DE10394147T5 - Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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Gerald N. Dunlap Coleman
Kevin P. East Peoria Duffy
Stephen A. Peoria Faulkner
Eric C. Dunlap Fluga
Jonathan P. Peoria Kilkenny
Scott A. Eureka Leman
Cornelius N. Peoria Opris
Maarten Metamora Verkiel
James R. Lacon Weber
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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (110), der mindestens einen Zylinder (112) und einen Kolben (212) aufweist, der in den Zylinder (112) verschiebbar ist, wobei das Verfahren folgendes aufweist:
Lieferung einer Mischung von unter Druck gesetzter Luft und rückzirkulierten Abgas von einer Einlasssammelleitung (114) zu einem Lufteinlassanschluss (208) einer Brennkammer (206) im Zylinder (112); selektive Betätigung eines Lufteinlassventils (218), um den Lufteinlassanschluss (208) zu öffnen, um zu gestatten, dass die Mischung aus unter Druck gesetzter Luft und Abgas zwischen der Brennkammer (206) und der Einlasssammelleitung (114) im Wesentlichen während eines Hauptteils eines Kompressionshubes des Kolbens (212) fließt; und
betriebsmäßige Steuerung eines Brennstoffversorgungssystems (202), um Brennstoff in die Brennkammer (206) einzuspritzen, nachdem das Einlassventil (218) geschlossen ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein Luft- und Brennstoffversorgungssystem zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor.
  • Hintergrund
  • Ein Verbrennungsmotor kann einen oder mehrere Turbolader aufweisen, um ein Strömungsmittel zu komprimieren, welches zu einer oder zu mehreren Brennkammern in entsprechenden Verbrennungszylindern geliefert wird. Jeder Turbolader weist typischerweise eine Turbine auf, die von Abgasen des Motors betrieben wird, und einen Kompressor, der von der Turbine angetrieben wird. Der Kompressor nimmt das zu komprimierende Strömungsmittel auf und liefert das komprimierte Strömungsmittel zu den Brennkammern. Das Strömungsmittel, das vom Kompressor komprimiert wird, kann in Form von Verbrennungsluft oder einer Luft-Brennstoff-Mischung vorliegen.
  • Ein Verbrennungsmotor kann auch einen Superlader aufweisen, der in Reihe mit einem Turboladerkompressor eines Motors angeordnet ist. Das US-Patent 6 273 076 (Beck u. a., ausgegeben am 14. August 2001) offenbart einen Superlader mit einer Turbine, die einen Kompressor antreibt, um den Druck der Luft zu steigern, die in einem Turboladerkompressor eines Motors fließt. In manchen Situationen kann die Luftladungstemperatur unter die Umgebungslufttemperatur durch ein frühes schließen des Einlassventils reduziert werden.
  • Ein frühes oder spätes schließen des Einlassventils, was als der "Miller-Zyklus" bezeichnet wird, kann das effektive Verdichtungsverhältnis des Zylinders reduzieren, was wiederum die Verbrennungstemperatur reduziert, während ein hohes Expansionsverhältnis beibehalten wird. Folglich kann ein Motor mit Miller-Zyklus einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und reduzierte Abgasemissionen beispielsweise von Stickoxiden (NOx) haben. Reduzierte NOx-Emissionen sind wünschenswert. In einem herkömmlichen Motor mit Miller-Zyklus ist der Zeitpunkt des Verschlusses der Einlassventile typischerweise geringfügig gegenüber dem des typischen Motors mit Otto-Zyklus nach vorne oder hinten verschoben. Beispielsweise kann bei dem Motor mit Miller-Zyklus das Einlassventil bis zum Beginn des Kompressionshubes offen bleiben.
  • Während ein Turbolader eine gewisse Energie aus dem Motorabgas verwenden kann, verwendet die Anordnung von Superlader und Turbolader in Reihe keine Energie aus dem Abgas aus dem Turbolader. Weiterhin erfordert der Superlader bzw. Kompressor eine zusätzliche Energiequelle.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vorgesehen, der mindestens einen Zylinder und einen Kolben aufweist, der in dem Zylinder verschiebbar ist. Das Verfahren kann das liefern einer Mischung von unter Druck gesetzter Luft und von rückzirkuliertem Abgas von einer Einlasssammelleitung zu einem Lufteinlassanschluss einer Brennkammer in dem Zylinder aufweisen, die selektive Betätigung eines Lufteinlassventils, um den Lufteinlassanschluss zu öffnen, um zu gestatten, dass unter Druck gesetzte Luft zwischen der Brennkammer und der Einlasssammelleitung im Wesentlichen während eines Hauptteils eines Kompressionshubes des Kolbens fließt, und betriebsmäßig ein Brennstoffversorgungssystem zu steuern, um Brennstoff in die Brennkammer einzuspritzen, nachdem das Einlassventil geschlossen ist.
  • Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt der Erfindung kann ein Verbrennungsmotor mit variablem Kompressionsverhältnis einen Motorblock aufweisen, der mindestens einen Zylinder definiert, einen Kopf, der mit dem Motorblock verbunden ist, wobei der Kopf einen Lufteinlassanschluss und einen Auslassanschluss aufweist, und einen Kolben, der in jedem Zylinder verschiebbar ist. Eine Brennkammer kann durch den Kopf, den Kolben und dem Zylinder definiert werden. Der Motor kann ein Lufteinlassventil aufweisen, dass steuerbar bewegbar ist, um den Lufteinlassanschluss zu schließen, ein Luftversorgungssystem, welches mindestens einen Turbolader aufweist, der strömungsmittelmäßig mit dem Lufteinlassanschluss verbunden ist, ein Abgasrückzirkulationssystem, das betreibbar ist, um einen Teil des Abgases aus dem Auslassanschluss in das Luftversorgungssystem zu liefern, und ein Brennstoffversorgungssystem, dass betreibbar ist, um steuerbar Brennstoff in die Brennkammer zu einem ausgewählten Zeitpunkt einzuspritzen. Ein variabler Einlassventilverschlussmechanismus kann konfiguriert sein, um das Einlassventil durch selektive Betätigung des variablem Einlassventilverschlussmechanismus offen zu halten.
  • Gemäß noch einem weiteren beispielhaften Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einem variablem Kompressionsverhältnis vorgesehen. Der Motor kann einen Block besitzen, der einen Zylinder definiert, weiter einen Kolben, der verschiebbar im Zylinder ist, einen Kopf, der mit dem Block verbunden ist, und wobei der Kolben, der Zylinder und der Kopf eine Brennkammer definieren. Das Verfahren kann aufweisen, eine Mischung aus Luft und Abgas unter Druck zu setzen, die Luft zu einer Einlasssammelleitung zu liefern, eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Brennkammer und der Einlasssammelleitung während eines Teils eines Einlasshubes und während eines vorbestimmten Teils eines Kompressionshubes zu halten, und unter Druck gesetzten Brennstoff direkt zur Brennkammer während eines Teils eines Verbrennungshubes zu liefern.
  • Es sei bemerkt, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklä rend sind, und nicht die Erfindung einschränken.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:
  • 1 ist eine Kombination einer diagrammartigen und einer schematischen Veranschaulichung eines beispielhaften Luftversorgungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung;
  • 2 ist eine kombinierte diagrammartige und schematische Darstellung eines beispielhaften Motorzylinders gemäß der Erfindung;
  • 3 ist eine diagrammartige Schnittansicht eines beispielhaften Motorzylinders der 2;
  • 4 ist eine Kurvendarstellung, die eine beispielhafte Einlassventilbetätigung als eine Funktion des Motorkurbelwellenwinkels gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 5 ist eine Kurvendarstellung, die eine beispielhafte Brennstoffeinspritzung als eine Funktion des Motorkurbelwellenwinkels gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 6 ist eine Kombination einer diagrammartigen und einer schematischen Darstellung eines weiteren beispielhaften Luftversorgungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung;
  • 7 ist eine Kombination einer diagrammartigen und einer schematischen Darstellung von noch einem weiteren beispielhaften Luftversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung; und
  • 8 ist eine Kombination einer diagrammartigen und einer schema tischen Darstellung eines beispielhaften Abgasrückzirkulationssystems, das als ein Teil eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung vorgesehen ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es wird nun im Detail auf Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen verwendet, um sich auf dieselben Teile oder auf gleiche Teile zu beziehen.
  • Mit Bezug auf 1 ist ein beispielhaftes Luftversorgungssystem 100 für einen Verbrennungsmotor 110 vorgesehen, beispielsweise für einen Vier-Takt-Dieselmotor. Der Verbrennungsmotor 110 weist einen Motorblock 111 auf, der eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 112 definiert, deren Anzahl von der speziellen Anwendung abhängt. Beispielsweise würde ein Vier-Zylinder-Motor vier Verbrennungszylinder aufweisen, ein Sechs-Zylinder-Motor würde sechs Verbrennungszylinder aufweisen usw. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel der 1 sind sechs Verbrennungszylinder 112 gezeigt. Es sei bemerkt, dass der Motor 110 irgend eine andere Bauart eines Verbrennungsmotors sein kann, beispielsweise ein Benzinmotor oder ein Erdgasmotor.
  • Der Verbrennungsmotor 110 weist auch ein Einlasssammelleitung 114 und eine Auslasssammelleitung 116 auf. Die Einlasssammelleitung 114 liefert ein Strömungsmittel, beispielsweise Luft oder eine Brennstoff-Luft-Mischung zu den Verbrennungszylindern 112. Die Auslasssammelleitung 116 nimmt Auslassströmungsmittel, beispielsweise Abgas, von den Verbrennungszylindern 112 auf. Die Einlasssammelleitung 114 und die Auslasssammelleitung 116 sind in den Zeichnungen zur Vereinfachung als eine Konstruktion aus einem einzigen Teile gezeigt. Es sei jedoch bemerkt, dass die Einlasssammelleitung 114 und/oder die Auslasssammelleitung 116 als mehrteilige Sammellei tungen aufgebaut sein könnten, und zwar abhängig von der speziellen Anwendung.
  • Das Luftversorgungssystem 100 weist einen ersten Turbolader 120 auf und kann einen zweiten Turbolader 140 aufweisen. Die ersten und zweiten Turbolader 120, 140 können in Reihe nacheinander angeordnet sein, so dass der zweite Turbolader 140 eine erste Kompressionsstufe vorsieht, und dass der erste Turbolader 120 eine zweite Kompressionsstufe bietet. Beispielsweise kann der zweite Turbolader 140 ein Niederdruck-Turbolader sein, und der erste Turbolader 120 kann ein Hochdruck-Turbolader sein. Der erste Turbolader 120 weist eine Turbine 122 und einen Kompressor 124 auf. Die Turbine 122 ist strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung 116 über eine Auslassleitung 126 verbunden. Die Turbine 122 weist ein Turbinenrad 128 auf, das von einer Welle 130 getragen wird, die wiederum drehbar von einem Gehäuse 132 getragen wird, beispielsweise von einem einteiligen oder mehrteiligen Gehäuse. Der Strömungsmittelflusspfad von der Auslasssammelleitung 116 zur Turbine 122 kann eine (nicht gezeigte) variable Düse oder eine andere Anordnung mit variabler Geometrie aufweisen, die geeignet ist, um die Geschwindigkeit des Auslassströmungsmittels zu steuern, das auf das Turbinenrad 128 auftrifft.
  • Der Kompressor 124 weist ein Kompressorrad 134 auf, das von der Welle 130 getragen wird. Somit kann die Drehung der Welle 130 durch das Turbinenrad 128 wiederum eine Drehung des Kompressorrades 134 bewirken.
  • Der erste Turbolader 120 kann eine Leitung 138 für komprimierte Luft aufweisen, um komprimierte Luft vom zweite Turbolader 140 aufzunehmen, und eine Luftauslassleitung 152, um komprimierte Luft vom Kompressor 124 aufzunehmen, und um die komprimierte Luft zur Einlasssammelleitung 114 des Motors 110 zu liefern. Der ersten Turbolader 120 kann auch eine Auslassleitung 139 aufweisen, um Abgasströmungsmittel bzw. Auslassströmungsmittels von der Turbine 122 aufzunehmen und das Auslassströmungsmittel zum zweite Turbolader 140 zu liefern.
  • Der zweite Turbolader 140 kann eine Turbine 142 und einen Kompressor 144 aufweisen. Die Turbine 142 kann strömungsmittelmäßig mit der Auslassleitung 139 verbunden sein. Die Turbine 142 kann ein Turbinenrad 146 aufweisen, das von einer Welle 148 getragen wird, die wiederum drehbar von dem Gehäuse 132 getragen werden kann. Der Kompressor 144 kann ein Kompressorrad 150 aufweisen, das von der Welle 148 getragen wird. Somit kann die Drehung der Welle 148 durch das Turbinenrad 146 wiederum eine Drehung des Kompressorrades 150 bewirken.
  • Der zweite Turbolader 140 kann eine Lufteinlassleitung 136 aufweisen, die eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Atmosphäre und dem Kompressor 144 vorsieht. Der zweite Turbolader 140 kann auch komprimierte Luft zum ersten Turbolader 120 über die Leitung 138 für komprimierte Luft liefern. Der zweite Turbolader 140 kann einen Abgasauslass 154 aufweisen, um Auslassströmungsmittel von der Turbine 142 aufzunehmen und eine Strömungsmittelverbindung mit der Atmosphäre vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel können der erste Turbolader 120 und der zweite Turbolader 140 bemessen sein, um im Wesentlichen ähnliche Verdichtungsverhältnisse vorzusehen. Beispielsweise können der erste Turbolader 120 und der zweite Turbolader 140 beide Kompressionsverhältnisse zwischen 2:1 und 3:1 vorsehen, was ein Kompressionsverhältnisse des Systems von mindestens 4:1 im Verhältnis zum Atmosphärendruck zur Folge hat.
  • Das Luftversorgungssystem 100 kann einen Luftkühler 156 aufweisen, beispielsweise einen Nachkühler, und zwar zwischen dem Kompressor 124 und der Einlasssammelleitung 114. Der Luftkühler 156 kann Wärme aus der Luft extrahieren, um die Einlasssammelleitungstemperatur abzusenken und die Dichte der Luft zu steigern. Optional kann das Luftversorgungssystem 100 einen zusätzlichen Luftkühler 158 aufweisen, beispielsweise einen Zwischenkühler, und zwar zwischen dem Kompressor 144 des zweiten Turboladers 140 und dem Kompressor 124 des ersten Turboladers 120 die Zwischenkühlung kann Techniken verwenden, wie beispielsweise Mantelwasser, Luft-Luft usw. Alternativ kann das Luftversorgungssystem 100 optional einen (nicht gezeigten) zusätzlichen Luftkühler zwischen den Luftkühler 156 und der Einlasssammelleitung 114 aufweisen. Der optionale zusätzliche Luftkühler kann weiter die Einlasssammelleitungstemperatur reduzieren. Ein (nicht gezeigter) Mantelwasservorkühler kann verwendet werden, um den Luftkühler 156 zu schützen.
  • Mit Bezug auf 2 kann ein Zylinderkopf 211 mit dem Motorblock 111 verbunden sein. Jeder Zylinder 112 im Zylinderkopf 211 kann mit einem Brennstoffversorgungssystem 202 versehen sein. Das Brennstoffversorgungssystem 202 kann einen Brennstoffanschluss 204 aufweisen, der sich in einer Brennkammer 206 innerhalb des Zylinders 112 öffnet. Das Brennstoffversorgungssystem 202 kann Brennstoff, beispielsweise Dieselbrennstoff, direkt in die Brennkammer 206 einspritzen.
  • Der Zylinder 112 kann einen Kolben 212 enthalten, der in dem Zylinder verschiebbar bewegbar ist. Eine Kurbelwelle 213 kann drehbar in dem Motorblock 111 angeordnet sein. Eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 215 kann den Kolben 212 mit der Kurbelwelle 213 koppeln, so dass eine Gleitbewegung des Kolbens 212 innerhalb des Zylinders 112 eine Drehung der Kurbelwelle 213 zur Folge hat. In ähnlicher Weise hat die Drehung der Kurbelwelle 213 eine Gleitbewegung des Kolbens 212 zur Folge. Beispielsweise entspricht eine oberste Position des Kolbens 212 im Zylinder 112 einer oberen Totpunktposition der Kurbelwelle 213, und eine untersten Position des Kolbens 212 im Zylinder 112 entspricht einer unteren Totpunktposition der Kurbelwelle 213.
  • Wie der Fachmann erkennen wird, bewegt sich der Kolben 212 in einem herkömmlichen Vier-Takt-Motorzyklus zwischen der obersten Position und der untersten Position während eines Verbrennungshubes (oder Expansionhubes), eines Auslasshubes, eines Einlasshubes und eines Kompressionshubes. In der Zwischenzeit dreht sich die Kurbelwelle 213 von der oberen Totpunktposition zur unteren Totpunktposition während des Verbrennungs hubes, von der unteren Totpunktposition zur oberen Totpunktposition während des Auslasshubes, von der oberen Totpunktposition zur unteren Totpunktposition während des Einlasshubes und von der unteren Totpunktposition zur oberen Totpunktposition während des Kompressionshubes bzw. Verdichtungshubes. Dann beginnt der Vier-Takt-Zyklus wieder. Jeder Kolbenhub entspricht ungefähr 180° der Kurbelwellendrehung oder Kurbelwellenwinkel. Somit kann der Kompressionshub bei ungefähr 0° Kurbelwellenwinkel beginnen, der Auslasshub kann bei ungefähr 180° beginnen, der Einlasshub bei ungefähr 360° und der Kompressionshub bei ungefähr 540° .
  • Der Zylinder 112 kann mindestens einen Einlassanschluss 208 und mindestens einen Auslassanschluss 210 aufweisen, die sich jeweils in die Brennkammer 260 öffnen. Der Einlassanschluss 208 kann durch eine Einlassventilanordnung 214 geöffnet und geschlossen werden, und der Auslassanschluss 210 kann durch eine Auslassventilanordnung 216 geöffnet und geschlossen werden. Die Einlassventilanordnung 214 kann beispielsweise ein Einlassventil 218 aufweisen, welches einen Kopf 220 an einem ersten Ende 222 besitzt, wobei der Kopf 220 bemessen und angeordnet ist, um selektiv den Einlassanschluss 208 zu schließen. Das zweite Ende 224 des Einlassventils 218 kann mit einem Kipphebel 226 oder mit einem anderen herkömmlichen Ventilbetätigungsmechanismus verbunden sein. Das Einlassventil 218 kann bewegbar sein zwischen einer ersten Position, die es einem Fluss von der Einlasssammelleitung 114 gestattet, in dem Verbrennungszylinder 112 einzutreten, und einer zweiten Position, die im Wesentlichen den Fluss von der Einlasssammelleitung 114 zum Verbrennungszylinder 112 blockiert. Eine Feder 228 kann um das Einlassventil 218 herum angeordnet sein, um das Einlassventil 218 in die zweite geschlossene Position vorzuspannen.
  • Eine Nockenwelle 232, die eine Nocke 234 mit einem oder mehreren Ansätzen 236 trägt, kann angeordnet sein, um die Einlassventilanordnung 214 zyklisch basierend auf der Konfiguration der Nocke 234, der Ansätze 236 und der Drehung der Nockenwelle 232 zu betätigen, um eine erwünschte Einlassventilzeitsteuerung zu erreichen. Die Auslassventilanordnung 216 kann in ähnlicher Weise wie die Einlassventilanordnung 214 konfiguriert sein und kann durch einen der Ansätze 236 der Nocke 234 betätigt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann der Einlassansatz 236 konfiguriert sein, um das Einlassventil 218 in einem herkömmlichen Otto- oder Dieselzyklus zu betätigen, wodurch das Einlassventil 218 sich in die zweite Position zwischen ungefähr 10° vor dem oberen Totpunkt des Einlasshubes und ungefähr 10° nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes bewegt. Alternativ können die Einlassventilanordnung 214 und/oder die Auslassventilanordnung 216 hydraulisch, pneumatisch, elektronisch oder in irgendeiner Kombination von mechanischer, hydraulischer, pneumatischer und/oder elektronischer Betätigung betätigt werden.
  • Die Einlassventilanordnung 214 kann einen variablen Einlassventilverschlussmechanismus 238 aufweisen, der strukturiert und angeordnet ist, um selektiv die zyklische Bewegung des Einlassventils 218 zu unterbrechen und die Verschlusszeit des Einlassventils auszudehnen. Der variable Einlassventilverschlussmechanismus 238 kann hydraulisch, pneumatische, elektronisch, mechanisch oder in irgendeiner Kombination davon betätigt werden. Beispielsweise kann der variable Einlassventilverschlussmechanismus 238 selektiv betätigt werden, um hydraulisches Strömungsmittel beispielsweise auf einen niedrigen Druck oder einem hohen Druck in einer Weise zu liefern, um dem Verschluss des Einlassventils 218 durch die Vorspannung der Feder 228 Widerstand zu bieten. Das heißt, nachdem das Einlassventil 218 angehoben ist, das heißt durch die Nocke 234 geöffnet ist, und wenn die Nocke 234 nicht länger das Einlassventil 218 offen hält, dann kann das hydraulische Strömungsmittel das Einlassventil 218 für eine erwünschte Periode offen halten. Die erwünschte Periode kann sich abhängig von der erwünschten Leistung des Motors 110 verändern. Somit ermöglicht der variable Einlassventilverschlussmechanismus 238, dass der Motor 110 in einem herkömmlichen Otto- oder Dieselzyklus oder in einem Miller-Zyklus mit variablem späten Verschluss betätigt wird.
  • Wie in 4 gezeigt, kann das Einlassventil 218 beginnen, sich bei einem Kurbelwellenwinkel von ungefähr 360° zu öffnen, das heißt, wenn die Kurbelwelle 213 auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Einlasshubes 406 ist. Das Schließen des Einlassventils 218 kann selektiv von ungefähr 540° Kurbelwellenwinkel, das heißt, wenn die Kurbelwelle auf oder nahe der unteren Totpunktposition eines Kompressionshubes 407 ist, bis ungefähr 650° Kurbelwellenwinkel variiert werden, das heißt bis ungefähr 70° vor dem oberen Totpunkt des Verbrennungshubes 508. Somit kann das Einlassventil 218 während einem großen Teil des Kompressionshubes 407 offen gehalten werden, d. h., während der ersten Hälfte des Kompressionshubes 407 und eines Teils der zweiten Hälfte des Kompressionshubes 407.
  • Das Brennstoffversorgungssystem 202 kann eine Brennstoffeinspritzanordnung 240 aufweisen, beispielsweise eine mechanisch betätigte elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit in Strömungsmittelverbindung mit einer gemeinsamen Brennstoffdruckleitung bzw. Common-Rail 242. Alternativ kann die Brennstoffeinspritzanordnung 240 irgend eine Common-Rail-Einspritzvorrichtung sein und kann hydraulisch, mechanisch, elektrisch, piezoelektrisch oder in irgendeiner Kombination davon betätigt werden. Die Brennstoff-Common-Rail 242 liefert Brennstoff zur Brennstoffeinspritzanordnung 240, die mit jedem Zylinder 112 assoziiert ist. Die Brennstoffeinspritzanordnung 240 kann Brennstoff in den Zylinder 112 über den Brennstoff Anschluss 204 entsprechend einem erwünschten Zeitplan einspritzen oder in anderer Weise einsprühen.
  • Eine Steuervorrichtung 244 kann elektrisch mit dem variablem Einlassventilverschlussmechanismus 238 und/oder der Brennstoffeinspritzanordnung 240 verbunden sein. Die Steuervorrichtung 244 kann konfiguriert sein, um den Betrieb des variablen Einlassventilverschlussmechanismus 238 und/oder der Brennstoffeinspritzanordnung 240 basierend auf einer oder mehreren Motorbedingungen zu steuern, beispielsweise der Motordrehzahl, der Belastung, dem Druck und/oder der Temperatur, um eine erwünschte Motorleistung zu erreichen. Es sei bemerkt, dass die Funktionen der Steuervorrichtung 244 durch eine einzige Steuervorrichtung oder eine Vielzahl von Steuervorrichtungen ausgeführt werden können. In ähnlicher Weise kann eine Zündzeitsteuerung in einem Erdgasmotor eine ähnliche Funktion einer Brennstoffeinspritzvorrichtungszeitsteuerung eines kompressionsgezündeten Motors bieten.
  • Mit Bezug auf 3 kann jede Brennstoffeinspritzanordnung 240 mit einem Einspritzvorrichtungskipphebel 250 assoziiert sein, der schwenkbar mit einem Kipphebel 252 gekoppelt ist. Jede Brennstoffeinspritzanordnung 240 kann einen Einspritzvorrichtungskörper 254, einen Elektromagneten 256, eine Stößelanordnung 258 und eine Einspritzvorrichtungsspitzenanordnung 260 aufweisen. Ein erstes Ende 262 des Einspritzvorrichtungskipphebels 250 kann betriebsmäßig mit der Stößelanordnung 258 gekoppelt sein. Die Stößelanordnung 258 kann durch eine Feder 259 zum ersten Ende 262 des Einspritzvorrichtungskipphebels 250 in der allgemeinen Richtung des Pfeils 296 vorgespannt sein.
  • Ein zweites Ende 264 des Einspritzvorrichtungskipphebels 250 kann betriebsmäßig mit einer Nockenwelle 266 gekoppelt sein. Insbesondere kann die Nockenwelle 266 einen Nockenansatz 267 mit einem ersten Vorsprung 268 und einem zweiten Vorsprung 270 aufweisen. Die Nockenwellen 232, 266 und ihre jeweiligen Ansätze 236, 267 können zu einer (nicht gezeigten) einzelnen Nockenwelle kombiniert werden, falls erwünscht. Die Vorsprünge 268, 270 können in Kontakt und außer Kontakt zu dem zweiten Ende 264 des Einspritzvorrichtungskipphebels 250 während der Drehung der Nockenwelle 266 bewegt werden. Die Vorsprünge 268, 270 können so strukturiert und angeordnet sein, dass der zweite Vorsprung 270 eine Pilot- bzw. Voreinspritzung des Brennstoffes bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel vorsehen kann, bevor der erste Vorsprungs 268 eine Haupteinspritzung des Brennstoffes vorsieht. Es sei bemerkt, dass der Nockenansatz 267 nur einen ersten Ansatz 268 haben kann, der den gesamten Brennstoff pro Zyklus einspritzt.
  • Wenn einer der Vorsprünge 268, 270 in Kontakt mit dem Einspritzvorrichtungskipphebel 250 gedreht wird, wird das zweite Ende 264 des Einspritzvorrichtungskipphebels 250 in die allgemeine Richtung des Pfeils 296 gedrückt. Wenn das zweite Ende 264 in die allgemeine Richtung des Pfeils 296 gedrückt wird, schwenkt der Kipphebel 250 um die Kipphebelwelle 252, wodurch bewirkt wird, dass das zweite Ende 262 in die allgemeine Richtung des Pfeils 298 gedrückt wird. Die Kraft, die durch die Vorsprünge 268, 270 auf das zweite Ende 264 ausgeübt wird, hat eine größere Größe als die Vorspannung, die von der Feder 259 erzeugt wird, wodurch verursacht wird, dass die Stößelanordnung 258 genauso in die allgemeine Richtung des Pfeils 298 gedrückt wird. Wenn die Nockenwelle 266 über die maximale Höhe der Vorsprünge 268, 270 gedreht wird, drückt die Vorspannung der Feder 259 die Stößelanordnung 258 in die allgemeine Richtung des Pfeils 296. Wenn die Stößelanordnung 258 in die allgemeine Richtung des Pfeils 296 gedrückt wird, wird das erste Ende 262 des Einspritzvorrichtungskipphebels 250 genauso in die allgemeine Richtung des Pfeils 296 gedrückt, was bewirkt, dass der Einspritzvorrichtungskipphebel 250 um die Kipphebelwelle 252 schwenkt, wodurch bewirkt wird, dass das zweite Ende 264 in die allgemeine Richtung des Pfeils 298 gedrückt wird.
  • Der Einspritzvorrichtungskörper 254 definiert einen Brennstoffanschluss 272. Der Brennstoff, wie beispielsweise Diesel-Brennstoff, kann in den Brennstoffanschluss 272 von der Brennstoff-Rail bzw. Brennstoffdruckleitung 242 gezogen oder in anderer Weise eingesaugt werden, wenn die Stößelanordnung 258 in die allgemeine Richtung des Pfeils 296 bewegt wird. Der Brennstoffanschluss 272 ist in Strömungsmittelverbindung mit einem Brennstoffventil 274 über einen ersten Brennstoffkanal 276. Das Brennstoffventil 274 ist wiederum in Strömungsmittelverbindung mit einer Stößelkammer 278 über einen zweiten Brennstoffkanal 280.
  • Der Elektromagnete 256 kann elektrisch mit der Steuervorrichtung 244 gekoppelt sein und mechanisch mit dem Brennstoffventil 274 gekoppelt sein. Die Betätigung des Elektromagneten 256 durch ein Signal von der Steuer vorrichtung 244 kann bewirken, dass das Brennstoffventil 274 aus einer offenen Position in eine geschlossene Position geschaltet wird. Wenn das Brennstoffventil 274 in seine offene Position positioniert wird, kann Brennstoff vom Brennstoffanschluss 272 zur Stößelkammer 278 und umgekehrt laufen. Wenn jedoch das Brennstoffventil 274 in seiner geschlossenen Position positioniert ist, ist der Brennstoffanschluss 272 von der Stößelkammer 278 isoliert.
  • Die Einspritzvorrichtungsspitzenanordnung 260 kann eine Rückschlagventilanordnung 282 aufweisen. Brennstoff kann von der Stößelkammer 278 durch eine Einlasszumessöffnung 284, einen dritten Brennstoffkanal 286, eine Auslasszumessöffnung 288 und in den Zylinder 112 des Motors 110 geleitet werden.
  • Somit sei bemerkt, dass wenn einer der Vorsprünge 268, 270 nicht in Kontakt mit dem Einspritzvorrichtungskipphebel 16 ist, die Stößelanordnung 258 in die allgemeine Richtung des Pfeils 296 durch die Feder 259 gedrückt wird, wodurch verursacht wird, das Brennstoff in dem Brennstoffanschluss 272 gezogen wird, was wiederum die Stößelkammer 278 mit Brennstoff füllt. Wenn die Nockenwelle 266 weiter gedreht wird, wird einer der Ansätze 268, 270 in Kontakt mit dem Kipphebel 250 bewegt, wodurch verursacht wird, dass die Stößelanordnung 258 in die allgemeine Richtung des Pfeils 298 gedrückt wird. Wenn die Steuervorrichtung 244 kein Einspritzsignal erzeugt, bleibt das Brennstoffventil 274 in seiner offenen Position, wodurch bewirkt wird, das Brennstoff, der in der Stößelkammer 278 ist, wodurch die Stößelanordnung 258 durch den Brennstoffanschluss 272 verdrängt wird. Wenn jedoch die Steuervorrichtung 244 ein Einspritzsignal erzeugt, wird das Brennstoffventil 274 in seiner geschlossenen Position positioniert, wodurch die Stößelkammer 278 vom Brennstoffanschluss 272 isoliert wird. Wenn die Stößelanordnung 258 weiter in die allgemeine Richtung des Pfeils 298 durch die Nockenwelle 266 gedrückt wird, steigt der Strömungsmitteldruck in der Brennstoffeinspritzvorrichtungsanordnung 240. Bei einer vorbestimmten Druckgröße, beispielsweise bei ungefähr 5500 psi (38 MPa) wird Brennstoff in den Zylinder 112 eingespritzt. Brennstoff wird weiter in den Zylinder 112 eingespritzt, bis die Steuervorrichtung 244 signalisiert, dass der Elektromagnete 256 das Brennstoffventil 274 in seine offene Position zurückbringt.
  • Wie in der beispielhaften Kurvendarstellung der 5 gezeigt, kann die Voreinspritzung des Brennstoffes beginnen, wenn die Kurbelwelle 213 bei ungefähr 675° Kurbelwellenwinkel ist, d. h. bei ungefähr 45° vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes 407. Die Haupteinspritzung des Brennstoffes kann auftreten, wenn die Kurbelwelle 213 bei ungefähr 710° Kurbelwellenwinkel ist, d. h., bei ungefähr 10° vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes 407 und ungefähr 45° nach dem Beginn der Voreinspritzung. Im allgemeinen kann die Voreinspritzung beginnen, wenn die Kurbelwelle 213 bei ungefähr 40-50° vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes 407 ist, und kann für ungefähr 10-15° Kurbelwellendrehung andauern. Die Haupteinspritzung kann beginnen, wenn die Kurbelwelle 213 zwischen ungefähr 10° vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes 407 und ungefähr 12° nach dem oberen Totpunkt des Verbrennungshubes 508 ist. Die Haupteinspritzung kann für ungefähr 20-45° Kurbelwellendrehung andauern. Die Voreinspritzung kann einen erwünschten Teil des gesamten verwendeten Brennstoffes verwenden, beispielsweise ungefähr 10%.
  • 6 ist eine Kombination einer diagrammartigen und schematischen Darstellung eines zweiten beispielhaften Luftversorgungssystems 300 für den Verbrennungsmotor 110. Das Luftversorgungssystem 300 kann einen Turbolader 320 aufweisen, beispielsweise einen Turbolader mit hohem Wirkungsgrad, der ein Kompressionsverhältnis von mindestens ungefähr 4:1 mit Bezug zum Atmosphärendruck erzeugen kann. Der Turbolader 320 kann eine Turbine 322 und einen Kompressor 324 aufweisen. Die Turbine 322 kann strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung 116 über eine Auslassleitung 326 verbunden sein. Die Turbine 322 kann ein Turbinenrad 328 aufweisen, das von einer Welle 330 getragen wird, die wiederum drehbar von einem Gehäuse 332 getragen wird, das schrittweise von einem einteiligen oder mehrteiligen Gehäuse. Der Strömungsmittelflusspfad von der Auslass sammelleitung 116 zur Turbine 322 kann eine (nicht gezeigte) variable Düse aufweisen, die die Geschwindigkeit des Auslassströmungsmittels steuern kann, das auf das Turbinenrad 328 auftrifft.
  • Der Kompressor 324 kann ein Kompressorrad 334 aufweisen, das von der Welle 330 getragen wird. Somit kann die Drehung der Welle 330 durch das Turbinenrad 328 wiederum eine Drehung des Kompressorrades 334 bewirken. Der Turbolader 320 kann einen Lufteinlass 336 aufweisen, der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Atmosphäre und dem Kompressor 324 vorsieht, und einen Luftauslass 352, um komprimierte Luft zur Einlasssammelleitung 114 des Motors 110 zu liefern. Der Turbolader 320 kann auch einen Abgasauslass 354 aufweisen, um Auslassströmungsmittel von der Turbine 322 aufzunehmen und eine Strömungsmittelverbindung mit der Atmosphäre vorzusehen.
  • Das Luftversorgungssystem 300 kann einen Luftkühler 356 zwischen dem Kompressor 324 und der Einlasssammelleitung 114 aufweisen. Optional kann das Luftversorgungssystem 300 einen zusätzlichen (nicht gezeigten) Luftkühler zwischen dem Luftkühler 356 und der Einlasssammelleitung 114 aufweisen.
  • 7 ist eine Kombination einer diagrammartigen und einer schematischen Darstellung eines dritten beispielhaften Luftversorgungssystems 400 für den Verbrennungsmotor 110. Das Luftversorgungssystem 400 kann einen Turbolader 420 aufweisen, beispielsweise einen Turbolader 420 mit einer Turbine 422 und zwei Kompressoren 424, 444. Die Turbine 422 kann strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung 116 über eine Einlassleitung 426 verbunden sein. Die Turbine 422 kann ein Turbinenrad 428 aufweisen, das von einer Welle 430 getragen wird, die wiederum drehbar durch ein Gehäuse 432 getragen werden kann, beispielsweise eine einteiliges oder mehrteiliges Gehäuse. Der Strömungsmittelflusspfad von der Auslasssammelleitung 116 zur Turbine 422 kann eine (nicht gezeigte) variable Düse aufweisen, die die Geschwindigkeit des Auslassströmungsmittels steuern kann, das auf das Turbinenrad 428 auftrifft.
  • Der erste Kompressor 424 kann ein Kompressorrad 434 aufweisen, das von der Welle 430 getragen wird, und der zweite Kompressor 444 kann ein Kompressorrad 450 aufweisen, das von der Welle 430 getragen wird. Somit kann die Drehung der Welle 430 durch das Turbinenrad 428 wiederum eine Drehung der ersten und zweiten Kompressorräder 434, 450 bewirken. Die ersten und zweiten Kompressoren 424, 444 können erste bzw. zweite Kompressionsstufen vorsehen.
  • Der Turbolader 420 kann eine Lufteinlassleitung 436 aufweisen, die eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Atmosphäre und dem ersten Kompressor 424 vorsieht, und eine Leitung 438 für komprimierte Luft, um komprimierte Luft vom ersten Kompressor 424 aufzunehmen und die komprimierte Luft zum zweiten Kompressor 444 zu liefern. Der Turbolader 420 kann eine Luftauslassleitung 452 aufweisen, um komprimierte Luft vom zweiten Kompressor 444 zur Einlasssammelleitung 114 des Motors 110 zu liefern. Der Turbolader 420 kann auch einen Abgasauslass 454 aufweisen, um Auslassströmungsmittel bzw. Abgas von der Turbine 422 aufzunehmen und eine Strömungsmittelverbindung mit der Atmosphäre vorzusehen.
  • Beispielsweise können der erste Kompressor 424 und der zweite Kompressor 444 breide Kompressionsverhältnisse von zwischen 2:1 und 3:1 vorsehen, was ein Kompressionsverhältnis des Systems von mindestens 4:1 mit Bezug zum Atmosphärendruck zur Folge hat. Alternativ kann der zweite Kompressor 444 ein Kompressionsverhältnis von 3:1 vorsehen, und der erste Kompressor 424 kann ein Kompressionsverhältnis von 1,5:1 vorsehen, was ein Kompressionsverhältnis des Systems von 4,5:1 mit Bezug zum Atmosphärendruck zur Folge hat.
  • Das Luftversorgungssystem 400 kann einen Luftkühler 456 zwischen dem Kompressor 424 und der Einlasssammelleitung 114 aufweisen. Optional kann das Luftversorgungssystem 400 einen zusätzlichen Luftkühler 458 zwi schen dem ersten Kompressor 424 und dem zweiten Kompressor 444 des Turboladers 420 aufweisen. Alternativ kann das Luftversorgungssystem 400 einen zusätzlichen (nicht gezeigten) Luftkühler zwischen dem Luftkühler 456 und der Einlasssammelleitung 114 aufweisen.
  • Mit Bezug auf 8 ist ein beispielhaftes Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System) 804 in einem Auslasssystem 802 in einem Verbrennungsmotor 110 gezeigt. Der Verbrennungsmotor 110 weist eine Einlasssammelleitung 114 und eine Auslasssammelleitung 116 auf. Der Motorblock 111 sieht ein Gehäuse für mindestens einen Zylinder 112 vor. 8 zeigt sechs Zylinder 112, jedoch könnte irgendeine Anzahl von Zylindern 112 verwendet werden, beispielsweise 3, 6, 8, 10, 12 oder irgendeine andere Anzahl. Die Einlasssammelleitung 114 sieht einen Einlasspfad für jeden Zylinder 112 für Luft, für rückzirkulierte Abgase oder eine Kombination davon vor. Die Auslasssammelleitung 116 sieht einen Auslasspfad für jeden Zylinder 112 für Abgase vor.
  • In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Luftversorgungssystem 100 als zweistufiges Turboladersystem gezeigt. Das Luftversorgungssystem 100 weist einen ersten Turbolader 120 mit einer Turbine 122 und einem Kompressor 124 auf. Das Luftversorgungssystem 100 weist auch einen zweiten Turbolader 140 mit einer Turbine 142 und einem Kompressor 144 auf. Das zweistufige Turboladersystem arbeitet dahingehend, dass es den Druck der Luft und der Abgase steigert, die zu den Zylindern 112 über die Einlasssammelleitung 114 geliefert werden, und ein erwünschtes Verhältnis von Luft zu Brennstoff während ausgedehnter Öffnungszeitdauer der Einlassventile aufrecht erhält. Es sei bemerkt, dass kein zweistufiges Turboladersystem für den Betrieb der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Andere Arten von Turboladersystemen, wie beispielsweise ein einstufiges Turboladersystem mit hohem Druckverhältnis, ein Turboladersystem mit variabler Geometrie usw. können statt dessen verwendet werden.
  • Ein Drosselventil 814, dass zwischen dem Kompressor 124 und der Einlass sammelleitung 114 gelegen ist, kann verwendet werden, um die Menge der Luft und der rückzirkulierten Abgase zu steuern, die zu den Zylindern 112 geliefert werden. Das Drosselventil 814 ist zwischen dem Kompressor 124 und einem Nachkühler 1 und 6 gezeigt. Jedoch kann das Drosselventil 814 an anderen Stellen positioniert sein, wie beispielsweise nach dem Nachkühler 156. Der Betrieb des Drosselventils 814 ist unten genauer beschrieben.
  • Das Abgasrückzirkulationssystem 804, dass in 8 gezeigt ist, ist ein typisches Niederdruck-Abgasrückzirkulationssystem in einem Verbrennungsmotor. Variationen des Abgasrückzirkulationssystems 804 können gleichfalls bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei diese sowohl Abgasrückzirkulationssysteme mit Niederdruck-Rückführung als auch mit Hochdruck-Rückführung aufweisen. Andere Arten von Abgasrückzirkulationssystemen, wie beispielsweise Überleitungssysteme bzw. Bypass-Systeme, Venturi-Systeme, Systeme mit Kolbenpumpe, Systeme mit Spitzenbegrenzung und Rückdrucksysteme könnten verwendet werden.
  • Ein Oxidationskatalysator 808 nimmt Abgase von der Turbine 142 auf und dient dazu, Kohlenwasserstoff-Emissionen zu reduzieren. Der Oxidationskatalysator 808 kann auch mit einem De-NOx-Katalysator gekoppelt sein, um weiter die NOx-Emissionen zu reduzieren. Ein Partikelstofffilter (PM-Filter) 806 nimmt Abgase vom Oxidationskatalysator 808 auf. Obwohl der Oxidationskatalysator 808 und der Partikelstofffilter 806 als getrennte Teile gezeigt sind, können Sie alternativ zu einer Packung kombiniert werden.
  • Einige der Abgase werden aus dem Auslass aus dem Partikelstofffilter 806 geliefert. Jedoch wird ein Teil der Abgase zur Einlasssammelleitung 114 durch einen Abgasrückzirkulationskühler 810, durch ein Abgasrückzirkulationsventil 812 und durch erste und zweite Turbolader 120, 140 zurückgeleitet. Der Abgasrückzirkulationskühler 810 kann von einer in der Technik wohl bekannten Bauart sein, wie beispielsweise eine Mantelwasser- oder Luft-Gas-Wärmetauscherbauart.
  • Mittel 816 zur Bestimmung des Druckes innerhalb des Partikelstofffilters 806 sind gezeigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Mittel 816 zur Bestimmung des Druckes einen Drucksensor 818 auf. Jedoch könnten andere alternative Mittel 816 eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Druck der Abgase in dem Partikelstofffilter 806 von einem Modell basierend auf einem oder mehreren Parametern abgeschätzt werden, die mit dem Motor 110 assoziiert sind. Die Parameter weisen die Motorbelastung, die Motordrehzahl die Temperatur, den Brennstoffverbrauch usw. auf, sind jedoch nicht darauf eingeschränkt.
  • Mittel 820 zur Bestimmung des Flusses der Abgase durch den Partikelstofffilter 806 können verwendet werden. Vorzugsweise weisen die Mittel 820 zur Bestimmung des Flusses der Abgase einen Flusssensor 822 auf. Der Flusssensor 822 kann verwendet werden, um allein den Druck in dem Partikelstofffilter 806 basierend auf Flussveränderungen der Abgase zu bestimmen, oder kann in Verbindung mit dem Drucksensor 818 verwendet werden, um genauere Druckveränderungsbestimmungen zu liefern.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Während der Anwendung arbeitet der Verbrennungsmotor 110 in bekannter Weise beispielsweise unter Verwendung des Diesel-Betriebsprinzips. Mit Bezug auf das in 1 gezeigte beispielhafte Luftversorgungssystem wird Abgas von dem Verbrennungsmotor 110 von der Auslasssammelleitung 116 durch die Einlassleitung 126 transportiert und trifft auf das Turbinenrad 128 und bewirkt dessen Drehung. Das Turbinenrad 128 ist mit der Welle 130 gekoppelt, die wiederum das Kompressorrad 134 trägt. Die Drehzahl des Kompressorrades 134 entspricht somit der Drehzahl der Welle 130.
  • Das beispielhafte Brennstoffversorgungssystem 200 und der Zylinder 112, die in 2 gezeigt sind, können mit jedem der beispielhaften Luftversorgungssysteme 100, 300, 400 verwendet werden. Komprimierte Luft wird zu der Brennkammer 206 über den Einlassanschluss 208 geliefert, und Aus lassluft bzw. Abgas tritt aus der Brennkammer 206 über den Auslassanschluss 210 aus. Die Einlassventilanordnung 214 und die Auslassventilanordnung 216 können steuerbar betätigt werden, um den Luftfluss in die Brennkammer 206 hinein und aus dieser herauszuleiten.
  • In einem herkömmlichen Otto- oder Diesel-Zyklusbetriebszustand bewegt sich das Einlassventil 218 aus der zweiten Position in die erste Position in zyklischer Weise, um zu gestatten, dass komprimierte Luft in die Brennkammer 206 des Zylinders 112 nahe am oberen Totpunkt des Einlasshubes 406 eintritt (ungefähr bei 360° Kurbelwellenwinkel), wie in 4 gezeigt. Nahe dem unteren Totpunkt des Kompressionshubes (bei ungefähr 540° Kurbelwellenwinkel) bewegt sich das Einlassventil 218 aus der ersten Position in die zweite Position, um zusätzliche Luft gegen einen Zutritt in die Brennkammer 206 abzublocken. Brennstoff kann dann von der Brennstoffeinspritzanordnung 240 nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes eingespritzt werden (bei ungefähr 720° Kurbelwellenwinkel).
  • In einem herkömmlichen Miller-Zyklus-Motor wird der herkömmliche Otto- oder Dieselzyklus modifiziert, indem man das Einlassventil 218 aus der ersten Position in die zweite Position entweder bei einem vorbestimmten Zeitpunkt vor dem oberen Totpunkt des Einlasshubes 406 (d. h. vor 540° Kurbelwellenwinkel) oder einem gewissen vorbestimmten Zeitpunkt nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes 407 bewegt (d. h. nach 540° Kurbelwellenwinkel). In einem herkömmlichen Miller-Zyklus mit spätem Verschluss wird das Einlassventil 218 aus der ersten Position in die zweite Position während eines ersten Teils der ersten Hälfte des Kompressionshubes 407 bewegt.
  • Der variable Einlassventilverschlussmechanismus 238 ermöglicht, dass der Motor 110 sowohl in einem Miller-Zyklus mit spätem Verschluss als auch in einem herkömmlichen Otto- oder Dieselzyklus betrieben wird. Weiterhin kann die Einspritzung eines wesentlichen Teils des Brennstoffes nach dem oberen Totpunkt des Verbrennungshubes 508, wie in 5 gezeigt, NOx- Emissionen reduzieren und die Energiemengen steigern, die in die Auslasssammelleitung 116 in Form von Abgasströmungsmittel ausgestoßen wird. Die Anwendung eines Turboladers 320, 420 mit hohem Wirkungsgrad oder von Turboladern 120, 140 in Reihe kann das erneute auffangen von mindestens einem Teil der abgegebenen Energie aus dem Abgas ermöglichen. Die abgegebenen Energie kann in gesteigerte Luftdrücke umgewandelt werden, die in die Einlasssammelleitung 114 geliefert werden, was die Energie steigern kann, die den Kolben 212 gegen die Kurbelwelle 213 drückt, um anwendbare Arbeit zu erzeugen. Zusätzlich kann die Verzögerung der Bewegung des Einlassventils 218 von der ersten Position in die zweite Position die Kompressionstemperatur in der Brennkammer 206 reduzieren. Die reduzierte Kompressionstemperatur kann weiter NOx-Emissionen reduzieren.
  • Die Steuervorrichtung 244 kann den variablen Einlassventilverschlussmechanismus 238 betätigen, um die Zeitsteuerung der Einlassventilanordnung 214 zu variieren, um die erwünschte Motorleistung basierend auf einer oder mehreren Motorbedingungen bzw. Motorparametern zu erreichen, beispielsweise basierend auf der Motordrehzahl, der Motorbelastung, der Motortemperatur, der Aufladung und/oder der Einlasssammelleitungstemperatur. Der variable Einlassventilverschlussmechanismus 238 kann auch eine präzisere Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses gestatten. Durch Verzögerung des Verschlusses der Einlassventilanordnung 214 kann die Steuervorrichtung 244 den Zylinderdruck während des Kompressionshubes des Kolbens 212 steuern. Beispielsweise reduziert der späte Verschluss des Einlassventils die Kompressionsarbeit, die der Kolben 212 ausführen muss, ohne den Zylinderdruck zu beeinflussen, und während man ein übliches Expansionsverhältnis und ein geeignetes Verhältnis von Luft zu Brennstoff aufrechterhält.
  • Die Hochdruck-Luft, die von dem beispielhaften Luftversorgungssystemen 100, 300, 400 geliefert wird, kann eine zusätzliche Aufladung des Einlasshubes des Kolbens 212 bieten. Der hohe Druck kann auch ermöglichen, dass die Einlassventilanordnung 214 auch später als in einem herkömmlichen Miller-Zyklus-Motor geschlossen wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Einlassventilanordnung 214 bis zu ungefähr der zweiten Hälfte des Kompressionshubes des Kolbens 212 offen bleiben, beispielsweise bis zu ungefähr 80° bis 70° vor dem oberen Totpunkt (BTDC = before top dead center). Während die Einlassventilanordnung 214 offen ist, kann Luft zwischen der Kammer 206 und der Einlasssammelleitung 114 schließen. Somit erfährt der Zylinder 112 einen geringeren Temperaturanstieg in der Kammer 206 während des Kompressionshubes des Kolbens 212.
  • Da der Verschlussvorgang der Einlassventilanordnung 214 verzögert werden kann, kann die Zeitsteuerung des Brennstoffversorgungssystems auch verzögert werden. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 244 steuerbar die Brennstoffeinspritzanordnung 240 betätigen, um Brennstoff zur Brennkammer 206 zu liefern, nachdem die Einlassventilanordnung 214 geschlossen ist. Beispielsweise kann die Brennstoffeinspritzanordnung 240 gesteuert werden, um eine Voreinspritzung von Brennstoff gleichzeitig damit einzuspritzen, dass die Einlassventilanordnung 214 geschlossen wird, oder geringfügig danach, und einer Haupteinspritzung des Brennstoffes gleichzeitig damit zu liefern, dass die Verbrennungstemperatur in der Kammer 206 erreicht wird, oder geringfügig davor. Als eine Folge kann eine signifikante Menge an Abgasenergie zur Rückzirkulation durch das Luftversorgungssystem 100, 300, 400 verfügbar sein, was effizient zusätzliche Arbeit aus der Abgasenergie herausziehen kann.
  • Mit Bezug auf das beispielhafte Luftversorgungssystem 100 der 1 kann der zweite Turbolader 140 in anderer Weise ausgelassene Energie aus dem Abgasstrom des Turboladers 120 herausziehen, um das Kompressorrad 150 des zweiten Turboladers 140 zu drehen, welches in Reihe mit dem Kompressorrad 134 des ersten Turboladers 120 ist. Diese zusätzliche Einschränkung des Abgaspfades, die durch das Hinzufügen des zweiten Turboladers 140 resultiert, kann den Rückdruck auf den Kolben 212 steigern. Jedoch kann die Energiewiedergewinnung, die durch den zweiten Turbolader 140 erreicht wird, die Arbeit versetzen bzw. verschieben, die durch den höheren Rückdruck verbraucht wird. Beispielsweise kann der zusätzliche Druck, der durch die in Reihe angeordneten Turbolader 120, 140 erreicht wird, Arbeit am Kolben 212 während des Einlasseshubes des Verbrennungszyklus ausführen. Weiterhin kann der zusätzliche Druck auf den Zylinder, der durch den zweiten Turbolader 140 kommt, die durch Anwendung des spätem Verschlussvorgangs des Einlassventils gesteuert und/oder abgelassen werden. Somit können die in Reihe angeordneten Turbolader 120, 140 Brennstoffwirkungsgrad über das Luftversorgungssystem 100 und nicht nur mehr Leistung vorsehen.
  • Es sei bemerkt, dass der Luftkühler 156, 356, 456, der vor der Einlasssammelleitung 114 liegt, Wärme aus der Luft herausziehen kann, um die Einlasssammelleitungstemperatur abzusenken, während die Dichte der unter Druck gesetzten Luft beibehalten wird. Der optionale zusätzliche Luftkühler zwischen den Kompressoren oder nach dem Luftkühler 156, 356, 456 kann weiter die Einlasssammelleitungstemperatur reduzieren, kann jedoch das Arbeitspotenzial der unter Druck gesetzten Luft absenken. Die niedrigere Einlasssammelleitungstemperatur kann die NOx-Emissionen reduzieren.
  • Wiederum mit Bezug auf 8 resultiert eine Veränderung des Druckes des Abgases, dass durch den Partikelstofffilter 806 läuft, aus einer Ansammlung von Partikelstoffen, was somit eine Notwendigkeit anzeigt, den Partikelstofffilter 806 zu regenerieren, d. h. durch abbrennen der Ansammlung von Partikelstoffen. Beispielsweise steigt der Druck im Partikelstofffilter 806, wenn sich Partikelstoffe ansammeln.
  • Der Partikelstofffilter 806 kann ein katalytische Diesel-Partikelstofffilter (CDPF = catalyzed diesel particulate filter) oder ein aktiver Diesel-Partikelstofffilter (ADPF = active diese) particulate filter) sein. Ein katalytischer Diesel-Partikelstofffilter gestattet, das Russ bei viel niedrigeren Temperaturen abbrennt. Ein aktiver Diesel-Partikelstofffilter wird dadurch definiert, dass man die innere Energie des Partikelstofffilters durch andere Mittel als den Motor 110 anhebt, beispielsweise durch elektrische Aufheizung, die durch einen Brenner, durch Brennstoffeinspritzung usw.
  • Ein Verfahren zur Steigerung der Abgastemperatur und zur Einleitung einer Partikelstofffilterregeneration ist es, das Drosselventil 814 zu verwenden, um die Einlassluft einzuschränken, was somit die Auslasstemperatur steigert. Andere Verfahren zur Steigerung der Abgastemperatur weisen Turbolader mit variabler Geometrie, intelligente bzw. gesteuerte Auslassklappen, eine variable Ventilbetätigung usw. auf. Noch ein weiteres Verfahren zur Steigerung der Abgastemperatur und zur Einleitung einer Partikelstofffilterregeneration weist die Anwendung einer Nacheinspritzung des Brennstoffes auf, beispielsweise einer Brennstoffeinspritzung, die zeitlich nach der Lieferung einer Haupteinspritzung gesteuert ist.
  • Das Drosselventil 814 kann mit dem Abgasrückzirkulationsventil 812 gekoppelt sein, so dass sie beide zusammen betätigt werden. Alternativ können das Drosselventil 814 und das Abgasrückzirkulationsventil 812 unabhängig voneinander betätigt werden. Beide Ventile können zusammen oder unabhängig arbeiten, um die Abgasrückzirkulationsrate zu modulieren, mit der die Einlasssammelleitung 114 beliefert wird.
  • Katalytische Diesel-Partikelstofffilter regenerieren wirkungsvoller, wenn das Verhältnis von NOx zu Partikelstoffen, d. h. Russ, in einem Größenbereich ist, beispielsweise von ungefähr 20:1 bis ungefähr 30:1. Es ist jedoch herausgefunden worden, dass ein Abgasrückzirkulationssystem, das mit den oben beschriebenen Verfahren von mehreren Brennstoffeinspritzungen und einer variablen Ventilzeitsteuerung kombiniert ist, ein Verhältnis von NOx zu Russ von ungefähr 10:1 zur Folge hat. Somit kann es wünschenswert sein, periodisch die Emissionsniveaus einzustellen, um das Verhältnis von NOx zu Russ auf einen wünschenswerteren Bereich zu verändern und dann die Regeneration einzuleiten. Beispiele von Verfahren, die verwendet werden können, weisen die Einstellung der Abgasrückzirkulationsrate und die Einstellung der Zeitsteuerung der Hauptbrennstoffeinspritzungen auf.
  • Eine (nicht gezeigte) Venturi-Vorrichtung kann am Eingang der Abgasrückzirkulationsvorrichtung zum Frischlufteinlass verwendet werden. Die Venturi-Vorrichtung würde den Druck der Frischluft im Einlass senken, was somit gestattet, dass die Abgasrückzirkulation von der Auslassseite zu Einlassseite fließt. Die Venturi-Vorrichtung kann einen Diffusorteil aufweisen, der die frische Luft nahezu auf die ursprüngliche Geschwindigkeit und den ursprünglichen Druck zurückbringt, bevor sie in den Kompressor 114 eintritt. Die Anwendung einer Venturi-Vorrichtung und eines Diffusors kann den Motorwirkungsgrad steigern.
  • Ein Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel in der Erfindung kann zusätzliche Arbeit aus dem Motorabgas ziehen. Das System kann auch einen Brennstoffwirkungsgrad und reduzierte NOx-Emissionen erreichen, während es das Arbeitspotential beibehält und sicherstellt, dass die Zuverlässigkeit des Systems die Erwartungen des Bedieners erfüllt.
  • Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus der praktischen Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden.
  • Zusammenfassung
  • Luft- und Brennstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor
  • Ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das mindestens einen Zylinder und einen Kolben aufweist, der in den Zylinder verschiebbar ist, kann die Lieferung einer Mischung von unter Druck gesetzter Luft und von rückzirkuliertem Abgas aus einer Einlasssammelleitung zu einem Lufteinlassanschluss einer Brennkammer im Zylinder aufweisen, weiter die selektive Betätigung eines Lufteinlassventils, um den Lufteinlassanschluss zu öffnen, um zu gestatten, dass unter Druck gesetzte Luft zwischen der Brennkammer und der Einlasssammelleitung im Wesentlichen während eines Hauptteils eines Kompressionshubes des Kolbens fließt, und die betriebsmäßige Steuerung eines Brennstoffversorgungssystems, um Brennstoff in die Brennkammer einzuspritzen, nachdem das Einlassventil geschlossen ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (110), der mindestens einen Zylinder (112) und einen Kolben (212) aufweist, der in den Zylinder (112) verschiebbar ist, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Lieferung einer Mischung von unter Druck gesetzter Luft und rückzirkulierten Abgas von einer Einlasssammelleitung (114) zu einem Lufteinlassanschluss (208) einer Brennkammer (206) im Zylinder (112); selektive Betätigung eines Lufteinlassventils (218), um den Lufteinlassanschluss (208) zu öffnen, um zu gestatten, dass die Mischung aus unter Druck gesetzter Luft und Abgas zwischen der Brennkammer (206) und der Einlasssammelleitung (114) im Wesentlichen während eines Hauptteils eines Kompressionshubes des Kolbens (212) fließt; und betriebsmäßige Steuerung eines Brennstoffversorgungssystems (202), um Brennstoff in die Brennkammer (206) einzuspritzen, nachdem das Einlassventil (218) geschlossen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die selektive Betätigung die Betätigung eines variablen Einlassventilverschlussmechanismus (238) aufweist, um das Einlassventil (218) offen zu halten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die selektive Betätigung des Lufteinlassventils (218) auf mindestens einer Motorbedingung basiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die selektive Betätigung die Betätigung des Einlassventils (218) aufweist, so dass dieses für einen Teil einer zweiten Hälfte des Kompressionshubes des Kolbens (212) offen bleibt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter die Einspritzung von min destens einem Teil des Brennstoffes während eines Teils des Kompressionshubes aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Einspritzung von mindestens einem Teil des Brennstoffes die Lieferung einer Voreinspritzung bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel vor einer Haupteinspritzung aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lieferung einer Mischung von unter Druck gesetzter Luft und rückzirkuliertem Abgas aufweist, eine Abgasmenge aus einem Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System) (804) zu liefern.
  8. Verbrennungsmotor (110) mit variablem Kompressionsverhältnis, der Folgendes aufweist: einen Motorblock (111), der mindestens einen Zylinder (112) definiert; einen Kopf (220), der mit dem Motorblock (111) verbunden ist, der einen Lufteinlassanschluss (208) und einen Auslassanschluss (210) aufweist; einen Kolben (212), der in jedem Zylinder (112) verschiebbar ist; eine Brennkammer (206), die von dem Kopf (220), den Kolben (212) und den Zylinder (112) definiert wird; ein Lufteinlassventil (218), welches steuerbar bewegbar ist, um den Lufteinlassanschluss (208) zu öffnen und zu schließen; ein Luftversorgungssystem (100), welches mindestens einen Turbolader (120, 140) aufweist, der strömungsmittelmäßig mit den Lufteinlassanschluss (208) verbunden ist; ein Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System) (804), das betreibbar ist, um steuerbar einen Teil des Abgases vom Auslassanschluss (210) zum Luftversorgungssystem (100) zu liefern; ein Brennstoffversorgungssysteme (202), das betreibbar ist, um steuerbar Brennstoff in die Brennkammer (206) zu einem ausgewählten Zeitpunkt einzuspritzen; und einen variablen Einlassventilverschlussmechanismus (238), der konfiguriert ist, um das Einlassventil (218) durch selektive Betätigung des variablen Einlassventilverschlussmechanismus (238) offen zu halten.
  9. Motor (110) nach Anspruch 8, der weiter eine Steuervorrichtung (244) aufweist, die konfiguriert ist, um das Einlassventil (218) zu betätigen, so dass dieses für einen Teil einer zweiten Hälfte eines Kompressionshubes offen bleibt.
  10. Motor 110 nach Anspruch 8, wobei das Abgasrückzirkulationssystem 804 ein Abgasrückzirkulationssystem 804 mit Niederdruck-Rückführung ist.
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