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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsmotoren,
die eine vorgemischte Ladung aus Brennstoff und Luft zünden,
und sie bezieht sich insbesondere auf eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung
zur Anwendung in einem solchen Verbrennungsmotor.
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Hintergrund
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Die
Verbrennungsmotortechnologie entwickelt sich immer weiter fort.
Verbesserungen bei der Zuverlässigkeit, der Emissionsqualität
und dem Brennstoffwirkungsgrad werden nahezu täglich entdeckt.
In den letzten Jahrzehnten ist speziell auf Technologien acht gegeben
worden, die die Niveaus von gewissen Emissionen im Abgas aus Verbrennungsmotoren
verringern können. Eine Klasse von Emissionsverbindungen
von speziellem Interesse in der Technik ist als „NOx" bekannt
und weist verschiedene Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen auf. Verschiedene
Schemata sind mit den Jahren für den Betrieb von Verbrennungsmotoren
vorgeschlagen worden, sodass die relativen Mengen von NOx im Motorabgas
verringert werden. Ein Ansatz, der sich als vielversprechend zeigt,
sieht das Betreiben des Motors mit relativ magerer Mischung vor,
sodass die Brennstoffmenge in der Mischung, die im Zylinder verbrannt
wird, geringer ist, als eine stöchiometrische Brennstoffmenge.
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Eine
spezielle Art der Motortechnologie, die zu einem Magerverbrennungsbetrieb
fähig ist, die in den letzten Jahren viel Achtung gewonnen
hat, ist in der Technik unter verschiedenen Namen bekannt, wie beispielsweise
homogene Ladung oder Verdichtung- bzw. Kompressionszündung
mit vorgemischter Ladung oder „HCCI" (HCCI = homogeneous
charge compression ignition, homogene verdichtungsgezündete
Ladung). Beim HCCI-Betrieb wird Brennstoff typischerweise in einen
Motorzylinder relativ früh im Motorzyklus geliefert, sodass
vergleichsweise mehr Zeit für die Vermischung des Brennstoffes
und der Luft vor der Zündung und Verbrennung verfügbar
ist. Sobald sie innerhalb des Zylinders ist, wird die Brennstoff-Luft-Mischung
komprimiert, bis eine Selbstzündung beginnt. Die vergleichsweise
größere Zeitdauer, die verfügbar ist,
damit Brennstoff und Luft sich vermischen, tendiert dazu, eine schnellere
Wärmeabgabe zur Folge zu haben als bei herkömmlichen
Motoren. Bei herkömmlichen verdichtungsgezündeten
Motoren ist die Wärmeabgaberate teilweise durch die Rate
der Brennstoffeinspritzung gesteuert, während in funkengezündeten
Motoren die Wärmeabgabe teilweise durch eine letztendliche
turbulente Flammen- bzw. Flammfrontausbreitung über den
Brennraum gesteuert wird. Der HCCI-Betrieb hat keine dieser natürlichen
Steuerungen.
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Während
ein Betrieb mit homogener Ladung ein starkes Potential zur NOx-Reduktion
gezeigt hat, gibt es immer noch Raum für Verbesserungen.
Im Zusammenhang mit verdichtungsgezündeten Motoren insbesondere
gibt es eine Grenze dahingehend, wie mager die Brennstoff-Luft-Mischung
sein kann, während sie immer noch zuverlässig
selbst zündet. Zylinderdrücke, die ausreichen,
um eine Selbstzündung von mageren Ladungen einzuleiten,
können bei herkömmlichen Komponenten nicht praktisch
ausführbar sein. Darüber hinaus können
viele HCCI-Motoren nur über einen Teil ihres theoretischen
Lastbereichs arbeiten, und zwar zumindest teilweise aufgrund der
relativ hohen Druckspitzen, die aus der schnellen, ziemlich gleichförmigen
Zündung der Brennstoff-Luft-Mischung im gesamten Zylinder
resultieren können. Insbesondere können die vergleichsweise
größeren Mengen von verbrennendem Brennstoff,
die nötig sind, um größere Lasten aufzunehmen,
einfach mehr Druck erzeugen, als die Motorkomponenten widerstehen
können.
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Eine
weitere Herausforderung für Konstrukteure von HCCI-Motoren
bezieht sich auf die Schwierigkeit der Selbstzündung einer
Brennstoff-Luft-Mischung zu einem erwünschten Zeitpunkt.
HCCI-Motoren mangelt es an einem natürlichen Steuermechanismus
für die Zündungszeitsteuerung, wie beispielsweise
die Funkenzeitsteuerung und die Brennstoffeinspritz-Zeitsteuerung
von funkengezündeten Motoren und herkömmlichen
verdichtungsgezündeten Motoren. Darüber hinaus
ist der Zündungszeitpunkt bei HCCI tendenziell empfindlich
für Drehzahl- und Lastverän derungen, für
Verbrennungscharakteristiken von vorherigen Motorzyklen und die
spezifische Brennstoffzusammensetzung und die Zersetzungseigenschaften.
Insofern als das Potential der HCCI-Strategien für verbesserte
Emissionsqualität darauf beruht, eine magere Mischung zu
einem vorgeschriebenen Zeitpunkt zu zünden, wie beispielsweise auf
oder nahe dem oberen Totpunkt, muss die Technologie noch einige
ihrer Versprechen erfüllen.
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Ein
Versuch, den Betrieb von mager verbrennenden Motoren zu verbessern,
ist aus dem
US-Patent Nr. 6,595,181 von
Najt u. a. bekannt. Najt verwendet ein Motorbetriebschema, bei dem
ein Impulsstrahl einer reagierenden Brennstoffmischung aus einer
Vorkammer sich mit einer stark gelösten vorgemischten Brennstoff-Luft-Ladung
in einer Hauptkammer vermischt. Nachdem die Ladung teilweise verbrannt
worden ist, zünden schnell expandierende Verbrennungsgase
die restliche stark verdünnte Mischung durch Verdichtungszündung.
Anders gesagt, bei Najt u. a. scheint es eine Anfangsflamme aus dem
Impulsstrahl zu geben, die danach ausreichend Brennstoff zündet,
um den Druck im Zylinder auf ein ausreichendes Niveau zur Kompressions-
bzw. Verdichtungszündung anzuheben. Während Najt
u. a. Mittel vorsehen, die Anwendungen in gewissen Systemen haben
können, hat die Konstruktion verschiedene Nachteile. Beispielsweise
kann nur ein Teil der Ladung die Vorteile erreichen, die für
den HCCI-Betrieb typisch sind. In dem Ausmaß, das irgendein
tatsächlicher HCCI-Betrieb bei Najt u. a. möglich
ist, muss weiterhin der Motor bei höheren Drehzahlen und
Belastungen zu einem herkömmlichen Verbrennungsvorgang
umschalten.
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Die
vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere
der oben dargelegten Probleme oder Nachteile zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung
für einen Verbrennungsmotor vor. Die Vorrichtung weist
einen Körper auf, der eine Kammer und einen Auslass aus
der Kammer de finiert, und Mittel in der Kammer zur Erzeugung einer
Verbrennungseinleitungsstoßfront vom Auslass.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Motorgehäuse
vor, welches mindestens einen Zylinder definiert. Eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung
ist mit dem mindestens einen Zylinder gekoppelt und weist einen
Verbrennungseinleitungsstoßfrontgenerator auf, der strömungsmittelmäßig
mit dem mindestens einen Zylinder verbunden ist.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren
zum Betrieb eines Verbrennungsmotor vor. Das Verfahren weist den
Schritt auf, eine Mischung aus Brennstoff und Luft in einem Verbrennungsmotorzylinder
auf einen Punkt zu komprimieren, der niedriger als eine Verdichtungszündungsschwelle
ist. Das Verfahren weist weiter einen Schritt auf, die Zündung
der Mischung zumindest teilweise dadurch einzuleiten, dass die Mischung
aus Brennstoff und Luft einer Schock- bzw. Stoßfront unterworfen
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Verbrennungsmotors
gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist
eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils des Motors
der 1;
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3a ist
eine konzeptionelle Veranschaulichung einer Temperaturdifferenz
durch eine Flamme in einem funkengezündeten Motor; und
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3b ist
eine konzeptionelle Veranschaulichung einer Temperaturdifferenz
durch eine Flamme in einem Motor gemäß der vorliegenden
Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 ist dort eine teilweise geschnittene
Seitenansicht eines Motors 10 gemäß der
vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Motor 10 weist ein
Ge häuse 12 mit mindestens einem Zylinder 18 auf,
in dem beispielsweise eine Vielzahl von Zylindern angeordnet ist.
Ein Kolben 14 ist bewegbar in jedem Zylinder 18 angeordnet
und ist mit einer Kurbelwelle 16 über eine Stange
bzw. Pleuelstange 15 verbunden. Ein erstes Gasaustauschventil 22 und
ein zweites Gasaustauschventil 24 sind typischerweise in
dem Gehäuse 12 angeordnet und sind betreibbar, um
Auslass und Einlass von jedem jeweiligen Zylinder 18 in
herkömmlicher Weise zu steuern. Durch Steuerung der Öffnungs-Verschlusszeiten
der Ventile 22 und 24 kann das Kompressions- bzw.
Verdichtungsverhältnis in jedem Zylinder 18 ebenfalls
variiert werden, wie in der Technik wohlbekannt.
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Eine
Brennstoffversorgung 40 ist mit dem Gehäuse 12 über
eine primäre Brennstoffversorgungsleitung 41 verbunden.
Eine Brennstoffreformationsvorrichtung bzw. Brennstoffaufbereitungsvorrichtung 50,
die hier beschrieben wird, kann auch mit der Brennstoffversorgung 40 und
dem Motorgehäuse 12 über eine sekundäre
Brennstoffversorgungsleitung 51 verbunden sein. Eine Kompressions-
bzw. Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 wird typischerweise
mit jedem Zylinder 18 gekoppelt sein, um eine Verdichtungszündung
darin einzuleiten. Eine elektronische Steuervorrichtung 30 kann
in steuernder Verbindung mit jeder Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 über
eine Verbindungsleitung (mehrere Verbindungsleitungen) 31 verbunden
sein und kann auch in steuernder Verbindung mit den Ventilen 22 und 24 und
anderen Komponenten des Motors 10 in wohl bekannter Weise
sein. Der Motor 10 wird ein Verdichtungszündungsmotor
sein, wie beispielsweise ein Motor für gasförmigen
Brennstoff oder ein Dieselmotor, und kann ein Motor mit Brennstoffeinspritzung
sein, wie ein direkt einspritzender oder über einen Anschluss
einspritzender Motor.
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Auch
mit Bezug auf 2 ist dort ein Teil des Motors 10 gezeigt,
der eine Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 genauer
aufweist. In 2 ist die Brennstoffversorgung 40 derart
gezeigt, dass sie mit dem Zylinder 18 über eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung 44 verbunden ist, die teilweise
darin angeordnet ist, obwohl bemerkt sei, dass Ausführungsbeispiele
in Betracht gezogen werden, die nicht die veranschaulichte Brennstoffeinspritzungskonstruktion
verwenden. Jede Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 wird
typischerweise einen Körper 21 aufweisen, der
eine Vorkammer 34 definiert. Ein Brennstoffeinlass 33 wird
typischerweise im Körper 21 angeordnet sein, sodass
Brennstoff von der Reformations- bzw. Aufbereitungsvorrichtung 50 zur Vorkammer 34 geliefert
werden kann. Der Brennstoff, der über den Einlass 33 von
der Reformationsvorrichtung 50 geliefert wird, kann ein
reformierter bzw. aufbereiteter Kohlenwasserstoffbrennstoff sein,
wie beispielsweise Syngas, und wird typischerweise eine vergleichsweise
reaktivere Brennstoffart sein als der Brennstoff in der Brennstoffversorgung 40.
Somit kann die Reformationsvorrichtung 50 ein poröser Brenner
sein, um Syngas aus Erdgas oder Petroleumdestillatbrennstoff in
einer in der Technik wohlbekannten Weise zu erzeugen. Andere Arten und/oder
Quellen oder Leitungsschemata für Brennstoff können
verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Anstatt einen Brennstoff aus der Hauptmotorbrennstoffversorgung
zu reformieren, kann beispielsweise ein getrennter Brennstofftank
für den vergleichsweise reaktiveren Brennstoff verwendet
werden, der zur Vorrichtung 20 geliefert wird.
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Ein
Auslass 36 verbindet strömungsmittelmäßig
die Vorkammer 34 mit dem Zylinder 18 über einen
Halsteil 35 mit zusammenlaufender Geometrie in einer Richtung
des Auslasses 36. Es sei bemerkt, dass der Halsteil 35 schematisch
in 2 veranschaulicht ist und eine Vielzahl von Geometrien
haben könnte, wie beispielsweise eine abrupte Verringerung
des Durchmessers in der Nähe des Auslasses 36.
Die Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung weist die
beschriebene Halsteilgeometrie auf, um die Erzeugung einer Schock-
bzw. Stoßfront in einer Region in der Nähe des
Auslasses 36 zu erleichtern, die die Verdichtungszündung
einer Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 einleitet,
wie hier beschrieben.
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Die
Verbrennung des zu der Vorkammer 34 gelieferten Brennstoffes
kann über Funkenerzeugungsmittel 32 mit einem
Funkenspalt in der Vorkammer 34 eingeleitet werden, die
eine mehrfach Funkenspaltvorrichtung sein können, die sich
in die Vorkammer 34 erstreckt, um eine selektive Zündung
zu gestatten, wie von der elektronischen Steuervorrichtung 30 vorgegeben.
Entsprechend kann die Zeitsteuerung der Verbrennung in der Vorkammer 34 und folglich
die Erzeugung der Schock- bzw. Stoßfront aus dem Auslass 36 zum
Zylinder 18 präzise zeitgesteuert werden. Die
verbrennungseinleitende Stoßfront wird die Verdichtungszündung
der Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 beginnend am Auslass 36 und
kaskadenartig danach weiterlaufend durch die gesamte Ladung einleiten,
wenn die Stoßwelle nach außen fortschreitet.
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Die
vorliegende Offenbarung sieht weiter ein Verfahren zum Betrieb eines
Verbrennungsmotors vor. Das Verfahren kann den Schritt aufweisen,
eine Mischung aus Brennstoff und Luft im Motor
10 auf einen
Punkt zu komprimieren, der geringer ist als eine Verdichtungszündungsschwelle.
Die Kompression bzw. Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung kann in
herkömmlicher Weise über den Kolben
14 stattfinden,
und das tatsächliche Ausmaß der Kompression kann
beispielsweise durch Einstellung der Position von einem oder beiden
Ventilen
22 und
24 in bekannter Weise gesteuert
werden. Beispielsweise kann eine bekannte variable Einlass- oder
Auslassventilbetätigungsvorrichtung und ein Verfahren verwendet werden,
um das Kompressions- bzw. Verdichtungsniveau der Brennstoff-Luft-Mischung
im Zylinder
18 zu steuern. Beispielsweise wird ein geeignetes
variables Ventilzeitsteuerschema im
US-Patent
Nr. 6,769,392 von Angelino u. a. gelehrt, welches den Titel „Variable
Valve Timing In A Homogeneous Charge Compression Ignition Engine"
trägt. Insbesondere kann der Motor
10 auch mindestens
eine elektrohydraulische Hilfsbetätigungsvorrichtung
25 aufweisen, die
mit mindestens einem der Ventile
22 und
24 gekoppelt
ist und die fähig ist, mechanisch mit dem Ventil in Eingriff
zu kommen und seine Position zumindest teilweise unabhängig
von einer Nocken- und/oder Kolbenposition zu steuern. Die Betätigungsvorrichtung
25 kann
wiederum betriebsmäßig mit der elektronischen
Steuervorrichtung
30 gekoppelt sein. Es wird weiter in
Betracht gezogen, dass das Verdichtungsverhältnis der Brennstoff-Luft-Mischung
basierend auf gewissen Motorbetriebsfaktoren variiert werden kann,
wie beispielsweise basierend auf der Last. Beispielsweise wird in
einem unteren Lastteil eines Lastbereiches des Motors
10 die Kompression
bzw. Verdichtung der Mischung aus Brennstoff und Luft typischerweise
vergleichsweise näher an einer Selbstzündungsschwelle
sein als in einem höheren Lastteil dieses Bereiches. Der
Fachmann wird mit der vergleichsweise größeren
Leichtigkeit der Kompressionszündung von Brennstoff-Luft-Mischungen
vertraut sein, wenn man bei vergleichsweise höheren Lasten
arbeitet.
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Das
Verfahren kann weiter den Schritt aufweisen, die Zündung
der Mischung zumindest teilweise dadurch einzuleiten, dass die Mischung
aus Brennstoff und Luft einer Schock- bzw. Stoßfront unterworfen
wird, die beispielsweise durch die Kompressionszündungseinleitungsvorrichtung 20 erzeugt
wird. Während die funkengezündete Verbrennung
eines Brennstoffes in der Vorkammer 34 als eine praktische
Strategie zur Einrichtung in Betracht gezogen wird, wird der Fachmann
erkennen, dass andere Mittel zur Erzeugung einer Stoßfront
möglich sind. Anstatt funkengezündeter Verbrennung über Funkenerzeugungsmittel 32 kann
die Verbrennung in der Vorkammer 34 über eine
Kompressionszündung eingeleitet werden, beispielsweise
unter Verwendung eines getrennten Kompressions- bzw. Verdichtungskolbens
in der Vorkammer für diesen Zweck. Die Stoßfront
von der Vorkammer 34 wird auch typischerweise teilweise
dadurch erzeugt, dass eine Konvergenz von sich schnell ausdehnenden
Verbrennungsprodukten über die Geometrie des Halsteils 35 gezwungen
wird. Es sei jedoch bemerkt, dass die vorliegenden Offenbarung auch
Verbrennungsstrategien ohne Vorkammer zur Erzeugung einer Stoßfront
in Betracht zieht, wie beispielsweise über eine andere Abgabe
von komprimiertem Gas.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Mit
Bezug auf die Figuren im Allgemeinen wird die elektronische Steuervorrichtung 30,
wenn es wünschenswert ist, die Kompressions- bzw. Verdichtungszündung
im Zylinder 18 einzuleiten, ein elektrisches Potential
am Funkenspalt der Funkenerzeugungsmittel 32 in herkömmlicher
Weise erzeugen. Brennstoff, wie beispielsweise Syngas-Brennstoff bzw.
synthetisches Gas, welches zur Vorkammer 34 über
den Brennstoffeinlass 33 geliefert wird, kann somit in
der Vorkammer 34 gezündet werden. Der primäre
Brennstoff wird typischerweise in den Zylinder 18 eingespritzt
oder in anderer Weise dorthin geliefert, und zwar vor der Zündung
des sekundären Brennstoffes in der Vorkammer 18.
Allgemein gesagt, wird die Verdichtung der Mischung aus Brennstoff und
Luft im Zylinder 18 zu einem Punkt stattfinden, der geringer
ist als dessen Selbstzündungsschwelle. Die Verdichtung
kann jedoch größer als das sein, was als für
eine stabile Verbrennung in einem funkengezündeten Motor
als akzeptabel angesehen werden würde. Anders gesagt, obwohl
die vorliegenden Offenbarung nicht dadurch eingeschränkt
ist, kann der relative Verdichtungsgrad bzw. das Verdichtungsverhältnis
der Brennstoff-Luft-Mischung größer als ein Verdichtungsniveau
sein, welches in einem funkengezündeten Motor verwendet
wird, was typischerweise von einer Vermeidung des Motorklopfens
abhängt.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass in vielen Fällen die Funkenzündung
in der Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20 zu
einem ausgewählten Zeitpunkt stattfinden wird, wie beispielsweise
wenn der Kolben 14 nahe einer oberen Totpunktposition ist.
In anderen Fällen könnte jedoch die Zündung
der Brennstoffladung in der Vorkammer 34 so ausgewählt
werden, dass sie stattfindet, bevor der Kolben 14 in einem
gegebenen Motorzyklus auf einer oberen Totpunktposition ist, oder
danach. Die Funkenzündung der Brennstoffladung in der Vorkammer 34 wird
eine expandierende Tasche von Verbrennungsprodukten in der Vorkammer 34 erzeugen.
Die expandierenden Verbrennungsprodukte werden auf die druckfokussierende
konvergierende Geometrie des Halsteils 35 treffen, wenn
sie schnell zum Auslass 36 hin laufen, wodurch schließlich
eine Stoßfront ungefähr an der Schnittstelle des
Auslasses 36 zum Zylinder 18 erzeugt wird.
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Die
in der Nähe des Auslasses 36 erzeugte Stoßfront
wird schnell nach außen durch die Brennstoff-Luft-Mischung
im Zylinder 18 voranschreiten. Das Voranschreiten der Stoßfront
kann derart angesehen werden, dass sie eine Druckwelle aufweist,
die lokale Verdichtungszündungszonen der Brennstoff-Luft-Mischung
in einem sich nach außen erstreckenden Muster vom Auslass 36 einleitet.
Die Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung durch die Stoßfront
wird ausreichend sein, um lokal eine Verdichtungszündung
davon einzuleiten. Allgemein, jedoch nicht einschränkend
ausgedrückt, wird die Steigerung des Druckes aufgrund der
Stoßfront schneller geschehen als die Druckzunahmen aufgrund
der Kolbenbewegung während des Motorbetriebs.
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Wie
hier beschrieben, kann die Brennstoff-Luft-Mischung, die zum Zylinder 18 geliefert wird, über
den Kolben 14 zu einem Punkt komprimiert werden, der niedriger als
die Selbstzündungsschwelle ist. Die zusätzliche
Verdichtung durch die Stoßfront wird weiter die Brennstoff-Luft-Mischung
zumindest auf einen Punkt komprimieren bzw. verdichten, der ausreicht,
um die Verdichtungszündung einzuleiten. Die zusätzliche
Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung, die durch die Stoßfront
im Zylinder 18 vorgesehen wird, gestattet den Betrieb des
Motors 10 mit einer magereren Brennstoff-Luft-Mischung
als dies bei vielen früheren Konstruktionen möglich
war.
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Bekannte
Konstruktionen sind durch die Fähigkeit von herkömmlichen
Motoren, eine magere Brennstoff-Luft-Mischung auf einen Punkt zu
komprimieren, der ausreicht um eine Verdichtungszündung einzuleiten,
begrenzt gewesen, da vergleichsweise niedrigere Brennstoff-Luft-Verhältnisse
typischerweise vergleichsweise größere Verdichtungsniveaus
erfordern, um die Mischung selbst zu zünden. Ein vergleichsweise
magerer Betrieb kann eine Verringerung von gewissen Verunreinigungen
zur Folge haben, insbesondere von NOx, und er ist somit in vielen Betriebsumgebungen
wünschenswert, ist jedoch in der Praxis bis jetzt schwierig
einzuführen gewesen.
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Ein
weiteres Problem, welches HCCI-Systeme geplagt hat, bezieht sich
auf einen Mangel eines natürlichen Steuermechanismus zur
genauen Zeitsteuerung der Verdichtungszündung. Funkengezündete
Motoren verwenden einen herkömmlichen Funken, der im Zylinder
erzeugt wird, wenn die Zündung erwünscht ist.
Traditionelle verdichtungsgezündete Motoren komprimieren
typischerweise Luft auf eine Temperatur und einen Druck über
dem Selbstzündungspunkt, dann steuern sie den Verbrennungszeitpunkt
durch Einspritzung von Brennstoff in die heiße komprimierte
Luft zu einem ausgewählten Zeitpunkt. Anders gesagt, der
Brennstoff zündet daraufhin, dass er die Einspritzvorrichtungsspitze
verlässt. Die vorliegende Offenbarung sieht Mittel zur
Zündung der mageren Brennstoff-Luft-Mischung über
Verdichtungszündung zu einem ausgewählten Zeitpunkt
während des Motorzyklus vor, welches zumindest teilweise unabhängig
von der Kolbenposition ist, wobei sowohl die Genauigkeit bei der
Zeitsteuerung als auch Probleme mit ausreichender Verdichtung von
früheren Systemen überwunden werden. Im Hinblick
auf diese Betriebsprinzipien kann gesagt werden, dass die vorliegende Offenbarung
ein Ausführungsbeispiel vorsieht, welches ein „HCCA-Motor"
bzw. Motor mit homogener selbstgezündeter Ladung (HCCA
= homogeneous charge controlled autoignition) ist. Im Zusammenhang
mit einem HCCI-Motor mit Brennstoffeinspritzung wird beispielsweise
die vorliegende Offenbarung eine Brennstoffeinspritzung relativ
früh in einem gegebenen Motorzyklus gestatten, was viel Zeit
vorsieht, damit Brennstoff und Luft sich vermischen, und zwar gefolgt
durch eine Verdichtungszündung zu einem ausgewählten
Zeitpunkt bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, zu diesem
Zeitpunkt oder nach diesem Zeitpunkt, und zwar gesteuert mit der
Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung 20.
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Die
Temperatur der Brennstoff-Luft-Mischung bei der Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses
in einem herkömmlichen HCCI-Zyklus liegt per Definition
bei der Temperatur der spontanen Zündung. Im Gegensatz
dazu liegt die Temperatur der Brennstoff-Luft-Mischung bei der Einleitung
des Hauptwärmeabgabeereignisses in einem herkömmlichen
funkengezündeten Zyklus (SI-Zyklus, SI = spark ignited)
mehrere hundert Grad entfernt von der Temperatur einer spontanen
Zündung, um Motorklopfen zu verhindern. Die Einleitung
des Hauptwärmeabgabeereignisses in einem gesteuerten Selbstzündungszyklus
mit homogener Ladung (HCCA-Zyklus) gemäß der vorliegenden
Offenbarung wird jedoch typischerweise in einem Temperaturbereich auftreten,
der zwischen der SI- und der HCCI-Einleitung der Hauptwärmeabgabetemperaturen
ist. Wie hier beschrieben, kann in einem System gemäß der vorliegenden
Offenbarung der relative Grad der Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung
für unterschiedliche Lastbedingungen des Motors 10 variiert werden.
Für vergleichsweise höhere Lasten kann entsprechend
die Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses bei Temperaturen
auftreten, die vergleichsweise weiter entfernt von der Temperatur
der spontanen Zündung ist, während sie für
vergleichsweise niedrigere Lasten vergleichsweise näher
an der Temperatur der spontanen Zündung sein muss.
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Nun
mit Bezug auf 3a ist dort eine konzeptionelle
Veranschaulichung einer Flammenkontur Z1 gezeigt,
die schematisch die Temperaturdifferenz in einer Flamme in einem
Zylinder eines funkengezündeten Motors während
der Verbrennung zeigt. In 3a bezeichnet
T eine Linie, welche die relative Temperatur im Zylinder darstellt.
R identifiziert eine unverbrannte Zone der Brennstoff-Luft-Mischung
im Zylinder. Die Zone W ist eine Vorheizzone innerhalb des Zylinders,
wobei die Temperatur aufgrund der Verbrennung von Brennstoff und
Luft in benachbarten Zonen und/oder aufgrund von zunehmendem Zylinderdruck
zunimmt. Die Zone U stellt die tatsächliche Reaktionszone
dar, worin der Brennstoff und die Luft aktiv verbrennen, während
die Zone V die Leuchtzone darstellt, wo eine restliche Verbrennung stattfindet.
Die Zone S ist eine verbrannte Zone, in der die Verbrennung der
Brennstoff-Luft-Mischung im Wesentlichen vollendet ist. Der Bereich
Q1 stellt die Temperaturdifferenz der Brennstoff-Luft-Mischung
im Zylinder zwischen einem Zündungspunkt, dem Beginn der
Zone U in einer Richtung von links nach rechts, und der Temperatur
des unverbrannten Brennstoffes und der Luft in der Zone R dar.
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Auch
mit Bezug auf 3b ist dort eine konzeptionelle
Veranschaulichung einer Flammenkontur Z2 gezeigt,
die schematisch die Temperaturdifferenz in einer Flamme während
der Verbrennung in einem Zylinder eines HCCA-Motors gemäß der
vorliegenden Offenbarung zeigt. In 3b stellen
Buchstaben ähnlich jenen, die in 3a verwendet
wurden, entsprechende Zylinder/Flammen-Zonen dar. Wie gezeigt, ist
der Teil der Kurve Z1 innerhalb der Zone
R der 3a auf einer vergleichsweise
niedrigeren Temperatur für unverbrannten Brennstoff und
Luft als der Teil der Kurve Z2 in der entsprechenden
Zone R der 3b.
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Die
Temperaturdifferenz zwischen der Mischung aus unverbranntem Brennstoff
und Luft und der brennenden Brennstoff-Luft-Mischung ist für
einen HCCA-Motor vergleichsweise kleiner, vorausgesetzt, dass die
Einleitung des Hauptwärmeabgabeereignisses bei einer Zylindertemperatur
auftritt, die vergleichsweise näher an einer Temperatur
der spontanen Zündung ist als bei einem funkengezündeten
Motor. Die Temperatur der unverbrannten Brennstoff-Luft-Mischung
in der Zone R de 3a wird typischerweise vergleichsweise
größer sein als jene der Zone R der 3b,
und zwar weil die Verdichtung der Brennstoff-Luft-Mischung vergleichsweise
größer beim HCCA-Motor ist. Die Verdichtung von
Brennstoff und Luft in einem Zylinder in einem vergleichsweise höheren
Grad hat erwiesenermaßen das Ergebnis einer vergleichsweise
größeren Flammengeschwindigkeit und wiederum Flammenstabilität
gezeigt. Eine vergleichsweise magere Brennstoff-Luft-Mischung, die
relativ stark vor der Zündung verdichtet worden ist, kann
somit die Flammengeschwindigkeit und -stabilität einer
vergleichsweise fetteren Mischung haben. Die vorliegende Offenbarung
sieht somit eine verbesserte Flammen- bzw. Flammfrontstabilität
in einer mageren Brennstoff-Luft-Mischung vor, weiter das Potential
von thermischer Effizienz und Emissionen im HCCI-Betrieb und eine
leichte Steuerung des Zündungszeitpunktes.
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Die
vorliegende Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen
und soll nicht derart angesehen werden, dass sie den Umfang der vorliegenden
Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Der Fachmann
wird erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig
offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden könnten,
ohne vom Kern und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Während beispielsweise ein großer Teil der vorangegangenen
Beschreibung eine Brennstoff-Luft-Mischung im Zylinder 18 beschreibt,
werden Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen, in denen
Abgas wieder in den Zylinder 18 rückzirkuliert
wird, um eine Lösung für eine vergleichsweise
magere Mischung vorzusehen. Weiterhin könnte die vorliegende
Offenbarung auf andere Motorsysteme als jene angewandt werden, die
hier als eine Hilfs- oder Zusatzverdichtungszündungseinleitungsvorrichtung
beschrieben werden, was einem Motor gestattet, in einem herkömmlichen
verdichtungsgezündeten Betriebszustand, in einem HCCA-Betriebszustand
oder sogar möglicherweise in einem gemischten Betriebszustand
zu arbeiten, der sowohl HCCA als auch Diffusionsverbrennung im gleichen
Motorzyklus verwendet. Während in Betracht gezogen wird,
dass die vorliegende Offenbarung gut für Motoren mit gasförmigem
Brennstoff geeignet sein wird, können andere Motorbauarten,
die Diesel- und Benzinmotoren aufweisen, in ihren Umfang fallen.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der Untersuchung
der beigefügten Zeichnungsfiguren und der beigefügten
Ansprüche offensichtlich werden.
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Zusammenfassung
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VERDICHTUNGSZÜNDUNGSEINLEITUNGSVORRICHTUNG
UND VERBRENNUNGSMOTOR; DER DIESE VERWENDET
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Ein
Verbrennungsmotor mit einer Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung
wird vorgesehen. Die Verdichtungszündungseinleitungsvorrichtung
weist einen Körper auf, der eine Kammer und einen Auslass
aus der Kammer definiert. Die Vorrichtung weist weiter Mittel in
der Kammer auf, um eine eine Verbrennung einleitende Schock- bzw. Stoßfront
aus dem Auslass zu erzeugen. Es wird ein Verfahren vorgesehen, welches
aufweist, eine Mischung aus Brennstoff und Luft in einem Verbrennungsmotorzylinder
bis zu einem Punkt zu komprimieren, der niedriger als eine Verdichtungszündungsschwelle
liegt, und um die Zündung der Mischung dadurch einzuleiten,
dass sie einer Stoßfront ausgesetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6595181 [0006]
- - US 6769392 [0020]