffmenge in den Abgasen nach der Verbrennung geeignet ist, beispielsweise am Auslassdurchlass 146. Der MAF-Sensor 1604 kann an irgendeiner Position angeordnet werden, die geeignet ist zum Abfühlen der Masse der EGR-Gase beispielsweise vor dem EGR-Ventil 226. Alternativ kann der MAF-Sensor 1604 anderswo angeordnet werden beispielsweise nach dem EGR-Ventil 226, um die Gesamtströmung der Masse abzufühlen, beispielsweise EGR plus frische Luft, die an den Motor 102 geliefert wird.
Die O2- und MAF-Sensoren 1602, 1604 können separat oder in Kombination verwendet werden und können die abgefühlten Werte an die Steuer- bzw. Regelvorrichtung 164 liefern, und zwar zur Verarbeitung zur weiteren Bestimmung und Steuerung einer Rate des EGR, welches an den Motor 102 geliefert wird.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann es zweckmäßig sein die Membrantechnologie einzubauen, um Stickstoff als ein inertes Gas anstelle von oder in Kombination mit EGR, als die Exzess- oder Überschussmasse zu verwenden, die verwendet wird, um die Wärmefreigaberaten in der Verbrennungskammer 138 zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise zeigt die 17 ein exemplarisches Einlasslufttrennsystem 1702 geeignet zur Verwendung mit der Erfindung.
17 zeigt eine schematische Darstellung eines Einlasslufttrennsystems 1702 für einen Motor 1704. Die Einlassseite des Motors 1704 weist eine Einlassluftleitung 1706 auf, ferner eine Einlasssammelleitung 1708, eine Einlassluftunterdrucksetzungsvorrichtung 1710, beispielsweise einen Turbolader und einen Zwischenkühler oder einen Luft-zu-Luftnachkühler 1716. Die Einlassluftunterdrucksetzungsvorrichtung 1710 kann eine durch Abgas angetriebene Turbine 1714 aufweisen, die ihrerseits einen Kompressor 1712 antreibt. Der Motor 1704 weist auch einen Hauptverbrennungsabschnitt 1720 und ein Abgassystem 1724 auf. Obwohl dies nicht in großen Einzelheiten dargestellt ist, weist der typische Hauptverbrennungsabschnitt 1720 neben anderen Elementen einen Motorblock auf, ferner einen Zylinderkopf, der eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 1722 darinnen bildet. Assoziiert mit jedem der Zylinder 1722 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, eine Zylinderauskleidung, mindestens ein Lufteinlassanschluss und entsprechende Einlassventile und zwar an mindestens einem Abgas- bzw. Auslassgasanschluss und entsprechende Abgas- bzw. Auslassventile und ferner ist ein hin- und hergehender Kolben vorgesehen, der innerhalb jedes Zylinders hin- und herbewegbar ist, um in Verbindung mit der Zylinderauskleidung und dem Zylinderkopf die Verbrennungskammer zu definieren. Das Abgassystem 1724 des Motors 1704 weist eine Abgassammelleitung 1726 oder gespaltene Auslasssammelleitungen auf und zwar eine oder mehrere Auslassleitungen 1728 und die Turbine 1714. Wahlweise kann das Auslass- oder Ausstoßsystem 1724 eine oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen, wie beispielsweise Teilchenfallen, NOx-Adsorbierer, Oxidations- oder magere NOx-Katalysatoren oder andere kürzliche Fortschritte bei der Abgasnachbehandlung. Schließlich weist der Motor 1704 ein elektronisches Steuermodul (ECM = Electronic Control Module) 1730 auf, d.h, eine Steuervorrichtung zum betriebsmäßigen Steuern oder Regeln der Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung und der Luftsystemventiloperationen ansprechend auf einen oder mehrere gemessene oder abgefühlte Motorbetriebsparameter und zwar verwendet als Eingangsgrößen für das ECM 1730.
Die Einlassluftleitung 1706 steht in Strömungsverbindung mit dem Einlasslufteingang 1732, dem Kompressor 1712, der Einlassluftunterdrucksetzungsvorrichtung 1710 und dem Nachkühler 1716. Obwohl das Einlasslufttrennsystem 1702 in Verbindung mit einem konventionellen turbogeladenen Dieselmotor gezeigt und beschrieben ist, ist das offenbarte System 1702 in gleicherweise bei Motoren mit einem Turbolader, der eine variable Geometrie besitzt (VGT = Variable Geometry Turbocharger) oder anderen supergeladenen Motoren verwendbar, und zwar einschließlich Motoren mit Druckwellensuperladevorrichtungen. Die Einlasssammelleitung 1708 ist an einem Ende mit der Einlassluftleitung 1706 verbunden. Ein Einlassdrucksensor 1718 ist irgendwo angeordnet in dem Einlasslufttrennsystem 1702 dargestellt, beispielsweise gezeigt nahe der Einlasssammelleitung 1708, und sieht Einlassluftdruckdaten für das ECM 1730 vor. Andere Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren, Sauerstoffsensoren (nicht gezeigt) und dergleichen können ebenfalls innerhalb des Einlasslufttrennsystem 1702 eingebaut sein und sind in ähnlicherweise oder gleicherweise gekoppelt, wie die Eingänge des ECM 1730. Zu dem können verschiedene andere Vorrichtungen, wie beispielsweise Filter, Ventile, Betätiger, Bypassleitungen, usw., obwohl hier nicht gezeigt, verwendet werden, und zwar innerhalb des Einlasslufttrennsystems 1702. Irgendwelche solchen elektronischen Betriebskomponenten, wie beispielsweise Ventile und/oder Betätiger sind vorzugsweise betriebsmäßig mit dem ECM 1730 gekuppelt und arbeiten ansprechend auf die ausgewählten Motorbetriebsparameter oder Bedingungen und zwar einschließlich der Motordrehzahl, der Motorlast, dem Verstärkungsdruckbedingungen, usw.
Das veranschaulichte Einlasslufttrennsystem 1702 weist eine Einlasslufttrennvorrichtung 1734 auf, und zwar angeordnet innerhalb des Einlasslufttrennsystems 1702 des Motors 1704. Die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 kann ausgelegt sein zur Aufnahme von im Wesentlichen der gesamten Motorverbrennungsluft an dem Lufttrennvorrichtungseinlass 1736, d.h. am Einlasslufteinlass, und trennt diese in eine Strömung 1738 aus sauerstoffangereicherter Luft, d.h. eine Permeatströmung, und eine Strömung 1740 aus stickstoffangereicherter Luft, d.h. eine Retentatströmung. Die veranschaulichte Einlasslufttrennvorrichtung 1734 weist zwei Einlässe und zwei Auslässe auf. Der erste Einlass oder Eingang ist der Einlasslufteinlass 1736, der die Luft aufnimmt, die in einen sauerstoffreichen Strom und einen stickstoffreichen Strom aufgeteilt werden soll. Der zweite Einlass oder Eingang ist ein Spüllufteinlass 1742, der in der Lage ist, eine Strömung 1744 aus Reinigungsluft oder Spülluft zu empfangen, die die Permeationseffektivität der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 verbessert. Die Spülluft 1744 kann von einer Strömung von Einlassluft 1758 vom Kompressor 1712 und dem Nachkühler 1716 abgenommen werden. Alternativ kann die Strömung der Spülluft 1744 eine gesonderte Strömung der gefilterten Umgebungsluft sein. Der erste Auslass oder Ausgang oder der Permeatausgang 1746 der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 ist in der Lage, Permeatströmung 1738 aus sauerstoffangereicherter Luft kombiniert mit der Strömung von Spülluft 1744 aufzunehmen.
Der zweite Auslass oder Ausgang oder der Retentatausgang 1748 kann die Retentatströmung 1740 aus stickstoffangereicherter Luft aufnehmen. Vorzugsweise ist die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 eine Vollströmungstrenneinheit und somit besteht keine Notwendigkeit für ein darauffolgendes Mischen des stickstoffangereicherten Luftflusses oder der stickstoffangereicherten Luftströmung 1740, die den Retentatausgang 1748 verlässt mit mehr Einlassluft. Der Retentatausgang 1748 ist ferner, in Strömungsmittelverbindung mit der Einlasssammelleitung 1708 des Motors 1704. Ein Permeatströmungsventil 1750 kann benachbart oder in der Nähe des Permeatausgangs 1746 angeordnet sein. Das Permeatströmungsventil 1750 ist vorzugsweise ansprechend auf Signale betätigt, die von dem ECM 1730 empfangen werden, welches die Permeatströmung 1738 weg von der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 steuert und dadurch die Strömung 1740 vom Retentataus lass 1748 zur Einlasssammelleitung 1708 steuert bzw. regelt. Genauer gesagt, steuert bzw. regelt das Permeatströmungsventil 1750, angeordnet in der Nähe des Permeatausgangs 1746, sowohl die Permeatströmung 1738 als auch die Strömung der Spülluft 1744 weg von der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 und steuert bzw. regelt somit die relativen Konzentrationen von Stickstoff und Sauerstoff in der Luft, die zu der Einlasssammelleitung 1708 und den Verbrennungszylindern 1722 gerichtet ist.
Die Stelle oder der Ort des Permeatströmungsventils 1750 ist vorzugsweise an oder nahe dem Permeatausgang 1746. Eine derartige Anordnung hilft bei dem Ansprechvermögen des Motors 1704 basierend auf einer relativ schnellen Änderung des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts der Luft, die den Retentatauslass 1748 verlässt und in die Einlass- oder Ansaugsammelleitung 1708 läuft, wenn das Permeatströmungsventil 1750 betätigt ist, beispielsweise geöffnet oder geschlossen ist, und zwar während Übergangsbetriebsbedingungen. Die selektive Betätigung des Permeatströmungsventils 1750 gestattet, dass der Motor 1704 im Wesentlichen in drei unterschiedlichen Ladeluftbetriebsarten arbeitet, nämlich der stickstoffangereicherten Betriebsart, d.h. das Ventil ist teilweise oder vollständig offen, der Standardeinlassluftbetriebsart, d.h. das Ventil ist für eine ausgewählte Zeitspanne geschlossen und der vorübergehenden sauerstoffangereicherten Betriebsart, die für einen Zeitperiode oder Dauer auftritt, wenn das Permeatströmungsventil 1750 zuerst geschlossen ist. Die exakte Lage oder Stelle des Permeatströmungsventils 1750 ist vorzugsweise optimiert, um die unterschiedlichen Betriebsarten der Ladungsluft auszunutzen, und insbesondere die vorübergehende Ladung von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die dann auftritt, wenn das Permeatströmungsventil 1750 zuerst geschlossen ist.
Die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 verwendet vorzugsweise eine Vielzahl von selektiv permeablen Trennmembranen 1754, die die Umgebungsluft in Ströme von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangereicherter Luft trennen. Derartige Membranen 1754 sind in der Technik wohlbekannt.
Die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 kann ein Gehäuse oder einen Mantel 1746 aufweisen, und zwar mit einem Einlass- oder Ansauglufteinlass 1736, dem Spüllufteinlass oder -eingang 1742, dem Permeatauslass oder -ausgang 1746 und dem Retentatauslass oder -ausgang 1748. Eine Vielzahl von selektiv permeablen Membranelementen oder Fasern ist in einer im Allgemeinen longitudinalen oder schraubenlinienförmigen, beispielsweise spiralförmigen Orientierung innerhalb des Gehäuses 1756 angeordnet und an jedem Ende verkittet oder abgedichtet. Die Lufttrennmembran 1754 sind vorzugsweise hohle, poröse, beschichtete Rohre, durch die ausgewählte Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium, Wasserdämpfe, Kohlendioxid und Sauerstoff tendenziell nach außen durch die Membrane permeieren, und zwar mit einer relativ schnellen Rate, während andere Gase, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Argon und Stickstoff weniger schnell permeieren und größten Teils zurückgehalten werden und entlang der Membranrohre transportiert werden. Unterschiedliche Gase, die in der Strömung 1758 der Einlassluft vorhanden sind, haben die Tendenz durch die Membran 1754 mit unterschiedlichen relativen Permeationsraten zu permeieren, und zwar im Allgemeinen durch die Seitenwände der Membran 1754. Die Permeationsrate hängt auch teilweise von der Membrantemperatur ab, und daher steuert die Änderung oder die Regelung der Temperatur der in die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 eintretenden Gase schließlich die Permeabilität.
Die Einlass- oder Ansaugluft wird in das Gehäuse 1756 und die Membranen 1754 der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 eingeführt, und zwar in einer Orientierung oder Richtung, die im Allgemeinen entlang der Länge der Membranen 1754 verläuft. Auf diese Weise wird die Strömung 1758, der Einlassluft im Allgemeinen entlang der Länge der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 transportiert oder fließt da entlang. Umgekehrt wird die Strömung 1744 der Spülluft in das Gehäuse 1756 und die Membranen 1754 in einer Querströmungsorientierng oder Richtung derart eingegeben, dass die Strömung 1744 der Spülluft im Allgemeinen über die Außenoberflächen der Membranen 1754 fließt. Die Strömung oder der Fluss 1744 der Spülluft tritt dann aus dem Gehäuse 1756 über den Permeatauslass 1746 als Teil der Permeatströmung 1738 aus, und zwar zusammen mit der permeateten sauerstoffreichen Luft. Die Retentatströmung 1740 aus stickstoffreicher Luft tritt aus dem Gehäuse 1756 über den Retentatauslass oder Ausgang 1748 aus.
Die obige Beschreibung einer Einlasslufttrennvorrichtung 1734 veranschaulicht nur ein Beispiel der Reinigungs- oder Spülluftströmungskonfigurationen, die gute Trennergebnisse erzeugen. Verschiedene andere Stimmungskonfigurationen können ebenfalls verwendet werden. Die verschiedenen Spülströmungskonfigurationen offerieren Unterschiede hinsichtlich der Trennperformance oder leistungsfähigkeit und der Packungsgegebenheiten und ein Zuschnitt kann auf die spezielle Anwendung erfolgen, bei der die Lufttrennvorrichtung verwendet wird.
Der Kompressor 1712 der Einlassluftdruckvorrichtung 1710 wird dazu verwendet, um die Einlassluft zwangsweise durch die auf Membranen basierende Einlasslufttrennvorrichtung 1734 zu treiben, wobei dies oftmals als die Druckbetriebsart bezeichnet wird. In der gleichen Art und Weise wird die Strömung 1744 der Spülluft von der Strömung 1758 der verstärkten abgekühlten Einlassluft aufgenommen oder abgelenkt und an den Spüllufteinlass oder -eingang 1742 geleitet. Ein Spülluftventil 1752 ist betriebsmäßig mit dem ECM 1730 gekoppelt und kann zur Steuerung der Strömung 1744 der Spülluft bei verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet werden. Auf diese Weise werden die Strömung 1744 der Spülluft und die Strömung der Einlassluft 1758 typischerweise unter Druck gesetzt, während die Permeatströmung 1738 der sauerstoffangereicherten Luft und die Spülluft, die aus der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 austritt, vorzugsweise auf einem etwas niedrigeren Druck sich befindet und zwar in Folge der Druckverluste, die beim Strömen durch die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 erfahren werden. Dieser Druckgradient über die Membrane 1754 hinweg ermöglicht das Auftreten der Lufttrennung. Wie dargestellt, wird die Permeatströmung 1738 vorzugsweise zur Atmosphäre hin belüftet oder in anderer Weise zu anderen Teilen des Motors 1704 hingeleitet, und zwar einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Ausstoß- oder Abgassystem 1724. Die Permeatströmung 1738 kann aber auch an die Verbrennungszylinder 1722 geliefert werden, um mindestens einen Teil einer Versorgung von Oxidationsmittel zur Unterstützung der Verbrennung zu liefern. Die Retentatströmung 1740 aus stickstoffangereicherter Luft wird in die Einlasssammellei tung 1708 in einem im Allgemeinen unter Druck gesetzten Zustand geliefert, wohl aber mit einem niedrigeren Druck als die Einspeise- oder Einlassluftdruck infolge der Verluste die verursacht werden durch die auf Membranen basierende Einlasslufttrennvorrichtung 1734.
Kurz auf 1 bezugnehmend sei bemerkt, dass es zweckmäßig oder erwünscht sein kann, eine variable Ventilzeitsteuerung zu verwenden, um bei der Performance der vorliegenden Erfindung Hilfestellung zu leisten. Beispielsweise kann die Temperatur im Zylinder 119 erhöht werden, auf welche Weise Unterstützung bei der Steuerung oder Regelung der Verbrennung erfolgt, und zwar durch Verändern der Zeitsteuerung des Auslass- oder Abgasventils 152. Insbesondere kann durch Veränderung der Zeitsteuerung des Schließens des Auslassventils 152 ein Teil der heißen Restgase aus der Verbrennung in der Verbrennungskammer 138 eingefangen werden und der Start der Verbrennung des nächsten Zyklus wird vorgeschoben.
Es kann auch erwünscht oder zweckmäßig sein, die Zeitsteuerung des Einlassventils 140 zu verändern, um das Luft-zu-Kraftstoffverhältnis während der Beschleunigung des Motors 102 zu modellieren und somit die Verbrennung weiterhin zu regeln bzw. zu steuern. Die Veränderung der Zeitsteuerung (Timing) des Schließens des Einlassventils 140 dient dazu den Motor in einem Miller-Zyklus zu betreiben, der das effektive Kompressionsverhältnis absenkt, was wiederum den Start der Verbrennung verzögert. Die Veränderung der Zeitsteuerung der Öffnung des Einlassventils 140 gestattet, dass heiße Abgase in den Einlassanschluss 124 fließen, was den Start der Verbrennung vorschiebt.
Die 18 und 19 veranschaulichen den Betrieb einer beispielhaften Technik zum Erreichen der variablen Ventilzeitsteuerung. Obwohl die Beschreibung unten und die 18 und 19 den variablen Ventilbetrieb des Einlassventils zeigen, sind ähnliche Prinzipien zur Veränderung der Zeitsteuerung eines Auslassventils gültig.
18 zeigt eine schematische Veranschaulichung, und zwar im Querschnitt, eines Teils eines Verbrennungsmotors 1802. Ein Zylinderkopf 1804 ist mit einem Motorblock 1806 verbunden. Der Zylinderkopf 1804 nimmt einen oder mehrere Zylinder 1808 auf. Für die Zwecke der Darstellung wird die 18 unten unter Bezugnahme auf einen Zylinder 1808 beschrieben. Der Zylinder 1808 enthält einen Kolben 1810, der gleitbar im Zylinder 1808 beweglich ist. Eine Kurbelwelle 1812 ist drehbar innerhalb des Motorblocks 1806 angeordnet. Eine Verbindungsstange 1814 kuppelt den Kolben 1816 an, die Kurbelwelle 1812 wird als die Gleitbewegung des Kolbens 1810 innerhalb des Zylinders 1808 die Drehung der Kurbelwelle 1812 zur Folge hat. In ähnlicherweise hat die Rotation der Kurbelwelle 1812 die Gleitbewegung des Kolbens 1810 zur Folge. Beispielsweise entspricht eine oberste Position des Kolbens 1810 im Zylinder 1808 einer oberen Totmittelpunktposition der Kurbelwelle 1812 und eine unterste Position des Kolbens 1810 im Zylinder 1808 entspricht einer unteren Totmittelposition der Kurbelwelle 1812.
Wie der Fachmann erkennt, bewegt sich der Kolben 1810 in einem konventionellen Viertaktmotorzyklus zwischen der obersten Position und der untersten Position während eines Verbrennungs- (oder Expansions-) Hubs, Ausstoßhubs, Ansaughubs, Kompressionshubs. Dabei dreht sich die Kurbelwelle 1812 aus der oberen Totpunktmittelposition zur unteren Totpunktmittelposition, während des Verbrennungshubs, von dem unteren Totpunktmittelpunkt zu dem oberen Totpunktmittelpunkt während des Ausstoßhubs, von dem oberen Totpunktmittelpunkt zum unteren Totpunktmittelpunkt während des Ansaughubs, und von dem unteren Totpunktmittelpunkt zum oberen Totpunktmittelpunkt während des Kompressionshubs. Sodann beginnt der Viertaktzyklus von neuem. Jeder Kolbenhub steht mit ungefähr 180 Grad der Kurbelwellendrehung oder dem Kurbelwinkel in Korrelation. Auf diese Weise kann der Verbrennungshub bei ungefähr 0 Grad Kurbelwellenwinkel beginnen, der Ausstoßhub bei ungefähr 180 Grad, der Ansaughub bei ungefähr 360 Grad und der Kompressionshub bei ungefähr 540 Grad.
Der Zylinder 1808 weist mindestens einen Ansaug- oder Einlassanschluss 1816 und mindestens einen Auslassanschluss 1818 auf, der dann jeder sich in eine Verbrennungskammer 1820 öffnet. Der Einlassanschluss 1816 ist mit einem Einlassdurchlass 1822 gekuppelt und der Auslassanschluss 1818 ist mit einem Auslassdurchlass 1824 gekuppelt. Der Einlass- oder Eingangsanschluss 1816 wird durch eine Einlassventilanordnung 1826 geöffnet und geschlossen und der Auslass- oder Ausgangsanschluss 1818 wird durch eine Auslassventilanordnung 1828 geöffnet und geschlossen. Die Einlassventilanordnung 1826 weist beispielsweise ein Einlassventil 1830 mit einem Kopf 1832 an einem ersten Ende 1834 auf, wobei der Kopf 1832 derart bemessen und angeordnet ist, dass der Einlassanschluss 1816 selektiv geschlossen wird. Ein zweites Ende 1836 des Einlassventils 1830 ist mit einem Kipparm 1838 oder irgendeinem anderen konventionellen Ventilbetätigungsmechanismus verbunden. Das Einlassventil 1830 ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, wobei in der ersten Position die Strömung von dem Einlassanschluss 1816 zum Eintritt in den Zylinder 1808 gestattet ist und wobei in der zweiten Position im Wesentlichen die Strömung vom Einlassanschluss 1816 zum Zylinder 1808 gesperrt oder blockiert ist. Vorzugsweise ist eine Feder 1840 um das Einlassventil 1830 herum angeordnet, um das Einlassventil 1830 in die zweite, geschlossene Position vorzuspannen.
Eine einen Nocken 1844 mit einem oder mehreren Nockenkurven 1846 tragende Nockenwelle 1842 ist derart angeordnet, dass die Einlassventilanordnung 1826 zyklisch betätigt wird und zwar basierend auf der Konfiguration des Nockens 1844, der Nockenflächen bzw. Nockenkurven 1846 und der Drehung der Kurbelwelle 1842, um so das gewünschte Einlassventiltiming bzw. dessen Zeitsteuerung zu erreichen. Die Auslassventilanordnung 1828 ist in einer Art und Weise ähnlich der Einlassventilanordnung 1826 konfiguriert und wird vorzugsweise durch eine der Nockenflächen 1846 des Nockens 1844 betätigt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Einlassnockenfläche 1846 konfiguriert zur Betätigung des Einlassventils 1830 in einem konventionellen Otto- oder Dieselzyklus, wodurch das Einlassventil 1830 sich in die zweite, geschlossene Position von zwischen ungefähr 10 Grad vor der unteren Totpunktmitte des Einlasshubs und ungefähr 10 Grad nach der unteren Totpunktmitte des Kompressionshubs bewegt. Alternativ kann die Einlassventilanordnung 1826 und/oder die Auslassventilanordnung 1828 hydraulisch, pneumatisch, elektronisch oder durch irgendeine andere Kombination aus mechanischen, hydraulischen, pneumatischen und/oder elektronischen Elementen betätigt werden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Einlassventilanordnung 1826 einen variablen Einlassventilschließmechanismus 1848 auf, und zwar strukturiert und derart angeordnet, um selektiv die zyklische Bewegung des Einlassventils 1830 zu unterbrechen und die Schließzeitsteuerung des Einlassventils 1830 zu verlängern. Der variable Einlassventilschließmechanismus 1848 kann hydraulisch, pneumatisch, mechanisch, elektronisch oder irgendeiner Kombination daraus betätigt werden. Beispielsweise kann der variable Einlassventilschließmechanismus 1848 selektiv betätigt werden, um hydraulisches Strömungsmittel oder hydraulisches Fluid beispielsweise mit einem niedrigen Druck oder einem hohen Druck zu liefern, und zwar in einer Art und Weise zum Widerstehen des Schließens des Einlassventils 1830 durch die Vorspannung der Feder 1840. D.h., nachdem dass Einlassventil 1830 angehoben, d.h. geöffnet ist, und zwar durch den Nocken 1844, und dann, wenn der Nocken 1844 nicht mehr das Einlassventil 1830 offen hält, kann er das hydraulische Strömungsmittel, das Einlassventil 1830 für eine gewünschte Periode oder Soll-Periode offenhalten. Die gewünschte oder Soll-Periode kann sich ändern abhängig von der gewünschten oder Soll-Performance des Motors 1802. Auf diese Weise ermöglicht der variable Einlassventilschließmechanismus 1848 dem Motor 1802 gemäß einem konventionellen Otto- oder Dieselzyklus zu arbeiten, oder aber gemäß einem variablen spätschließenden Miller-Zyklus. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das Einlassventil 1830 durch ein nockenloses System (nicht gezeigt) gesteuert werden, und zwar beispielsweise durch ein elektro-hydraulisches System, wie dies im Stand der Technik wohl bekannt ist.
Wie in 19 gezeigt, kann das Einlassventil 1830 bei ungefähr 360 Grad Kurbelwinkel anfangen sich zu öffnen, d.h. dann, wenn die Kurbelwelle 1812 sich an oder nahe der oberen Totpunktmittelposition eines Einlasshubs 1906 befindet. Das Schließen des Einlassventils 1830 kann selektiv von ungefähr 540 Grad Kurbelwinkel verändert werden, d.h. dann, wenn die Kurbelwelle 1812 sich an oder nahe Ihrer unteren Totpunktmittelposition eines Kompressionshubs 1907 befindet, und zwar bis ungefähr 650 Grad Kurbelwinkel, d.h. ungefähr 70 Grad vor der oberen Mitte des Verbrennungshubs. Auf diese Weise kann das Einlassventil 1830 für den größten Teil des Kompressionshubs 1907 offen gehalten werden, d.h. wäh rend der ersten Hälfte des Kompressionshubs 1907 und einen Teil der zweiten Hälfte des Kompressionshubs 1907.
Eine Steuervorrichtung 1850, beispielsweise ein elektronisches Steuermodul (ECM) kann elektrisch mit dem variablen Einlassventilschließmechanismus 1848 verbunden werden. Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung 1850 konfiguriert zur Steuerung des Betriebs des variablen Einlassventilschließmechanismus 1848 basierend auf einem oder mehreren Motorbedingungen oder -zuständen, beispielsweise der Motordrehzahl, der Last, dem Druck und/oder Temperatur, um so eine gewünschte oder Soll-Motorperformance zu erreichen. Es sei bemerkt, dass die Funktionen der Steuer- oder Regelvorrichtung 1850 durch eine einzige oder durch eine Vielzahl von Steuer- bzw. Regelvorrichtungen ausgeführt werden können.
Wiederum auf 1 bezugnehmend sei bemerkt, dass bei einigen der Betriebsbedingungen, wie beispielsweise beim Starten des Motors und beim Betrieb mit leichter Last es zweckmäßig sein kann, den Motor 102 unter Verwendung eines Funkenzündsystems (nicht gezeigt) zu betreiben, was im Stand der Technik bekannt ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Als ein Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung sei auf die 20 Bezug genommen, in der ein Flussdiagramm gezeigt ist, welches ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressionszündungsmotors 102 veranschaulicht, der eine Zylinderwand 120, einen Kolben 130 und einen Kopf 122 aufweist, die eine Verbrennungskammer 138 definieren.
In einem ersten Steuerblock 2002 wird Kraftstoff an die Verbrennungskammer 138 geliefert, so dass der Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig durch die Verbrennungskammer 138 hindurch verteilt wird und zwar beabstandet von der Zylinderwand 120. Insbesondere wird der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer 138 verteilt, um einen im Wesentlichen homogene Verteilung vorzusehen, wobei jedoch die Kraftstoffverteilung derart gesteuert wird, dass der Kraftstoff nicht auf die Zylinderwand 120 auftrifft, was eine Kraftstoffkondensation und darauffolgende Verschlechterung des Schmieröls in dem Motor 102 zur Folge haben würde.
In einem zweiten Steuerblock 2004 wird hinreichend Oxidationsmittel an die Verbrennungskammer 138 geliefert, um die Verbrennung einer ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer zu unterhalten. Typischerweise weist das Oxidationsmittel einen Vorrat oder Versorgung an frischer Luft auf, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Das Oxidationsmittel könnte jedoch auch mindestens teilweise eine Lieferung von Sauerstoff sein, und zwar erhalten durch Mittel, wie beispielsweise die Verwendung der Membrantechnologie, wie dies oben beschrieben wurde.
In einem dritten Steuerblock 2006 wird ein Vorrat an Verdünnungsmittel an die Verbrennungskammer 138 geliefert und zwar ausreichend zur Veränderung der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer auf eine zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer. Vorzugsweise unterscheidet sich die zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer von der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer. Beispielsweise kann die zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer größer sein als die erste vorbestimmte Verbrennungsdauer derart, dass die Verbrennung über eine längere Zeitperiode hinweg gesteuert wird.
Das Verdünnungsmittel kann EGR; Luft, ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff und dergleichen sein. Beispielsweise, wie oben beschrieben, kann das Verdünnungsmittel ein Gas sein, welches bis zu 40 bis 60% EGR enthält. Als ein weiteres Beispiel sei bemerkt, dass das Verdünnungsmittel eine Stickstoffmenge enthalten kann, und zwar enthalten durch Mittel, wie beispielsweise die oben beschriebene Membrantechnologie. Das Verdünnungsmittel kann eine Kombination von Gasen umfassen.
In Kombination mit der Verbrennungsdauer die durch die Zugabe des Verdünnungsmittels geändert wird, kann das Verdünnungsmittel auch dazu dienen, die erste vorbestimmte Druckanstiegsrate in der Verbrennungskammer 138 auf eine zweite vorbestimmte Druckanstiegsrate zu verändern. Beispielsweise kann die Druckanstiegsrate während der Verbrennung von der Zugabe des Verdünnungsmittels abnehmen. Wie oben beschrieben, dient 7 zur Veranschaulichung der Änderung sowohl der Verbrennungsdauer als auch der Verbrennungsdruckanstiegsrate (und des Spitzendruckes) durch die Zugabe eines Verdünnungsmittels.
Andere Aspekte der Erfindung erhält man aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung sowie der beigefügten Ansprüche.

Claims

Ein Verfahren zum Betrieb eines kompressionsgezündeten Motors (102, 1204, 1704, 1802) mit einer Zylinderwand (120) einem Kolben (130, 1810) und einem Kopf (122, 1804) die eine Verbrennungskammer (138, 1820) definieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Lieferung von Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer (138, 1820), wobei der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer (138, 1820 ) verteilt wird und von der Zylinderwand beabstandet ist; Lieferung eines Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer (138, 1820) ausreichend zur Unterstützung der Verbrennung mit einer ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer; und Lieferung eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer (138, 1820) ausreichend zur Änderung der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer auf eine zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer unterschiedlich von der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lieferung des Kraftstoffs im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer (138, 1820) den Schritt des Einspritzens von Kraftstoff in mindestens einem Muster umfasst, und zwar anzeigend einen gewünschten oder Soll-Winkel, der Dispersion oder Verteilung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lieferung des Kraftstoffs im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer (138, 1820) den Schritt des Lieferns des Brennstoffs in die Verbrennungskammer (138, 1820) im Bereich von ungefähr 50 Grad vor der oberen Totpunktmitte bis ungefähr 180 Grad vor der oberen Totpunktmitte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kraftstofflieferung im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer (138, 1820) den folgenden Schritt umfasst: Lieferung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer (138, 1820) im Bereich von ungefähr 60 Grad vor der oberen Totpunktmitte bis ungefähr 70 Grad vor der oberen Totpunktmitte.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lieferung des Oxidationsmittels den folgenden Schritt umfasst: Lieferung einer Menge von frischer Luft und/oder Sauerstoff in die Verbrennungskammer (138, 1820).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lieferung eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer (138, 1820) den folgenden Schritt umfasst: Lieferung eines Verdünnungsmittels, welches Folgendes aufweist: Luft und/oder Stickstoff und/oder rezirkuliertes Abgas.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Lieferung eines Verdünnungsmittels, welches mindestens einen Anteil von rezirkulierten Abgas aufweist, den folgenden Schritt umfasst: Liefern eines Verdünnungsmittels, welches rezirkuliertes Gas von ungefähr 40 bis ungefähr 60% der Gesamtmenge des Abgases besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lieferung eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer (138, 1820) den folgenden Schritt umfasst: Liefern eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer (138, 1820) ausreichend für Änderung einer ersten vorbestimmten Druckanstiegsrate auf eine zweite vorbestimmte Druckanstiegsrate unterschiedlich von der ersten Druckanstiegsrate.
Vorrichtung (100) zum Betrieb eines Kompressionszündmotors (102, 1204, 1704, 1802) mit einer Zylinderwand (120), einem Kolben (130, 1810) und einem Kopf (122, 1804), wobei eine Verbrennungskammer (138, 1820) definiert wird, und wobei Folgendes vorgesehen ist: Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (156) mit einer Düse (154) positioniert zum Einspritzen von Kraftstoff in einem verteilten Muster durch die Verbrennungskammer (138, 1820) hindurch und beabstandet von der Zylinderwand (120); und ein Luftversorgungssystem (1202, 1303, 1402) zur Lieferung eines Oxidationsmittels und/oder eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer (138, 1820).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse (154) eine Vielzahl von Löchern (401) aufweist, die derart konfiguriert oder ausgebildet sind, um eine im Wesentlichen homogene Verteilung des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer (138, 1820) derart zu erreichen, dass der Kraftstoff nicht auf die Zylinderwand (120) auftrifft.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei das Luftversorgungssystem (1202, 1302, 1402) derart konfiguriert ist, dass ein Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer (138, 1820) geliefert wird und zwar ausreichend um die Verbrennung mit einer ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer und mit einer ersten vorbestimmten Druckanstiegsrate zu unterhalten.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei das Luftversorgungssystem (1202, 1302, 1402) derart konfiguriert ist, dass ein Verdünnungsmittel in die Verbrennungskammer (138, 1820) geliefert wird, und zwar ausreichend um die erste vorbestimmte Verbrennungsdauer auf eine zweite erhöhte vorbestimmte Verbrennungsdauer zu ändern, und um die erste vorbestimmte Druckanstiegsrate auf eine zweite Druckanstiegsrate zu verändern.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei das Luftversorgungssystem (1202, 1302, 1402) Folgendes aufweist: eine Luftquelle (108, 1248, 1320, 1424, 1732); und ein Turboladersystem (208, 1214, 1216, 1304, 1404, 1710) zum Empfang von Luft von einer Luftquelle (108, 1248, 1320, 1424, 1732) und zum Liefern des Oxidationsmittels und/oder des Verdünnungsmittels mit Verstärkungsdrücken ausreichend um eine im Wesentlichen homogene Verbrennung zu erreichen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei der hinreichende Verstärkungsdruck mindestens ungefähr ein 4 zu 1 Verhältnis ist
Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei das Luftversorgungssystem (108, 1248, 1320, 1424, 1732) eine Einlasslufttrennsystem (1702) aufweist, um eine Versorgung an Luft zu empfangen und darauf ansprechend eine Lieferung von Sauerstoff und Stickstoff als ein entsprechendes Oxidationsmittel bzw. Verdünnungsmittel vorzusehen.