DE112007000944T5 - Hochleistungsmaschinen mit geringer Emission, Mehrzylindermaschinen und Betriebsverfahren - Google Patents

Hochleistungsmaschinen mit geringer Emission, Mehrzylindermaschinen und Betriebsverfahren Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine, umfassend für mindestens einen Zylinder:
Steuern mindestens eines Maschinenventils, so dass ein Kraftstoff in dem Zylinder durch Kompressionszündung gezündet wird, wenn der Kolben während eines Kompressionshubs den oberen Totpunkt erreicht oder sich in dessen Nähe befindet;
Einspritzen von Kraftstoff in den Maschinenzylinder während des Kompressionshubs; und
Injizieren von Luft in den Zylinder nach Beendigung des Kompressionshubs.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Patent Application No. 60/793,350 vom 20. April 2006, der U.S. Provisional Patent Application No. 60/812,330 vom 9. Juni 2006 und der U.S. Provisional Patent Application No. 60/819,062 vom 7. Juli 2006.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Fachgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Fachgebiet der Brennkraftmaschinen, wie etwa Dieselmotoren, Benzinmotoren und solche Motoren, die dazu ausgelegt sind, mit alternativen Kraftstoffen zu arbeiten.
  • 2. Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf verschiedene Arten von Maschinen, einschließlich Dieselmotoren, Benzinmotoren und Motoren, die dazu vorgesehen sind, abwechselnd mit unterschiedlichen Kraftstoffen zu arbeiten. Jedoch werden zur Spezifizierung der vorliegenden Offenbarung bevorzugte Ausführungsformen erst unter Bezugnahme auf Dieselmotoren beschrieben, woraufhin die Anwendbarkeit auf andere Maschinentypen beschrieben wird. Dementsprechend wird der Stand der Technik hier unter Bezugnahme auf Dieselmotoren beschrieben, wobei darauf hinzuweisen ist, dass, allgemein gesagt, viele der Merkmale von hier beschriebenen Dieselmotoren in unterschiedlicher Weise auf andere Maschinentypen übertragbar sind.
  • Es ist durchaus bekannt, dass Schadstoffe, die von Dieselmotoren erzeugt werden, primär aus Stickoxiden (NOx) und aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen bestehen. Es ist ferner durchaus bekannt, dass sich Stickoxide oberhalb einer bestimmten Temperatur bilden oder, wichtiger für die vorliegende Erfindung, sich nicht bilden unterhalb der Grenztemperatur für die Stickoxidbildung. Diese Temperaturgrenze liegt signifikant oberhalb der Zündtemperatur für ein Dieselkraftstoff-Luft-Gemisch, obwohl in konventionellen Dieselmotoren lokale Temperaturen innerhalb des Verbrennungsraums aus verschiedenen Gründen häufig die Temperaturgrenze für die Stickoxidbildung überschreiten. Andererseits beruhen die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas von Dieselmotoren im Wesentlichen auf zwei primären Gründen, nämlich zum ersten darauf, dass ein Teil des Sprühnebels des eingespritzten Kraftstoffs auf eine relativ kalte Fläche auftrifft, bevor der Kraftstoff die Möglichkeit zur Verbrennung hat oder mindestens vollständig verbrennt, und zum zweiten darauf, dass der Kraftstoff lokal in Regionen des Verbrennungsraumes eingespritzt wird, in denen nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um lokal eine Verbrennung des gesamten eingespritzten Kraftstoffs zu ermöglichen. Der zweitgenannte Grund tritt natürlich verstärkend zum erstgenannten Grund hinzu, da der Kraftstoff ohne ausreichenden Sauerstoff nicht verbrennen kann.
  • Vorzugsweise wird bei einem Dieselmotor eine geringe Vor-Einspritzung von Kraftstoff vorgenommen, um die Verbrennung einzuleiten, wobei kurz hinterher eine Haupteinspritzung von Kraftstoff erfolgt, und zwar beginnend an oder nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens in den Zylinder. Befindet sich der Kolben in seiner obersten Position oder nahe seiner obersten Position, sollte der Einspritz-Sprühnebel nicht nach unten auf den Kopf des Kolbens gerichtet sein, da dies, wie oben beschrieben, einen hohen Gehalt an Kohlenwasserstoffen im Dieselabgas erzeugt sowie auch zur Beschädigung des Motors führen kann. Bewegt sich jedoch der Kolben fort vom oberen Totpunkt, expandieren die Inhalte des Verbrennungsraums, wobei sich das Zentrum dieser Inhalte im Wesentlichen mit der halben Geschwindig keit des Kolbens nach unten bewegt. Die kontinuierliche Kraftstoffeinspritzung in einer Richtung, die sich für die obere Totpunktlage des Kolbens eignet, besteht also darin, den Kraftstoff sozusagen lediglich in die obere Schicht von Luft im Verbrennungsraum einzuspritzen. Dies hat vielfältige nachteilige Effekte. Die Konzentration von Kraftstoff in diesem begrenzten Volumen kann leicht zu lokalen Temperaturen führen, die die Temperaturgrenze der Stickoxidbildung überschreiten. Außerdem kann der Sauerstoff in dieser begrenzten Region des Verbrennungsraums verbraucht werden, obwohl darunter ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, was zu einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs und zu wesentlichen Mengen an Kohlenwasserstoffen im Abgas führt. Die einzig verfügbare Steuerung dieser Effekte bei bekannten Maschinen und Betriebsverfahren besteht darin, eine Begrenzung der Gesamtinjektion im Verhältnis zum Volumen und Sauerstoffgehalt in diesem Bereich des Brennraumvolumens, in den der Kraftstoff eingespritzt wird, zu versuchen, was zu einer Begrenzung der mechanischen Energie führt, die während dieses Verbrennungszyklus entwickelt wird.
  • Bei einem bekannten Injektor verwendet man Sprühdüsen, die in mehrere Richtungen gerichtet sind, wobei eine anfängliche Injektion eine mehr radiale Komponenten besitzt, um leichter für eine korrekte Einspritzung zu sorgen, wenn sich der Kolben in oder nahe seinem oberen Totpunkt befindet, wobei ein mechanisches Ventil den Injektionsstrom auf Injektionsöffnungen schaltet, die mehr gegen den Kolben gerichtet sind, so dass die Kraftstoffinjektion besser dem Hauptteil des verbleibenden, für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Sauerstoffs folgen kann. Ein derartiger Injektor kann vielfältige Vorteile erzielen, etwa bei stationären Maschinen, die unter konstanter Last arbeiten. Die Tatsache jedoch, dass die Steuerung mechanisch erfolgt und vorgegebene Grenzen aufweist, beschränkt deren Flexibilität bei Maschinen, etwa bei Lastwagenmotoren und dergleichen, die in einem relativ weiten Drehzahlbereich und einem sehr weiten Bereich der Leistungsabgabe arbeiten.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt den Betrieb eines Dieselmotors, der erfindungsgemäß als Viertakter arbeitet.
  • 2 zeigt den Betrieb eines Dieselmotors, der erfindungsgemäß als Sechstakter arbeitet.
  • 3 zeigt den Betrieb eines Dieselmotors, der erfindungsgemäß als Zweitakter arbeitet.
  • 4 zeigt schematisch eine Sechszylindermaschine, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
  • 5 zeigt schematisch einen Zylinderkopf, der die vorliegende Erfindung beinhaltet.
  • 6 ist ein partieller Querschnitt eines Teils eines Zylinderkopfes, der die vorliegende Erfindung beinhaltet.
  • 7 zeigt schematisch die exemplarische Ventilausrüstung für zwei Zylinder der Maschine, wobei der rechte Zylinder in dieser Figur der Kompression dient und der linke Zylinder als Verbrennungs- oder Kraftzylinder genutzt wird.
  • 8 zeigt den Betrieb der Maschine als Zweitakter, und zwar als Diagramm der Temperatur über der Kolbenposition, wobei verschiedene Punkte des Diagramms bezeichnet sind in Übereinstimmung mit verschiedenen Vorgängen während des Betriebs der Maschine.
  • 9 ist ein schematischer Querschnitt eines Zylinderkopfs im Bereich eines Verbrennungszylinders gemäß 7.
  • 10 zeigt eine weitere Betriebsweise der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 11 zeigt ein Steuersystem, das bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen kann.
  • 12 ist ein Diagramm, das die Bedingungen zeigt, unter denen Ruß und NOx in einer Maschine erzeugt werden.
  • 13 ist ein Diagramm, das den tatsächlichen Betrieb einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem Standard-Diesel-Zyklus zeigt.
  • 14 zeigt ein exemplarisches Steuersystem für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • In Übereinstimmung mit der Offenbarung der U.S. Provisional Patent Application No. 60/793,350 werden sowohl Kraftstoff als auch Luft während mindestens eines Teils der Haupt-Kraftstoffinjektion in den Verbrennungsraum eingespritzt. Die Luft wird vorzugsweise injiziert in denjenigen Bereich, der die Kraftstoff-Einspritzdüse umgibt, so dass während der Hauptinjektion eine frische Zufuhr an sauerstoffreicher Luft zur Verfügung steht, auch wenn sich der Kolben vom Injektor fortbewegt und somit das Zentrum der verbleibenden, vorher zur Verfügung stehenden Luft sich sozusagen ebenfalls vom Injektor fortbewegt. Dies kann für eine mehr vollständige Verbrennung des während der Hauptinjektion eingespritzten Kraftstoffs sorgen und kann außerdem die Einspritzung und Verbrennung einer größeren Kraftstoffmenge über demselben oder einem größeren Kurbelwellenwinkel gestatten, wodurch die Energieabgabe dieses Verbrennungszyklus erhöht wird. Ferner kann durch sorgfältige Steuerung der Luft und vor allem des Kraftstoffes, der während der Vor-Injektion und der Haupt-Injektion eingespritzt wird, die Verbrennungstemperatur unterhalb der Grenztemperatur für die Stickoxidbildung gehalten werden.
  • Eine vorteilhafte Art, dies zu erzielen, besteht darin, den Druck im Verbrennungsraum zu erfassen, da der Druck ein guter Indikator für die Temperatur innerhalb des Verbrennungsraums ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Vor-Injektion während des Kompressionshubs eingesetzt, vorzugsweise deutlich bevor die Luft im Verbrennungsraum die Zündtemperatur erreicht, um vor der Zündung eine gute Mischung des vor-eingespritzten Kraftstoffs und der Luft zu ermöglichen. Die Menge des für die Vor-Injektion eingesetzten Kraftstoffs wird so gesteuert, dass bei der Zündung die Verbrennungstemperaturen auf irgendeine Höhe ansteigen, die die Grenztemperatur für die Stickoxidbildung nicht überschreitet. Dies ist beispielsweise in 1 dargestellt, die den Betrieb einer Maschine zeigt, welche in einem Vier takt-Zyklus arbeitet. Aus 1 ergibt sich, dass die Zündung im Wesentlichen am oberen Totpunkt des Kolbens stattfindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird dies erzielt nicht nur durch Steuerung der Injektionsmenge, sondern ferner durch Einsatz eines steuerbaren Maschinenventil-Betätigungssystem, vorzugsweise eines hydraulischen Ventil-Betätigungssystems, wie es beispielsweise in dem U.S.-Patent 6,739,293 offenbart ist (dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme inkorporiert wird), und zwar durch Steuerung solcher Parameter, wie des Kurbelwellenwinkels, bei dem das Einlassventil schließt, wodurch in wirksamer Weise das erzielte Kompressionsverhältnis und der Kurbelwellenwinkel, bei dem die Zündung eintritt, gesteuert werden. Ferner wird bei einer bevorzugten Ausführungsform, wie oben angegeben, ein Drucksensor im Zylinder verwendet, der von Zyklus zu Zyklus Einstellungen in der Steuerung des Einlassventils/der Einlassventile und der Menge der Vor-Injektion gestattet, um eine Zündung in der Totpunkt-Position T zu erzielen und anschließend den gewünschten Temperaturanstieg auf eine Temperatur zu bewirken, die die Temperaturgrenze der Stickoxidbildung nicht übersteigt. Nachdem, wie in 1 gezeigt, die Temperatur im Verbrennungsraum ihren Spitzenwert erreicht hat und abzufallen beginnt, wenn der vor-eingespritzte Kraftstoff verbraucht ist und der Kolben sich vom oberen Totpunkt entfernt, beginnen die in 1 dargestellte Temperatur sowie auch der Druck im Verbrennungsraum abzufallen. Während die Temperatur noch oberhalb der Zündtemperatur liegt, kann die Haupt-Einspritzung des Kraftstoffs erfolgen, und zwar zusammen mit der Lufteinspritzung, vorzugsweise im Bereich der Düse der Kraftstoffeinspritzung, und zwar während mindestens eines Teils der Periode der Haupteinspritzung. Während 1 ein Temperaturplateau während der Luft- und Kraftstoffeinspritzung zeigt, kann unter diesem Gesichtspunkt die Kraftstoffeinspritzung tatsächlich kleinere, multiple Einspritzmengen umfassen, wobei die Lufteinspritzung nach Zeitpunkt, Dauer und Menge so gesteuert wird, wie es für einen optimalen Wirkungsgrad unter den dann herrschenden Maschinenbedingungen vorteilhaft ist, so dass das in 1 ge zeigte Plateau durchaus nicht eben sein muss, sondern im Wesentlichen so begrenzt ist, dass es deutlich innerhalb eines Bereichs zwischen der Zündtemperatur und der Grenztemperatur der Stickoxidbildung liegt.
  • Zwar nutzen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine hydraulische Maschinenventilbetätigung, jedoch sei bemerkt, dass andere Formen von steuerbaren Maschinenventilbetätigungen gleichermaßen anwendbar sind, wie etwa magnetische, piezoelektrische Betätigungen und dergleichen. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf mechanische Maschinenventilbetätigungssysteme, obwohl anzunehmen ist, dass der beste Wirkungsgrad erzielt werden kann durch eine bessere Steuerung mindestens des Maschinenventiltimings, als es mit einer mechanischen Maschinenventilsteuerung möglich ist.
  • Aufgrund der Einspritzung von Luft sowie auch Kraftstoff während mindestens eines Teils der Haupt-Injektion im Zuge des Krafthubs des Kolbens kann eine größere Kraftstoffmenge über einem größeren Kurbelwellenwinkel ohne Bildung von Stickoxid oder übermäßigen Kohlenwasserstoffen im Abgas eingespritzt werden, wodurch sich eine größere mechanische Energieausbeute für diesen Krafthub ergibt. Natürlich stellt 1 zwei vollständige Zyklen dar und zeigt die Voreinspritzung INJ während eines Kompressionshubs, eine schematische Darstellung des Expansions- oder Krafthubs EXP, den Auslasshub EXH und den nachfolgenden Einlasshub mit seiner eigenen Vor-Einspritzung INJ.
  • Hat man die Möglichkeit, die Maschinenventilbetätigung zu steuern, so kann man die Betriebsweise der Maschine variieren. Aus 2 ist beispielsweise eine Sechstakt-Betriebsweise ersichtlich, die anwendbar ist auf dieselbe Maschine, wie sie in 1 gezeigt ist. Hier, beginnend links in der Figur, startet ein Kompressions- und Vor-Einspritz-Hub mit dem Kolben im Bereich des unteren Totpunktes (B), wobei der Kraft- oder Expansionshub EXPAN im Wesentlichen der gleiche ist, wie der in 1 gezeigte Expansionshub EXP. Jedoch wird an oder nahe dem unteren Ende des Expansionshubs ein Einlassventil oder Einlassventile für diesen Zylinder momentan geöffnet als Steu erung für die Drücke und Temperaturen, die während einer Rekompression RECOMP derselben Brennraumcharge erzielt werden sollen. Diese Steuerung dient der Steuerung der Re-Zündung (RE-IGNITE) des unverbrannten Kohlenwasserstoffs im Brennraum, die an oder nahe dem oberen Totpunkt stattzufinden hat. Die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die aus dem ersten Verbrennungshub resultieren, ist steuerbar über die Menge an Brennstoff, die primäre während der Haupt-Injektion für diesen Hub injiziert wird, und wird natürlich vorzugsweise so gesteuert, dass die Temperaturspitze, die beim Re-Verbrennungszyklus erreicht wird, nicht die Temperaturgrenze für die Stickoxidbildung übersteigt. Jedoch ist bemerkenswert, dass aufgrund dieses Re-Verbrennungszyklus ohne Weiteres größere Pegel unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas aus dem ersten Verbrennungszyklus toleriert werden können, als es der Fall wäre, wenn das Abgas aus diesem ersten Verbrennungszyklus in die Atmosphäre abgegeben würde. Dies kann die Möglichkeit bieten, während des Haupt-Verbrennungszyklus größere Kraftstoffmengen und dies über einen größeren Kurbelwellenwinkel einzuspritzen und dadurch eine sehr viel größere Energieausbeute während dieses Expansionszyklus zu liefern, während nach wie vor sehr geringe Emissionen an Stickoxid und unverbranntem Kohlenwasserstoff erzielt werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform die Steuerung der Zündung während des Re-Verbrennungszyklus dadurch erfolgt, dass das Einlassventil oder die Einlassventile momentan zum Einlass hin geöffnet werden, wiederum einstellbar von Zyklus zu Zyklus, und zwar basierend auf den Resultaten des vorausgegangenen Zyklus. Offensichtlich könnte anstelle dessen auch ein Auslassventil momentan geöffnet werden, allerdings für den Preis höherer Emissionen. Das Öffnen eines Einlassventils zu diesem Zweck kann den prozentualen Sauerstoffgehalt in der Einlassluft etwas reduzieren, jedoch nicht ausreichend, um die Verbrennung des voreingespritzten Kraftstoffs zu begrenzen, und natürlich kann sauerstoffreiche Luft, injiziert während der Haupt-Einspritzung des Kraftstoffs, ohne Weiteres mehr bewirken, als nur für irgendeine geringfügige Absenkung des Sauerstoffgehalts im Rest des Verbrennungsraums zu sorgen. Schließlich, wie in 2 gezeigt, ergeben sich nach dem Re-Verbrennungszyklus natürlich ein konventioneller Auslass- und Einlassvorgang über dem nächsten Umlauf des Kurbelwellenwinkels, und sodann wiederholt sich der Sechstaktzyklus, sofern die Maschine nicht in einen anderen Betriebsmodus übergeht.
  • Durch Steuerung des Ventiltimings kann dieselbe Maschine in einem Zweitaktmodus betrieben werden, wie es in 3 darstellt ist. Dies ist generell ein Modus höherer Leistung, da sich die Anzahl der Krafthübe gegenüber dem Viertaktmodus verdoppelt. Bei diesem Modus kommt es zu einem Ausstoß, wenn sich der Kolben in der Nähe des unteren Totpunkts befindet, wobei Luft aus einer Quelle relativ niedrigen Drucks eingeblasen wird, vorzugsweise während des Anfangsteils des Kompressionshubs. Es erfolgt eine Vor-Einspritzung von Kraftstoff, wie es bei den Betriebsweisen nach den 1 und 2 der Fall ist, wobei die Menge der Vor-Einspritzung und die Luftmenge für die Kompression so gewählt werden, um wiederum eine Zündung an oder nahe dem oberen Totpunkt TDC des Kolbens zu bewirken und den Temperaturanstieg bei der Zündung des voreingespritzten Kraftstoff so zu begrenzen, dass das Temperaturlimit der Stickoxidbildung nicht überschritten wird. Wie bei den vorher beschriebenen Arbeitsweisen werden Kraftstoff und Luft während des Haupt-Einspritzabschnitts des Expansionshubs gesteuert eingespritzt, um eine Temperatur zu halten, die zwischen der Zündtemperatur und der Grenztemperatur für die Stickoxidbildung liegt, während dem eingespritzten Kraftstoff ausreichend Sauerstoff für eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zur Verfügung gestellt wird. Dieser Zyklus wird bei jeder Kurbelwellendrehung wiederholt, was im Übrigen einen im Wesentlichen konventionellen Zweitaktbetrieb der Maschine darstellt.
  • Es sei nun auf 4 Bezug genommen, aus der ein Schema einer möglichen, generellen Implementation der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist. Bei der Implementation ist eine Sechszylinder-Maschine gezeigt, bei der zwei zentrale Zylinder zur Kompression COMP dienen und die beiden Zylinder an jedem Ende der Maschine als Verbrennungszylinder COMB genutzt werden. Der Auslass EX der Verbrennungszylinder treibt einen Turbolader TURBO an, bevor er in die Atmosphäre ATM abgegeben wird. Der Turbolader dieser Ausführungsform bringt die Einlassluft INT auf einen Druck von ungefähr 4 bar, wobei die aufgeladene Luft an die Einlassventile sämtlicher sechs Zylinder geliefert wird. Zum Starten der Maschine oder wann immer sonst eine Steigerung der Turboaufladung erforderlich oder hilfreich ist, kann eine hydraulische Unterstützung durch einen Hydraulikmotor vorgesehen sein, der von einem Ventil gesteuert wird, das an eine Quelle für Hydraulikfluid unter dem Druck PS angeschlossen ist. Im Falle der beiden Kompressionszylinder COMP, die normalerweise zwei Einlassventile und zwei Auslassventile für jeden Zylinder aufweisen, können alle Ventile als Einlassventile arbeiten, wobei jeder der Kompressionszylinder COMP ein Rückschlagventil C. V. aufweist, um Druckluft aus den Kompressionszylindern COMP an einen Lufttank zu liefern, und zwar unter einem Druck von etwa 200 bar. Natürlich kann der Druck gesteuert werden durch Steuerung des Kurbelwellenwinkels, bei dem die Einlassventile der Kompressionszylinder COMP geschlossen sind, was natürlich auch das Volumen der Hochdruckluft steuert, die an den Lufttank geliefert wird. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass die Kompressionszylinder COMP immer in einem Zweitakt-Kompressionsmodus arbeiten, unabhängig davon, ob die Verbrennungszylinder COMB ihrerseits in einem Zweitaktzyklus, einem Viertaktzyklus, einem Sechstaktzyklus oder in irgendeinem anderen Modus arbeiten. Die Luft aus dem Lufttank wird in jeden der Verbrennungsräume COMB über ein Ventil eingeblasen, welches bei der bevorzugten Ausführungsform ebenfalls hydraulisch über einen elektronischen Kontroller gesteuert wird und natürlich so zeitgesteuert und dimensioniert etc. ist, um die gewünschte Menge und das gewünschte Timing der in den Verbrennungsraum eingeblasenen Luft zu liefern. Diesbezüglich muss der Druck in dem Lufttank natürlich höher sein als der Druck im Verbrennungsraum zum Zeitpunkt der Lufteinblasung, jedoch wird dies bei der bevor zugten Ausführungsform ohne Weiteres dadurch erzielt, dass man den Druck im Verbrennungsraum aktuell überwacht, und zwar sowohl als Druck als auch als Indikation für die Temperatur im Verbrennungsraum. Es sei darauf hingewiesen, dass zwar in 4 schematisch ein einziges Ventil zum Einblasen der Luft aus dem Lufttank dargestellt ist, dass jedoch eine Mehrzahl von Ventilen verwendet werden kann. Vorzugsweise wird der Druck im Lufttank gesteuert durch Steuerung der Einlassventile der Kompressionszylinder COMP, um einen höheren Druck zur Verfügung zu stellen, als er in dem Verbrennungsraum COMB während der Lufteinblasung herrscht, nicht jedoch um soviel höher, dass unnötig Energie verschwendet wird. Diesbezüglich kann der höchste Druck, der im Lufttank erzielbar ist, ohne Weiteres konstruktiv eingestellt werden, und zwar durch Wahl des Kompressionsverhältnisses des Kompressionszylinders COMP, welches durch Gestaltung des Zylinderkopfes unterschiedlich und insbesondere größer sein kann als das Kompressionsverhältnis des Verbrennungszylinders COMB. Der aktuelle Druck im Lufttank sowie auch das an den Lufttank gelieferte Luftvolumen sind ohne weiteres steuerbar durch Steuerung der Einlassventile der Kompressionszylinder.
  • Bemerkt sei, dass die Luft im Lufttank generell heiß ist, und zwar aufgrund der im Wesentlichen adiabaten Kompression, obwohl generell nicht viel von dieser Energie verloren geht, da normalerweise die Hochdruckluft zur Injektion genutzt wird, bevor diese Wärm verloren geht. Alternativ besteht natürlich die Möglichkeit, dass der Lufttank im Wesentlichen größer ist und ein signifikantes Reservoir für Hochdruckluft bildet, um eine beträchtliche Steigerung der Maschinenleistung und Leistungsabgabe für mindestens eine kurze Zeitdauer zu liefern. Als weitere Alternative besteht die Möglichkeit, dass der Lufttank aus einem relativ kleinen primären Lufttank und einem wesentlich größeren sekundären Lufttank besteht, wobei der sekundäre Lufttank zu gewissen Zeiten mit Hochdruckluft gefüllt wird, beispielsweise während die Maschine zum Bremsen benutzt wird, woraus eine zusätzliche Verbesserung des Kraftstoff verbrauchs und folglich eine Reduzierung der CO2-Emissionen resultier.
  • Es sei nun auf die 5 und 6 Bezug genommen, aus denen eine schematische Draufsicht auf einen Abschnitt des Zylinderkopfes einer Maschine nach der vorliegenden Erfindung sowie ein schematischer Querschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes ersichtlich sind. Wie in 5 gezeigt, handelt es sich bei dem Zylinder zur rechten Seite der Figur um einen Kompressionszylinder, bei dem alle vier Ventile als Einlassventile INT genutzt werden, wobei das Rückschlagventil wesentlich kleiner ist, und zwar aufgrund des sehr hohen Drucks und des sehr kleinen Volumens der Hochdruck-Auslassluft im Vergleich zu dem niedrigen Druck der Einlassluft. Der Zylinder in der Mitte der Figur zeigt zwei Einlassventile INT und zwei Auslassventile EXH, und zwar mit einem Kraftstoffinjektor in deren Zentrum. Oberhalb des Kraftstoffinjektors ist ein Ventil dargestellt, welches den Einlass der Hochdruckluft aus dem Lufttank zu den Hochdruckluft-Kanälen für eine gleichförmige Mischung steuert. Diese Kanäle sind ebenfalls in 6 dargestellt, wobei das Hochdruckventil die Einblasung der Hochdruckluft aus dem Lufttank steuert, und zwar bei dieser Ausführungsform in Regionen und um die Maschinenventile herum. Während die 5 und 6 ein exemplarisches Leitungssystem zum Verteilen der Luft zeigen, die während des Expansionshubs in den Verbrennungsraum eingeblasen wird, ist es offensichtlich, dass ein solches Leitungssystem viele Formen annehmen kann, beispielsweise gegebenenfalls durch Einblasen von Luft rund um den Umfang des Kraftstoffinjektors, durch Abwinkeln der Öffnungen, durch die die Luft eingeblasen wird, alle in derselben oder in unterschiedlichen Richtungen, etc.
  • Die vorliegende Erfindung wurde hier in Bezug auf Dieselmotoren beschreiben, ist jedoch anwendbar auf andere Maschinentypen, wie Benzinmotoren und Maschinen für alternative Kraftstoffe, etwa Biodiesel-Maschinen und dergleichen. Im Falle von Benzinmotoren kann eine Vergasung oder Vor-Einspritzung angewendet werden, um ein durch Funken zündbares Gemisch an oder nahe dem oberen Totpunkt zu erzeugen, wobei zusätzlicher Kraftstoff und zusätzliche Luft während eines Teils des Krafthubs injiziert werden, wie im Falle von Dieselmotoren. Alternativ kann reine Kompressionszündung unabhängig vom verwendeten Kraftstoff eingesetzt werden unter Verwendung eines aus der Vor-Injektion resultierenden ausreichend mageren Gemischs zur Begrenzung der höchsten erzielten Temperatur auf eine Temperatur, die die Grenztemperatur der Stickoxidbildung nicht übersteigt oder kein Klopfen hervorruft und außerdem zum im Wesentlichen augenblicklichen Zünden des zusätzlichen Kraftstoffs, der in Verbindung mit dem Einblasen von Luft während der Haupt-Injektion in den Verbrennungsraum eingespritzt wird. Als weitere Alternative kann Funkenzündung eingesetzt werden, um einen Benzinmotor zu starten, und zwar entweder in einem normalen Zyklus oder im erfindungsgemäßen Zyklus, woraufhin nach dem Start und/oder nach einem gewissen Aufwärmgrad der Maschine auf Kompressionszündung übergegangen wird.
  • Im Zusammenhang mit der vorstehenden Offenbarung ist zu bemerken, dass bei Verwendung von Benzin im Kompressionszündungsmodus die Maschinensteuerung sich automatisch so einstellt, dass die Zündung an oder nahe dem oberen Totpunkt erfolgt, und zwar unabhängig von der Oktanzahl des verwendeten Benzins.
  • In Übereinstimmung mit der Offenbarung der U.S. Provisional Patent Application No. 60/819,062 werden Mehrzylinder-Kompressionszündungsmaschinen und Verfahren zu deren Betreiben offenbart, die viele Vorteile über die nach dem Stande der Technik aufweisen. Bei einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Zylinder der Maschine zur Luftkompression und ein weiterer Zylinder der Maschine als Verbrennungs- oder Kraftzylinder eingesetzt. Beispielsweise kann bei einer Sechs- oder Achtzylindermaschine eine Hälfte der Zylinder als Kompressionszylinder und die andere Hälfte als Verbrennungs- oder Kraftzylinder eingesetzt werden, obwohl dieses Eins-zu-Eins-Verhältnis lediglich ein Beispiel und keine Beschränkung der Erfindung darstellt.
  • Im Folgenden sei speziell auf 7 Bezug genommen, aus der eine schematische Darstellung von zwei Zylindern einer Mehrzylindermaschine entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist. Diese Figur zeigt schematisch die exemplarische Ventilausrüstung für zwei Zylinder der Maschine, wobei der rechte Zylinder 20 dieser Figur zur Kompression verwendet wird und der linke Zylinder 22 als Verbrennungs- oder Kraftzylinder dient. Es sei vorausgesetzt, dass die Maschine elektronisch steuerbare Ventile, wie etwa Einlass- und Auslassventile, sowie elektronisch steuerbare Kraftstoffinjektoren aufweist, so dass das Timing der Ventile und das Timing der Einspritzung über ein geeignetes elektronisches Steuersystem elektronisch steuerbar sind. Ein geeignetes Maschinenventilsteuersystem ist ein elektronisch steuerbares, hydraulisches Maschenventilsteuersystem, wie etwa das nach dem U.S. Patent 6,739,293 , dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme (bereits) inkorporiert ist. Ein Beispiel für einen geeigneten Kraftstoffinjektor kann im Wesentlichen dem Typus nach dem U.S. Patent 5,460,329 entsprechen, dessen Offenbarung hier ebenfalls durch Bezugnahme inkorporiert wird.
  • Wie in 7 gezeigt, ist eine Einlassleitung INTAKE mit drei Einlassventilen IN des Kompressionszylinders 20 und mit einem einzigen Einlassventil IN des in der Figur linksseitigen Verbrennungszylinders 22 verbunden. Während die Einlassleitung auf einem etwas erhöhten Druck liegen kann, beispielsweise über einen Lader, entspricht bei einer bevorzugten Ausführungsform der Druck in der Einlassleitung INTAKE lediglich dem Atmosphärendruck oder liegt geringfügig darüber, und zwar aufgrund des dynamischen Drucks aus der Bewegung des Fahrzeugs, in welchem die Maschine montiert ist. In gleicher Weise kann die Auslassleitung EX bei einer bevorzugten Ausführungsform so nahe wie vernünftigerweise möglich am Atmosphärendruck liegen, obwohl, wenn auch nicht bevorzugt, ein Abgaslader in Verbindung mit der Erfindung eingesetzt werden kann.
  • Zusätzlich zu der Einlassleitung INTAKE und der Auslassleitung EX können eine Niederdruckluftschiene ARL sowie eine Hochdruckluftschiene ARH vorgesehen sein. Die Niederdruckluftschiene ARL ist vorzugsweise an einen Speichertank 24 mit wesentlicher Speicherkapazität angeschlossen. Die Hochdruckluft schiene ARH besitzt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nur ihr eigenes Innenvolumen, weist jedoch keinen separaten Speichertank auf, an dem sie angeschlossen wäre. Als Alternative jedoch kann ein Hochdruckluftspeichertank verwendet werden, und zwar mit oder ohne zugeordnetem steuerbarem Ventil, zum Anschluss desselben an die Hochdruckluftschiene ARH.
  • Während des Einlasshubs des Kompressionszylinders 20 sind die Einlassventile IN im Wesentlichen offen, woraufhin während des Kompressionshubs die komprimierte Luft ausgelassen wird, und zwar entweder durch Öffnen des Ventils ARL, um die komprimierte Luft an die Niederdruckluftschiene ARL und deren zugehörigen Speichertank 24 anzuschließen, oder durch Ausblasen der komprimierten Luft durch das Hochdruckluftauslassventil ARH in die Hochdruckluftschiene ARH. Für einen höchst effizienten Betrieb ist das Öffnen des Auslassventils zur Niederdruckschiene ARL oder das Öffnen des Hochdruckauslassventils ARH zur Hochdruckschiene ARH koordiniert mit dem Druck im Kompressionszylinder 20, und zwar durch Überwachung des Drucks im Kompressionszylinder 20 mittels eines Drucksensors 26. Diesbezüglich sind nicht gezeigte Drucksensoren vorgesehen, die den Druck in der Niederdruckluftschiene ARL und der Hochdruckluftschiene ARH erfassen, teils zum Zwecke der Gesamtsteuerung der Maschine und zusätzlich zur geeigneten Zeitsteuerung des Öffnens jedes der Auslassventile des Kompressionszylinders 20, so dass sich kein signifikanter Energieverlust durch große Druckdifferenzen zwischen dem Kompressionszylinder 20 und der Schiene, in die sich das jeweilige Auslassventil öffnet, ergeben, sei es aufgrund einer positiven oder negativen Druckdifferenz. In diesem Zusammenhang ist ferner zu beachten, dass die Menge der komprimierten Luft, die ein gewisses Maximalvolumen aufweist aufgrund der Größe des Kompressionszylinders 20, der vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise denselben Durchmesser wie der Kraftzylinder 22 aufweist, reduziert werden kann durch Schließen der Einlassventile im Wesentlichen bevor der Kolben während des Einlasshubs seinen unteren Totpunkt erreicht, oder, alternativ, im Wesentlichen nachdem der Kolben seinen unteren Totpunkt passiert hat, so dass die Luft menge, die im Kompressionszylinder 20 zur Kompression gefangen ist, auf diese Weise reduziert wird. Durch Nichtöffnen der Einlassventile IN während des Einlasshubs und/oder durch Nichtöffnen eines der Auslassventile zu einer der beiden druckbeaufschlagten Luftschienen lässt sich die Menge an komprimierter Luft, die zu den beiden Luftschienen geliefert wird, auf Null reduzieren. Beachtlich ist ferner, dass das Kompressionsverhältnis des Kompressionszylinders 20 mit dem des Verbrennungszylinders übereinstimmen oder sich von diesem unterscheiden kann und, genauer gesagt, nach Wunsch höher sein kann als das des Kompressionszylinders.
  • Durch Steuerung des Einlassventils IN und der Auslassventile ARL und ARH des Kompressionszylinders 20 sowie durch Nutzung der Luft aus diesen Druckluftschienen lässt sich also der Druck in der Niederdruckluftschiene ARL und deren zugehörigem Speichertank 24 sowie in der Hochdruckluftschiene ARH ohne weiteres steuern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Druck in der Niederdruckluftschiene ARL normalerweise etwa 15 bar betragen, gegebenenfalls mit einem unteren Wert von etwa 10 bar und einem oberen Wert von etwa 20 bar. Andererseits ist der Druck in der Hochdruckluftschiene ARH vorzugsweise wesentlich höher, bei einer Ausführungsform in einem Bereich von etwa 140 bar bis etwa 200 bar.
  • Der Verbrennungszylinder 22 umfasst ein Einlassventil IN, dass an die Einlassleitung INTAKE angeschossen ist, sowie zwei Auslassventile EX, die an die Auslassleitung EX angeschlossen sind. Der Verbrennungszylinder umfasst ferner einen Kraftstoffinjektor INJ, der vorzugsweise etwa zentrisch bezüglich des Verbrennungszylinders angeordnet ist. Folglich kann der Verbrennungszylinder 22 betrieben werden als konventionelle Viertakt-Kompressions-Verbrennungs-Maschine mit einem Einlass-, einem Kompressions-, einem Verbrennungs- und einem Auslasshub. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung jedoch kann der Betrieb der Maschine selbst bei einem konventionellen Viertaktmodus verbessert werden durch Einspritzen nicht nur des Kraftstoffs für die Verbrennung, sondern gleichzeitig durch Einblasen von Luft aus der Hochdruckluftschiene ARH, und zwar bei der gezeigten Ausführungsform entweder durch ein kleines Hochdruck-Luftinjektionsventil ARH2, durch ein größeres Hochdruck-Luftinjektionsventil ARH1 oder durch beide dieser Ventile. Wie es im Folgenden noch detaillierter gezeigt werden soll, wird diese Hochdruckluft, wenn injiziert, vorzugsweise rund um die Düse des Kraftstoffinjektors INJ selbst injiziert, wobei diese Luftinjektion eine Anzahl von Vorteilen mit sich bringt. Zum ersten erzeugt die Injektion von Hochdruckluft Turbulenzen in der direkten Nachbarschaft des aus dem Kraftstoffinjektor austretenden Kraftstoffsprühnebels, was für eine viel bessere Mischung sorgt und lokale Hot Spots vermeidet, die NOx bilden können. Auch spritzt ein typischer Kraftstoffinjektor Kraftstoff mit einer im Wesentlichen radialen Komponente in den Verbrennungsraum ein, und zwar zur Vermeidung oder mindestens Minimierung eines Auftreffens des injizierten Kraftstoffs auf den Kolben, was den Kolben beschädigen sowie auch hohen Emissionen aufgrund einer dadurch bewirkt unvollständigen Verbrennung hervorrufen kann. Als Resultat jedoch ergibt sich, dass dann, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt entfernt, dies auch die Luft tut, in der die Verbrennung erwünscht ist, so dass eine fortgesetzte Einspritzung dazu tendiert, sich in dem Bereich, der nun den oberen Teil des Verbrennungsraumvolumens bildet, zu konzentrieren, wodurch der Vorteil der darunter befindlichen, sauerstoffreicheren Luft nicht genutzt wird. Durch Einspritzen der Hochdruckluft, wie beschrieben, wird die Luft rund um die Injektordüse, deren Sauerstoffgehalt andernfalls erschöpft werden könnte, anstelle dessen mit sauerstoffreicher Luft ergänzt, was gegenüber dem Stande der Technik eine vollständigere Verbrennung erlaubt, selbst bei einem langen Einspritzvorgang. In diesem Zusammenhang wird bei der bevorzugten Ausführungsform ein Drucksensor 28 auch im Verbrennungsraum eingesetzt, wobei der Drucksensor 28 nicht nur den Druck erfasst, sondern in wirksamer Weise eine indirekte Anzeige der Verbrennungsraumtemperatur liefert. Dementsprechend kann der Kraftstoffinjektor INJ so gesteuert werden, dass er die Kraftstoffeinspritzraten steuert/begrenzt, um den Verbrennungsraumdruck zu begrenzen und damit die Verbrennungsraumtemperatur auf Temperaturen unterhalb der NOx-Bildung zu limitieren. Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist, dass aufgrund der Injektion von Hochdruckluft während der Kraftstoffeinspritzung ein Kraftstoffeinspritzvorgang einen größeren Kurbelwellen-Winkelbereich als im Stande der Technik überdecken kann, und zwar aufgrund der Ergänzung sauerstoffreicher Luft in der Nachbarschaft des eingespritzten Kraftstoffs, selbst nachdem sich der Kolben wesentlich nach unten von der oberen Totpunktlage entfernt hat. Natürlich kann man Pilot-Injektion zusammen mit Haupt-Injektion anwenden, wobei es sich dabei um eine kontinuierliche oder pulsierende Injektion handeln kann, und zwar zur wunschgemäßen Begrenzung der Brennraumtemperatur unter diejenige, bei der NOx entsteht, und zwar in Abhängigkeit von der Leistungsfähigkeit des Injektionssystems. Gleichermaßen kann (oder kann nicht) die Injektion von Hochdruckluft während jeglicher Vor-Injektion stattfinden, und sie kann (oder kann nicht) exakt mit der Haupt-Injektion von Kraftstoff erfolgen, und zwar je nach Wunsch, und sie kann gezielt variieren mit den Maschinenbetriebsbedingungen.
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird nun ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ersichtlich. Unter diesem Aspekt kann eine erfindungsgemäße Maschine, etwa die nach 7, als Zweitaktmaschine betrieben werden, wobei sie ebenso viele Krafthübe für dieselbe Maschinendrehzahl zur Verfügung stellt, wie sie erzielbar wären, wenn beide Zylinder gemäß 7 in einem konventionellen Viertaktzyklus betrieben würden. 8 zeigt den Betrieb der Maschine als Zweitakter, und zwar in Form eines Diagramms der Temperatur über der Kolbenposition, wobei verschiedene Punkte des Diagramms in Übereinstimmung mit verschiedenen Vorgängen während des Betriebs der Maschine bezeichnet sind. Das Diagramm zeigt die Bedingungen vom unteren Totpunkt B des Kolbens im Verbrennungszylinder 22 bis zum oberen Totpunkt T und zurück zum unteren Totpunkt B, woraufhin der dargestellte Zyklus wiederholt wird, oder, alternativ, unter Bedingungen geringer Leistungsabgabe, einen optionalen Re-Verbrennungszyklus, der durchgeführt werden kann während des nächsten Kolbenweges vom unteren Totpunkt B zum oberen Tot- Punkt T und zurück zum unteren Totpunkt B, wie es rechterhand im Diagramm nach 8 dargestellt ist. Ausgehend von links im Diagramm nach 8 am unteren Totpunkt B, ist das Auslassventil (EVO) geöffnet über den größten Teil des Kolbenweges gegen dessen oberen Totpunkt T. Sodann bei einem geeigneten Kurbelwellenwinkel, wie er bestimmt werden kann vom Steuersystem auf der Basis der Maschinenbetriebsbedingungen und der Umweltbedingungen und wie er eingestellt werden kann von Zyklus zu Zyklus, teils auf der Basis des Betriebs während des vorhergehenden Zyklus, wird im Punkt 2 das Auslassventil geschlossen (EVC), und es wird an diesem Punkt oder kurz danach Luft aus der Niederdruckluftschiene ARL über das Ventil ARL (7) an den Verbrennungszylinder angeschlossen, wobei eine geringfügige Pilot-Injektion von Kraftstoff stattfindet (Punkt 3), und wobei die Pilot-Injektion und die Luftinjektion am Punkt 4 beendet sind. Sodann an einem Punkt kurz vor oder kurz nach Erreichen der Zündtemperatur kann mehr Kraftstoff und Hochdruckluft in den Verbrennungsraum injiziert und sodann die Injektion beendet werden, indessen nach Erreichen der höchsten Temperatur (Druck) im Punkt 7 und Beginn des Temperaturabfalls, wenn sich der Kolben nach unten bewegt, Hochdruckluft und Kraftstoff injiziert werden können, um die Verbrennung und damit die Temperatur und den Druck im Verbrennungsraum über einem wesentlichen Kurbelwellenwinkel aufrechtzuerhalten, alles bei einer Temperatur unterhalb derjenigen Temperatur, bei der sich NOx bildet, woraufhin am Punkt 8 die Injektion von Kraftstoff und Luft für den verbleibenden Krafthub gestoppt wird, wobei entweder das Auslassventil nahe dem unteren Totpunkt (Punkt 9) geöffnet wird, um den gerade beschriebenen Zyklus zu wiederholen, oder beim Arbeiten im niedrigen Leistungsbereich einen Re-Verbrennungszyklus für die Brennraumcharge durchzuführen, indem sämtliche Ventile des Brennraums offen gelassen werden, oder, alternativ, durch Steuerung eines oder mehrerer der Auslassventile EX, der Einlassventile IN und/oder des zu einer der Luftschienen führenden Ventils, um den Druck und das Volumen und damit die Temperatur der Re- Verbrennungscharge zu steuern, so dass die Zündung der Re-Verbrennung an oder nahe dem oberen Totpunkts erfolgt.
  • Die obige Erläuterung der Arbeitsweise der Maschine nach der vorliegenden Erfindung für einen Zweitaktbetrieb ist selbstverständlich lediglich exemplarisch, da die Piloteinspritzung ohne Hochdruckluftinjektion erfolgen oder tatsächlich insgesamt entfallen kann. In ähnlicher Weise kann die Pilotinjektion etwas später während des Kompressionshubs durchgeführt werden, wobei die Hauptinjektion und die Hochdruckluftinjektion nach dem Zünden der Pilotinjektion durchgeführt werden, jedoch in gesteuerter Weise (pulsierend oder anderweitig), um die obere Temperatur im Verbrennungsraum unterhalb derjenigen zu halten, bei der sich NOx bildet, jedoch um einen wesentlichen Druck und eine wesentliche Temperatur im Verbrennungsraum aufrechtzuerhalten während eines beträchtlichen Kurbelwellenwinkels für einen höchst effektiven Krafthub.
  • Es sei nun auf 9 Bezug genommen, aus der ein Querschnitt eines Zylinderkopfes im Bereich des Verbrennungszylinders 22 (7) ersichtlich ist. Gezeigt in dieser Figur ist ein Maschinenventil, etwa eines der Auslassventile EX oder das Einlassventil IN nach 7. Nicht dargestellt ist das Einlassventil ARL, das an die Niederdruckluftschiene ARL angeschlossen ist, wiederum ersichtlich in 7, jedoch kann es sich bei diesem Ventil um ein konventionelles Rohrventil handeln, wie etwa das Maschinenventil nach 9, jedoch typischerweise wesentlich kleiner wegen des noch wesentlich erhöhten Drucks und der wesentlich erhöhten Dichte der Luft in der Niederdruckluftschiene, im Vergleich zum atmosphärischen Druck. Gezeigt in 9 jedoch ist noch ein weiteres, typisches, kleineres Rohrventil 30, das, wenn geöffnet, die Hochdruckluftschiene ARH an einen Leitungsbereich 32 anschließt, der seinerseits die Hochdruckluft im Umfang rund um die Düse des Kraftstoffinjektors INJ verteilt, und zwar durch Ausstoßen der Hochdruckluft durch einen ringförmigen Bereich 34. Bei einer typischen Anwendung wird die Luft in der Hochdruckluftschiene in den Verbrennungszylinder injiziert bei einem gesteuerten Druck oberhalb des Druckes im Verbrennungszylinder, um einen wesentlichen Luftstrom durch den während der Einspritzung vom Kraftstoffinjektor abgegebenen Sprühnebel zu erzeugen, jedoch nicht bei solch einer hohen Druckdifferenz, bei der wesentlich Energie verloren geht. Die in dieser Weise erfolgende Luftinjektion vermeidet Hot Spots im Verbrennungsraum, schafft eine sehr viel bessere Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffs und der injizierten Luft und ergänzt sauerstoffreiche Luft, wie diese durch den Verbrennungsprozess in demjenigen Teil des Zylinders verbraucht wird, in den der Kraftstoff eingespritzt wird, um die Möglichkeit zu bieten, mehr Kraftstoff einzuspritzen und zu verbrennen, um gegebenenfalls bei jedem Krafthub eine erhöhte Leistungsabgabe zu ermöglichen.
  • Eine weitere Betriebsweise der Vorrichtungen nach der Erfindung ergibt sich aus 10. Dieser Modus wird erläutert in Verbindung mit einem Zweitaktbetrieb der Maschine, kann jedoch, wie auch die vorhergehenden Betriebsweisen, auf einen Viertakt- oder Mehrtaktbetrieb erstreckt werden, wie es gewünscht oder ausgewählt wird auf der Basis der Maschinenbetriebsbedingungen. Das Konzept dieser Betriebsweise besteht darin, das an oder oberhalb des unteren Totpunkts BDC des Kolbens im Anschluss an einen Krafthub das Auslassventil EXH oder -ventile für den größten Teil des Kolbenweges gegen den oberen Totpunkt TDC des Kolbens geöffnet werden, woraufhin das Auslassventil bzw. die Auslassventile geschlossen werden. Sodann früh in der anschließenden Kompression erfolgt die Kraftstoffeinspritzung und setzt sich fort, bis eine vollständige Kraftstoffeinspritzung durchgeführt worden ist. Gegen Ende der Kraftstoffeinspritzung oder nach Abschluss der Kraftstoffeinspritzung beginnt die Injektion von Hochdruckluft aus der Hochdruckluftschiene ARH im Bereich des oberen Totpunkts oder kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt TDC erreicht hat, wobei die Zündung nahe der oberen Totpunktlage TDC erfolgt und sich fortsetzt, während die Hochdruckluft weiterhin injiziert wird, bis ein wesentlicher Kurbelwellenwinkel hinter dem oberen Totpunkt erreicht ist. Anschließend nach Vervollständigung der Verbrennung findet eine normale Expansion statt bis zum oberen Totpunkt oder in die Nähe des unteren Totpunktes BDC des Kolbens, zu welchem Zeitpunkt das Auslassventil öffnet, um den gerade beschriebenen Zyklus zu wiederholen. Alternativ kann die anfängliche Luftinjektion aus der Niederdruckluftschiene ARL erfolgen, gefolgt von einer Luftinjektion aus der Hochdruckschiene ARH, wobei diese Drücke über das Ventiltiming steuerbar sind, um die effizientesten Injektionsdrücke zur Verfügung zu stellen.
  • Der Vorteil dieser letztgenannten Arbeitsweise ist folgender. Da die Kraftstoffeinspritzung in die heißen Abgase des vorhergehenden Krafthubs erfolgt, bevor die Verbrennung eingeleitet wird, wird der eingespritzte Kraftstoff durch die heißen Abgase verdampft (in den gasförmigen Zustand überführt), um eine sehr kraftstoffreiche Umgebung zu schaffen im Vergleich zu dem begrenzten Sauerstoffgehalt in den Abgasen. Folglich wird eine Kompressionszündung dieses Gemischs in der Temperatur begrenzt durch den begrenzt zur Verfügung stehenden Sauerstoff und natürlich automatisch unterhalb derjenigen Temperatur gehalten, bei der NOx gebildet werden kann. Die Hochdruckluftinjektion, die vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise vor der Kompressionszündung beginnt, steigert die Verbrennung und somit die Temperaturen nach der Kompressionszündung, wobei jedoch das Timing und die Menge der Luftinjektion gesteuert werden können, um die Verbrennungstemperaturen noch unterhalb derjenigen Temperaturen zu halten, bei denen sich NOx bildet. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass, wenn sich die Hochdruckinjektion fortsetzt, die Verbrennung weitergeht, bis der Kraftstoff verbraucht ist, allerdings mit einem gesteuerten Kraftstoff-Luft-Gemisch, um lokale Hot Spots zu vermeiden, die andernfalls die Bildung von NOx hervorrufen. Im Vergleich hierzu werden bei einer konventionellen Dieselmaschine Kraftstofftröpfchen in sauerstoffreiche Luft gesprüht, was zu lokalen Hot Spots und zur Erzeugung von NOx führt, wohingegen bei dieser Arbeitsweise Kraftstofftröpfchen verdampft (in einen gasförmigen Zustand überführt) werden und der Dampf sorgfältig mit dem restlichen Abgas und vorzugsweise mit der anfänglich injizierten Hochdruckluft gemischt wird, so dass die Kraftstoff-Luft-Verhältnisse während der Verbrennung über dem Verbrennungsraum begrenzt werden können und begrenzt werden unter diejenigen Werte, bei denen Temperaturen entstehen, die NOx erzeugen. Das Timing und die Menge der Kraftstoffeinspritzung sowie das Timing und die Menge der Hochdruckluftinjektion können offensichtlich mit den Maschinenbetriebsbedingungen und den Umweltbedingungen variiert werden, um die gewünschte Leistung aufrecht zu erhalten, während eine geeignete Einstellung erfolgt, um minimale Emissionen zu liefern. Erneut, wie oben, erhöht eine Arbeitsweise im Zweitaktmodus die Leistungsabgabe des Verbrennungszylinders, um die Voraussetzungen für den Einsatz eines weiteren Zylinders zur Druckbeaufschlagung der Hochdruckschiene ARH zu schaffen. Ferner kann die Hochdruckluft in den Verbrennungszylinder in einer Art und Weise injiziert werden, die die Gemischbildung fördert und die Zylinderwände von unverbrannten Kraftstoffdämpfen und Luft reinigt, um eine vollständige Verbrennung zu fördern.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass Maschinen nach der vorliegenden Erfindung in einer Art von Mischung aus den hier beschriebenen Betriebsweisen betrieben werden können. Während, wie soeben beschrieben, der Hauptteil der Kraftstoffeinspritzung vor der Kompressionszündung erfolgen kann, besteht beispielsweise die Möglichkeit, nach Wunsch einigen zusätzlichen Kraftstoff während des Krafthubs einzuspritzen. In diesem Zusammenhang ist folgendes zu bemerken. Aufgrund der Möglichkeit, das Timing der Einlass- und Auslassventile des Kompressionszylinders sowie der Auslassventile, der Luftinjektionsventile und des Kraftstoffinjektors des Verbrennungszylinders zu steuern, sind das Timing der Luftinjektion und der Kraftstoffinjektion sowie der Menge der Luft- und Kraftstoffinjektion, sei es durch einen einzigen Injektionsvorgang oder durch mehrere Injektionsvorgänge, vollständig steuerbar und nach Wunsch variierbar, vorzugsweise in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen und den Umweltbedingungen. Die Anordnung eines Einlassventils oder von Einlassventilen am Verbrennungszylinder gemäß 7 gestattet ferner eine Flexibilität in den möglichen Betriebsweisen der Maschine, wie oben beschrieben. Natürlich gestattet der Drucksensor 28 nach 7 eine Zyklus-zu-Zyklus-Optimierung des Betriebs der Maschine, basierend auf beliebigen Abweichungen von dem optimalen Betrieb während des vorhergehenden Zyklus.
  • Die vorliegende Erfindung wurde hier beschrieben unter Bezugnahme auf die Injektion eines Kraftstoffs für die Kompressionszündung, bei welchem es sich nach einer bevorzugten Ausführungsform um Dieselkraftstoff handelt, jedoch können nach Wunsch andere Kraftstoffe auf Erdölbasis oder Nicht-Erdölbasis verwendet werden. Ferner, wie für den Fachmann ersichtlich, können nach geeigneter Änderung gasförmiger Kraftstoff und Flüssiggas gleichermaßen eingesetzt werden, beispielsweise Flüssigerdgas, Propan, Butan und Wasserstoff, um nur einige Beispiele zu nennen. Beliebige dieser Kraftstoffe oder Mischungen aus beliebigen dieser Kraftstoffe können eingesetzt werden alleine oder in Kombination mit geringen Mengen eines oder mehrerer geeigneter Additive, beispielsweise dazu, die Kompressionszündung bei einer gewünschten Verbrennungsraumtemperatur zu initiieren. Auch kann die Maschine der vorliegenden Erfindung für Dieselkraftstoff sowie auch für irgendeinen dieser anderen Kraftstoffe ohne weiteres gesteuert werden über ein Steuersystem, wie etwa das nach 11. Wie in dieser Figur gezeigt, können die Maschinenventile, die Luftsteuerventile und die Injektoren der Maschine von einem Kontroller gesteuert werden, vorzugsweise von einem Kontroller auf Mikroprozessorbasis unter der Steuerung eines Programms, das in einem ROM-Speicher im Controller gespeichert ist und in Abhängigkeit von der Leistungseinstellung, basierend auf den Maschinenbetriebsbedingungen, den Umweltbedingungen und den Zylinder- und Luftschienen-Drücken, um die normalen Parameter für den Betrieb der Maschinenventile, der Luftsteuerventile und der Injektoren zu bestimmen, wie es basieren kann auf vorbestimmten Informationen, gespeichert in den Look-Up Tables. Ein solcher Controller im erfindungsgemäßen System spricht vorzugsweise an auf die Drucksensoren im Kompressionszylinder 20, im Verbrennungszylinder 22 und in den Nieder- und Hochdruckluftschienen ARL und ARH, um den Betrieb des Systems für eine optimale Leistung zu koordinieren, wobei der Betrieb während eines einzelnen Arbeitszyklus der Maschine vorzugsweise eingestellt wird auf der Basis des Betriebs während des vorhergehenden Zyklus, um im Wesentlichen eine oder mehrere geschlossene Schleifen zu bilden, um sicherzustellen, dass die Zündung am geeigneten Kurbelwellenwinkel erfolgt, dass die Temperaturgrenzen des Verbrennungsraums nicht überschritten werden, etc. Auch können natürlich andere Betriebsweisen ohne weiteres inkorporiert werden, wie etwa Kompressionsbremsung, Speicherung zusätzlicher Hochdruckluft bei Anwendung der Maschinen- oder Kompressionsbremsung oder einfach bei niedrigen Energieeinstellungen, Betrieb bei höheren Taktmoden, wie etwa Sechserzyklen und Achterzyklen, Springzyklusbetrieb (skip cycle Operation) etc. In diesem Zusammenhang kann die Maschine bei stoßweisem Bedarf an Zusatzleistung mit Hochdruckluftinjektion betrieben werden, basierend auf vorher gespeicherter Hochdruckluft, wobei eine Zeit lang der Energieverbrauch entfällt, der erforderlich ist, um Hochdruckluft für die Einspritzung zur Verfügung zu stellen, während gleichzeitig der Vorteil der Extraleistung, erzielt durch die Hochdruckluftinjektion, genutzt wird. Dies hat Vorteile gegenüber anderen Energiespeichertechniken, wie etwa der Batteriespeicherung, da keine Umwandlung in elektrische Energie und wieder zurück mit den damit verbundenen Verlusten und der damit verbundenen Komplexität erforderlich ist. Es hat sogar Vorteile gegenüber der Speicherung von Hochdruckluft aus irgendeinem anderen Kompressor und Rückverwandlung in mechanische Energie durch irgendeine Turbine oder einen anderen pneumatischen Motor, und zwar vor allen Dingen deshalb, weil die Notwendigkeit für diese Zusatzkomponenten vermieden wird. Die Erfindung hat außerdem einen großen Vorteil durch Verbesserung der Verbrennung und Vermeidung der Bildung von NOx, was wesentlich praktischer und wesentlich kostengünstiger ist als der Versuch, NOx als Emission zu beseitigen, wenn es einmal gebildet worden ist.
  • Im Folgenden wird auf 12 Bezug genommen. Dort ist ein Diagramm zu sehen, das die Bedingungen aufzeigt, unter denen Ruß und NOx erzeugt werden. Dieses Diagramm ist insoweit nützlich, als es hilft, die verschiedenen Konzepte und Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Auf der X-Achse ist die Temperatur in Grad Kelvin aufgetragen, und auf der Y-Achse das Äquivalenzverhältnis. Das Äquivalenzverhältnis ist das Verhältnis von Kraftstoff zu Oxidiermittel, geteilt durch das stoichiometrische Verhältnis von Kraftstoff zu Oxidiermittel. Ein Äquivalenzverhältnis von zwei, wie es in dem Diagramm hervorgerufen ist, repräsentiert also doppelt soviel Kraftstoff, als das vorhandene Oxidiermittel verbrennen kann. Typisch für eine bekannt Dieselmaschine, liegt das Äquivalenzverhältnis großmaßstäblich unter Eins, das heißt, die Gesamtmenge an Kraftstoff, eingespritzt für die Gesamtmenge an Sauerstoff im Zylinder, liegt normalerweise unterhalb des stoichiometrischen Verhältnisses. Verschiedene reale Bedingungen im Zylinder führen jedoch zu lokalen Kraftstoff-Luft-Verhältnissen, die weit oberhalb des stoichiometrischen Verhältnisses liegen, was zu relativ hohen lokalen Äquivalenzverhältnissen führen kann, was wiederum die Rußerzeugung ansteigen lässt, wie es aus dem Diagramm zu ersehen ist. Derartige Bedingungen umfassen die Tatsache, dass im Stande der Technik der Kraftstoff durch fixierte Sprühdüsen in den Zylinder eingespritzt wird, was zu einer hohen Kraftstoffkonzentration in sehr begrenzten Bereichen des Verbrennungsraums führt. Dieser Effekt wird natürlich nur immer schlechter, wenn die Düsen partiell verstopft werden, etc. Auch beginnt die Kraftstoffeinspritzung, wie vorher erwähnt, beim Stande der Technik an oder nahe dem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung, wodurch eine im Wesentlichen radiale Einspritzrichtung notwendig wird, jedoch bewegt sich das Zentrum des Volumens innerhalb des Verbrennungsraums bei fortschreitender Einspritzung nach unten, wodurch ein signifikanter Teil des Sauerstoffs im Verbrennungsraum nach unten fort von der fortgesetzten Kraftstoffeinspritzung bewegt wird.
  • Es sei erneut auf 12 Bezug genommen. Die Linien, die den oberen schwarzen Bereich umgeben, zeigen den Prozentsatz des sich bildenden Rußes an, während die Linien rund um den Bereich rechts unten die Menge des sich bildenden NOx in Mil lionstel wiedergeben. Die Kurvenlinien, die oben links beginnen, repräsentieren den Prozentsatz an Sauerstoff im Verbrennungsraum und rangieren von 21% Sauerstoff für die Kurve rechterhand bis zu 5% Sauerstoff für die Kurve linkerhand. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn die obere Temperatur im Verbrennungsraum sogar lokal gesteuert wird und das Äquivalenzverhältnis sogar lokal gesteuert wird, im Wesentlichen weder Ruß noch NOx erzeugt werden. Arbeitet man mit einem Äquivalenzverhältnis von zwei über den gesamten Verbrennungsraum und einem relativ geringen Prozentsatz an Sauerstoff, so werden offensichtlich weder Ruß noch NOx erzeugt, jedoch enthält das Abgas beträchtliche Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (Kraftstoff), was nicht zufriedenstellend ist.
  • Es sei nun auf 13 Bezug genommen. Dargestellt ist ein Diagramm, das den aktuellen Betrieb einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem Standard-Dieselzyklus zeigt. Diese Kurven geben Daten wieder, die aus dem tatsächlichen Betrieb einer Mehrzylinder-Dieselmaschine stammen, wobei der dritte Zylinder mit einem Druckwandler ausgerüstet war und nach einem konventionellen Dieselzyklus arbeitete, bezeichnet als die Basislinie, und wobei Zylinder Nummer 2 ebenfalls mit einem Druckwandler ausgerüstet war, jedoch nach einem alternativen Zyklus entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitete. Während diesbezüglich das Diagramm von –140° bis +140° des Kurbelwellenwinkels, bezogen auf den oberen Totpunkt geht, sei bemerkt, dass es sich bei dem Basislinienbetrieb, nämlich dem konventionellen Dieselzyklusbetrieb des Zylinders 3 um einen konventionellen Vier-Zyklus-Dieselbetrieb handelt, der Einlass-, Kompressions-, Kraft- und Auslasshübe umfasst. Bei dem alternativen Zyklus handelt es sich um einen Zwei-Zyklus-Betrieb, der grundsätzlich einen Kompressionshub und einen Krafthub umfasste und somit im Endeffekt die Anzahl der Krafthübe für diesen Zylinder verdoppelte.
  • Luft für die Injektion wurde von einer separaten Druckluftquelle zur Verfügung gestellt, wohingegen, wie vorher erwähnt, Luft unter dem erforderlichen Druck oder unter den er forderlichen Drücken bei voller Implementation normalerweise zur Verfügung gestellt wird, indem man einen oder mehrere Zylinder der Mehrzylindermaschine als Kompressionszylinder arbeiten lässt. Diesbezüglich arbeiten die Kompressionszylinder normalerweise als Zwei-Zyklus-Zylinder, nämlich Kompression und Einlass, jedoch kann es sich auch um Springzyklen (Skip Cycles) handeln, und zwar in Abhängigkeit von dem Bedarf an Druckluft. Auch können solche Zylinder ein höheres Kompressionsverhältnis als die Verbrennungszylinder aufweisen, um möglichst viel Druckluft unter dem gewünschten Druck oder unter den gewünschten Drücken auszustoßen und diejenigen Mängel zu minimieren, die beim Einlasshub wieder expandiert wird.
  • Auf jeden Fall, erneut unter Bezugnahme auf 13, sei darauf hingewiesen, dass für den Basislinien-Vier-Zyklus-Betrieb ein Auslasszyklus und ein Einlasszyklus abgeschlossen waren und die Kompression voranschreitet. Etwa am oberen Totpunkt wird ein Einspritzvorgang durchgeführt, der einen rapiden Anstieg auf einen Spitzendruck ergibt, der dann sanft abfällt, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt aus nach unten bewegt. Zu beachten ist, dass der hohe Zylinderdruck, verbunden mit einer unvollständigen Gemischbildung und mit dem Vorliegen des Kraftstoffs in Tröpfchenform, hohe Zylindertemperaturen mit hohen, einigen Ruß erzeugenden lokalen Äquivalenzverhältnissen ergibt, wobei die Kombination aus hohen Temperaturen und niedrigen lokalen Äquivalenzverhältnissen einiges NOx erzeugt.
  • Bei dem alternativen Zyklus dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Auslassventile nahen dem unteren Totpunkt geöffnet, um eine vorbestimmte Menge an Abgas zurückzuhalten. Dieses Abgas ist natürlich völlig frei von unverbranntem Kraftstoff und ist wegen des oben erläuterten Zyklus auch frei von NOx und Ruß. Wenn das Auslassventil schließt, setzt sich die. Kompression bei dem in 13 gezeigten exemplarischen Zyklus bis ungefähr –20° vom oberen Totpunkt fort, wobei bei diesem Kurbelwellenwinkel Kraftstoff in das Abgas im Zylinder eingespritzt wird. Bei der Kraftstoffmenge, die bei diesem Ausführungsbeispiel eingespritzt wird, handelt es sich um die Gesamtmenge für diesen Zyklus (wie oben erwähnt, kann weniger als die volle Menge eingespritzt werden, wobei der Rest hinter dem oberen Totpunkt eingespritzt wird). Der Kraftstoff wird in die Charge eingespritzt, die das restliche Abgas des früheren Zyklus enthält, und wird dementsprechend eingespritzt in Abgase von ziemlich hoher Temperatur, wobei diese Temperatur unterhalb der Zündtemperatur liegt. Sie ist jedoch hoch genug, den Kraftstoff zu verdampfen, das heißt, den Kraftstoff in einen gasförmigen Zustand zu überführen, um eine bessere Mischung zu erzielen und letztlich lokale Hot Spots und Regionen hohen Äquivalenzverhältnisses zu vermeiden, was andernfalls auftreten würde, wenn der Kraftstoff in einem normalen Dieselzyklus rund um den oberen Totpunkt eingespritzt würde.
  • Nachdem der Kraftstoff eingespritzt worden ist und etwas Zeit bekommen hat, in den gasförmigen Zustand überzugehen, wird Luft in den Zylinder injiziert, und zwar wiederum vor Erreichen des oberen Totpunkts, was in 13 als Luftvorgang Nummer 1 bezeichnet ist. Die Menge an injizierter Luft, verbunden mit der Menge an im Verbrennungsraum zurückgehaltenem Abgas aus dem früheren Zyklus, wird sorgfältig gesteuert, so dass die Zündung im Wesentlichen am oberen Totpunkt stattfindet. Der Spitzendruck und die Spitzentemperatur können begrenzt werden durch die Luftmenge, die während des Kompressionszyklus injiziert wird, so dass der Prozentsatz an vorhandenem Sauerstoff ungefähr halb so hoch wie der von Frischluft ist, was dazu führt, dass die Verbrennung entlang des vorspringenden Abschnitts der 10%-Sauerstoffkurve stattfindet. Dieser Abschnitt liegt oberhalb der Zündtemperatur, jedoch deutlich entfernt von den Ruß erzeugenden Äquivalenzverhältnis und deutlich unterhalb der Temperatur, die zur Bildung von NOx erforderlich ist. Natürlich ist die Verbrennung zu diesem Zeitpunkt relativ gleichförmig über dem Volumen der Charge, weil der Kraftstoff in einen gasförmigen Zustand verwandelt und vor der Zündung gut mit dem zur Verfügung stehenden Sauerstoff gemischt worden ist. Nach Überschreiten des oberen Totpunkts, wenn der Druck und die Temperatur im Verbrennungsraum abzufallen beginnen, tritt der Luftvorgang Nummer 2 auf, wobei Hochdruckluft direkt in den Verbrennungsraum injiziert wird, wodurch die Verbrennung unterstützt wird, da das Äquivalenzverhältnis effektiv auf einen Wert unter Eins abgesenkt worden ist, was eine vollständige Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Charge ohne Erzeugung von Ruß oder NOx gestattet. Es wurde also ein Zwei-Zyklus-Betrieb dieses Zylinders erzielt ohne die Anwesenheit lokaler Kraftstofftröpfchen während der Verbrennung und ohne exzessive Temperaturen im Verbrennungsraum, woraus eine überraschend saubere Arbeitsweise der Maschine resultiert.
  • Wenn, wie früher erwähnt, Kraftstoff während des Kompressionshubs in die heißen restlichen Abgase eingespritzt wird, wird der Kraftstoff vor der Zündung in den gasförmigen Zustand überführt. Wenn im Wesentlichen beliebiger (unter atmosphärischen Bedingungen) flüssiger Kraftstoff verwendet wird, arbeitet die Maschine "sauber verbrennend" und macht erdgasverbrennenden Maschinen Konkurrenz. Diesbezüglich ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz flüssiger Brennstoffe begrenzt, sondern kann, wie oben erwähnt, auch mit gasförmigen Kraftstoffen, wie etwa Erdgas, Propan und dergleichen arbeiten. Während diese Kraftstoffe bereits als sauber brennend gelten, kann die Verwendung dieser Kraftstoffe in Maschinen nach der vorliegenden Erfindung zusätzliche Vorteile mit sich bringen, etwa einen höheren Wirkungsgrad aufgrund des höheren Verdichtungsverhältnisses (zur Erzielung von Kompressionszündung), die Fähigkeit, mit armen Gemischen zu arbeiten und die Fähigkeit, falls erforderlich oder wünschenswert, andere Kraftstoffe in derselben Maschine einzusetzen.
  • Bei jeder der Ausführungsformen kann eine Zyklus-zu-Zyklus-Korrektur der verschiedenen Betriebsparametern durchgeführt werden, und zwar basierend auf dem Zeitpunkt der Zündung und/oder anderen Arbeitsparametern der Maschine. Während eine mechanische Ventilsteuerung vielleicht nicht außer Frage steht, wird der Einsatz der Erfindung auf einer nockenlosen Maschine, für die ein Beispiel in dem U.S. Patent 6,739,293 , welches oben bereits durch Bezugnahme inkorporiert wurde, of fenbart ist, bevorzugt, und zwar wegen der relativ unbegrenzten Flexibilität in der Ventilbetätigung und -zeitsteuerung. Bei solcher Flexibilität können die Verbrennungszylinder nach einer der Arten des Maschinenzyklus gestartet werden, beispielsweise nach einem Viertakt-Dieselzyklus, und sodann, wie hier beschrieben, auf einen Zwei-Zyklus-Betrieb überwechseln, in beiden Fällen mit oder ohne Springzyklus. Die Maschine kann auch mit einem "Startkraftstoff" gestartet werden, gegebenenfalls für sehr kalte Starts, und sodann ungeschaltet werden, um mit normalem "Betriebskraftstoff" zu arbeiten, der seinerseits von Zeit zu Zeit gewechselt werden kann, und zwar auf der Basis des Preises, der Umweltbedingungen oder sogar der Anforderungen an die Maschinenleistung oder anderer Bedingungen. Ferner können sich die Eigenschaften des Kraftstoffs ändern, und natürlich ändern sich die Umweltbedingungen, wobei die Maschinensteuerung von Zyklus zu Zyklus eingestellt wird, um sich an diese Änderungen anzupassen. Beispielsweise kann Gas verwendet werden, sogar mit Funkenzündung zum Starten, oder aber ein Zyklus ähnlich dem, wie er anhand von 13 beschrieben wurde, wobei sich die Steuerung der Maschine jederzeit ständig an die Oktanzahl des speziell verwendeten Benzins anpasst.
  • Aus 14 ergibt sich ein beispielhaftes Steuersystem. Der dargestellte Controller basisiert auf dem Einsatz verschiedener Look-Up Tables, die auf Eingaben ansprechen, zu denen Kompressionszylinderdrücke, Maschinenbetriebsbedingungen (Temperatur, Drehzahl, Kurbelwellenwinkel, Leistungseinstellung etc.) und Schienendruck bzw. -drücke gehören, um die Arbeitsweise der Maschine einzustellen und die Kraftstoffinjektoren, die Verbrennungszylinderventile und die Kompressionszylinderventile zu steuern. Alternativ kann die Betriebsweise von einer Bedienungsperson der Maschine manuell eingestellt werden. Dieser Controller stellt lediglich ein Beispiel dar, da verschiedene Controller-Konfigurationen eingesetzt werden können.
  • Ein bevorzugter Betriebszyklus besteht darin, das Auslassventil an oder nahe dem unteren Totpunkt gerade lange genug zu öffnen und das Auslassventil sodann zu schließen, um eine gewünschte Menge an Abgas für den Rest des zu beschreibenden Zyklus im Verbrennungszylinder zurückzuhalten. Nachdem das Auslassventil geschlossen ist, kann das Einspritzen von Kraftstoff in das relativ heiße, zurückgehaltene Abgas beginnen, wobei der gesamte, für diesen Zyklus erforderliche Kraftstoff eingespritzt wird. Vorzugsweise wird die Einspritzung bald nach Schließen des Auslassventils eingeleitet, wobei die Einspritzung deutlich vor dem Ende des Kompressionshubs und vor der Zündung abgeschlossen ist, um dem eingespritzten Kraftstoff Zeit zu geben, im Wesentlichen vor Erreichen des oberen Totpunkts in den gasförmigen Zustand zu verdampfen. Gerade vor dem oberen Totpunkt wird Luft in den Verbrennungszylinder injiziert, vorzugsweise im Bereich von 5° bis 15° vor dem oberen Totpunkt und besonders bevorzugt bei etwa 10° vor dem oberen Totpunkt und vorzugsweise bevor am oder nahe dem oberen Totpunkt die Kompressionszündung stattfindet. Diese Luftinjektion kann als eine Art Pilotinjektion betrachtet werden und liegt zwischen etwa 5% bis 15% der gesamten während dieses Zyklus zu injizierenden Luft und mehr bevorzugt bei etwa 10% der gesamten bei diesem Zyklus zu injizierenden Luft. Die Menge des eingespritzten Kraftstoffs hängt ab primär von der Leistungseinstellung der Maschine, wobei die Menge des zurückgehaltenen Abgases mindestens zum Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffs ausreicht und wobei die Menge der während des Kompressionshubs injizierten Luft so gesteuert wird, dass sich eine gute Zündung ergibt, wobei sie jedoch die Druckspitze und damit die Temperaturspitze im Verbrennungszylinder bei der Zündung an oder nahe dem oberen Totpunkt deutlich unterhalb derjenigen Temperaturen begrenzt, die für die Bildung von NOx erforderlich sind. Sodann hinter dem oberen Totpunkt, wenn der Druck im Verbrennungszylinder signifikant zu sinken beginnt, beispielsweise etwa 10° bis 25° hinter dem oberen Totpunkt und mehr bevorzugt etwa 20° hinter dem oberen Totpunkt, beginnt die Einspritzung der für diesen Zyklus verbleibenden Luft. Diese Lufteinspritzung kann pulsierend oder gleichförmig sein, wie es, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Maschinendreh zahl, geeignet ist, die Verbrennung zu unterstützen, um den Verbrennungszylinderdruck und die -temperatur im Wesentlichen aufrechtzuerhalten, und zwar über einem wesentlichen Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt, beispielsweise von etwa 20° bis 45°, woraufhin die Luftinjektion beendet wird und der Krafthub abgeschlossen ist, und zwar bereit zur Wiederholung des beschriebenen Zyklus (oder irgendeines anderen Zyklus, wie etwa eines Springzyklus).
  • Bei dem soeben beschriebenen Zyklus befindet sich das nach dem Schließen des Auslasses zurückerhaltene Abgas auf einer Temperatur deutlich unterhalb der Zündtemperatur, wobei die Temperatur jedoch hoch genug ist, den eingespritzten Kraftstoff nach dem Schließen des Auslassventils schnell zu verdampfen. Die Menge des zurückgehaltenen Abgases zusammen mit der Menge der während des Kompressionshubs injizierten Luft wird so gesteuert, dass an oder nahe dem oberen Totpunkt eine Kompressionszündung stattfindet, wobei vorzugsweise Einstellungen von Zyklus zu Zyklus vorgenommen werden, um den Betrieb des Verbrennungszylinders in engen Grenzen zu steuern. Die Menge der während des Kompressionshubs injizierten Luft macht natürlich einen relativ geringen Protzensatz des stoichiometrischen Verhältnisses aus, jedoch ist die gesamte Menge der während des gesamten Zyklus injizierten Luft gleich dem stoichiometrischen Verhältnis oder liegt vorzugsweise darüber, um eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs sicherzustellen. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass insoweit, als die während des vorhergehenden Zyklus eingespritzte gesamte Luft das stoichiometrische Verhältnis übersteigt, das während des nächsten Zyklus zurückgehaltene Abgas einigen Restsauerstoff enthält. Während diese Überschussluft nicht so groß sein sollte, dass sie exzessive Drücke und Temperaturen für die Kompressionszündung ergibt, kann sie im Grenzbereich die Notwendigkeit einer Luftinjektion während des Kompressionshubs überflüssig machen, und sie kann jegliche Notwendigkeit beseitigen, Druckluft mit mehr als einem Druckwert für die Injektion zur Verfügung zu stellen. Zwar stellt dies nicht den bevorzugten Betriebszyklus dar, da die gesamte Luft mit dem höheren Druck injiziert werden muss, jedoch liegt es noch im Schutzbereich der Erfindung.
  • Die obige Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass das Wort Ventil im allgemeinen Sinne verwendet wird und mehr als ein Ventil umfasst, sofern der Kontext nichts anderes anzeigt. Ferner, wie in der obigen Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen verwendet, umfasst die Phrase "an oder nahe" die Aussage "beidseitig an oder nahe", sofern der Kontext nichts anderes anzeigt. So bedeutet beispielsweise ein Vorgang, der an oder nahe dem oberen Totpunkt auftritt, normalerweise, dass der Vorgang an oder nahe beidseitig des oberen Totpunkts auftritt.
  • Zwar wurden hier bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Zwecke der Erläuterung und nicht zum Zweck einer Beschränkung offenbart und beschrieben, jedoch versteht es sich für den Fachmann, dass darin verschiedene Änderungen in der Form und im Detail durchgeführt werden können, ohne vom Sinn und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Hochleistungsmaschinen mit geringer Emission, Mehrzylindermaschinen und Betriebsverfahren auf der Basis einer Kompressionszündung einer Verbrennungsraumcharge, die bereits mindestens einigen Kraftstoff und einige Luft enthält. Luft wird in den Verbrennungsraum injiziert, nachdem der obere Totpunkt erreicht ist, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, bis sämtlicher Kraftstoff verbraucht ist. Verschiedene Betriebsverfahren werden offenbart.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 60/793350 [0001, 0021]
    • - US 60/812330 [0001]
    • - US 60/819062 [0001, 0033]
    • - US 6739293 [0022, 0034, 0055]
    • - US 5460329 [0034]

Claims (49)

  1. Ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine, umfassend für mindestens einen Zylinder: Steuern mindestens eines Maschinenventils, so dass ein Kraftstoff in dem Zylinder durch Kompressionszündung gezündet wird, wenn der Kolben während eines Kompressionshubs den oberen Totpunkt erreicht oder sich in dessen Nähe befindet; Einspritzen von Kraftstoff in den Maschinenzylinder während des Kompressionshubs; und Injizieren von Luft in den Zylinder nach Beendigung des Kompressionshubs.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Komprimieren von Luft zum Injizieren in den Zylinder unter Verwendung mindestens eines weiteren Zylinders derselben Maschine.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einspritzen von Kraftstoff in den Maschinenzylinder während des Kompressionshubs eine Pilot-Einspritzung umfasst und wobei zusätzlicher Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, wenn der Kolben am Ende des Kompressionshubs den oberen Totpunkt erreicht oder nachdem er ihn erreicht hat.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Injizieren von Luft in den Zylinder während des Kompressionshubs.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4, umfassend: Injizieren von Luft in den Zylinder während des Kompressionshubs, erst aus einer Luftquelle niedrigen Drucks und sodann aus einer Luftquelle höheren Drucks.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern mindestens eines Maschinenventils umfasst: Steuern mindestens ei nes Auslassventils zum Zurückhalten von Abgasen in dem Zylinder zur Kompression während des Kompressionshubs.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: Injizieren von Luft in den Zylinder während des Kompressionshubs.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der in den Zylinder während des Kompressionshubs eingespritzte Kraftstoff sämtlichen Kraftstoff umfasst, der während des Kompressionshubs und eines nachfolgenden Krafthubs eingespritzt wird, wobei die nach der Zündung erreichte Temperatur begrenzt wird durch Begrenzung der Menge an Sauerstoff im Zylinder bei der anfänglichen Zündung.
  9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Menge an Sauerstoff in dem Zylinder gesteuert wird durch Injizieren einer gesteuerten Menge von Luft in den Zylinder während des Kompressionshubs.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Menge an Sauerstoff in dem Zylinder gesteuert wird durch Steuerung der Öffnung mindestens eines Einlassventils.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Steuern mindestens eines Maschinenventils das Steuern mindestens eines Auslassventils umfasst.
  12. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kompressionshub gefolgt wird von dem Krafthub, gefolgt von anschließenden Kompressions- und Krafthüben, wobei der Zylinder hierbei als Zwei-Zyklus-Zylinder arbeitet.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Menge an Sauerstoff in dem Zylinder gesteuert wird durch Inizieren einer gesteuerten Luftmenge in den Zylinder während des Kompressionshubs.
  14. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Menge des Sauerstoffs in dem Zylinder mindestens zum Teil gesteuert wird durch Steuern der Öffnung mindestens eines Einlassventils.
  15. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Steuern mindestens eines Maschinenventils derart, dass ein zum Einsatz kommender Kraftstoff gezündet wird, wenn der Kolben während des Kompressionshubs den oberen Totpunkt erreicht oder sich in dessen Nähe befindet, ferner umfasst: Vornehmen von Einstellungen der Steuerung von Zyklus zu Zyklus, und zwar abhängig davon, was während eines vorhergehenden Zyklus geschehen ist.
  16. Das Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Erfassen des Zylinderdrucks als Indikation der Temperatur innerhalb des Zylinders.
  17. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maschine eine nockenlose Maschine ist.
  18. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erfassen des Zylinderdrucks als Indikation der Zündung.
  19. Ein Verfahren zum Betreiben einer mehrzylindrigen Kolbenmaschine, umfassend: für mindestens einen ersten Zylinder einer nockenlosen Maschine: Betreiben des ersten Zylinders als Luftkompressor und Steuern der Menge an komprimierter Luft und des Drucks der Kompression durch Steuern mindestens eines Einlassventils des ersten Zylinders; für mindestens einen zweiten Zylinder einer nockenlosen Maschine, wobei der zweite Zylinder über mindestens einen Kompressionshub und einen Krafthub verfügt: Steuern mindestens eines Maschinenventils des zweiten Zylinders derart, dass ein in dem Zylinder enthaltener Kraftstoff durch Kompressionszündung gezündet wird, wenn der Kolben den oberen Totpunkt eines Kompressionshubs erreicht oder sich in dessen Nähe befindet; Einspritzen von Kraftstoff in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs; und Injizieren komprimierter Luft in den Zylinder nach Beendigung des Kompressionshubs.
  20. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei Kompressionsluft aus dem ersten Zylinder direkt angeschlossen wird an den zweiten Zylinder.
  21. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei ein Speichertank für komprimierte Luft zwischen den ersten und den zweiten Zylinder geschaltet wird.
  22. Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Speichertank für komprimierte Luft gesteuert mit den ersten und zweiten Zylindern gekoppelt und entkoppelt wird.
  23. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Einspritzen von Kraftstoff in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs eine Pilot-Einspritzung umfasst und wobei zusätzlicher Kraftstoff in den zweiten Zylinder eingespritzt wird, wenn oder nachdem der Kolben den oberen Totpunkt nahe dem Ende des Kompressionshubs erreicht.
  24. Das Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Injizieren von Luft in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs.
  25. Das Verfahren nach Anspruch 24, wobei der erste Zylinder Niederdruckluft und Hochdruckluft liefert und wobei das Injizieren von Luft in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs erst das Injizieren der Niederdruckluft und sodann das der Hochdruckluft umfasst.
  26. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Steuern des mindestens einen Maschinenventils des zweiten Zylinders das Steuern mindestens eines Auslassventils des zweiten Zylinders umfasst, um Abgase in dem Zylinder zur Kompression während des Kompressionshubs des zweiten Zylinders zurückzuhalten.
  27. Das Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend: Injizieren von Luft in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs.
  28. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei der in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs des zweiten Zylinders eingespritzte Kraftstoff sämtlichen Kraftstoff umfasst, der während des Kompressionshubs und eines nachfolgenden Krafthubs des zweiten Zylinders eingespritzt wird, wobei die nach der Zündung erreichte Temperatur in steuerbarer Weise begrenzt wird durch Begrenzung der Sauerstoffmenge in dem Zylinder bei der anfänglichen Zündung.
  29. Das Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Menge an Sauerstoff im zweiten Zylinder gesteuert wird durch Injizieren einer gesteuerten Menge von Luft in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs des zweiten Zylinders.
  30. Das Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Sauerstoffmenge in dem zweiten Zylinder gesteuert wird durch Steuerung der Öffnung mindestens eines Einlassventils des zweiten Zylinders.
  31. Das Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Steuern mindestens eines Maschinenventils des zweiten Zylinders das Steuern mindestens eines Auslassventils des zweiten Zylinders umfasst.
  32. Das Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Kompressionshub gefolgt wird von einem Krafthub, gefolgt von anschlie ßenden Kompressions- und Krafthüben, wobei der zweite Zylinder hierbei als Zwei-Zyklus-Zylinder arbeitet.
  33. Das Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Sauerstoffmenge in dem zweiten Zylinder gesteuert wird durch Injizieren einer gesteuerten Luftmenge in den zweiten Zylinder während des Kompressionshubs des zweiten Zylinders.
  34. Das Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Sauerstoffmenge im zweiten Zylinder mindestens zum Teil gesteuert wird durch Steuern der Öffnung mindestens eines Einlassventils des zweiten Zylinders.
  35. Das Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Steuern mindestens eines Maschinenventils des zweiten Zylinders derart, dass ein zum Einsatz kommender Kraftstoff gezündet wird, wenn der Kolben während eines Kompressionshubs des zweiten Zylinders den oberen Totpunkt erreicht oder sich in dessen Nähe befindet, ferner von Zyklus zu Zyklus durchgeführte Einstellungen umfasst, und zwar auf der Basis dessen, was während eines vorausgegangenen Zyklus geschehen ist.
  36. Das Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Einstellen der Steuerung umfasst: Einstellen der Steuerung zur Anpassung an unterschiedliche und wechselnde Kraftstoffe.
  37. Das Verfahren nach Anspruch 35, ferner umfassend: Nutzung des Drucks im zweiten Zylinder als Indikation für die Temperatur innerhalb des Zylinders.
  38. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei im zweiten Zylinder nach einem Kompressionshub und einem Krafthub ein Auslasshub und ein Einlasshub folgen, wobei der zweite Zylinder hierbei als Vier-Zyklus-Zylinder arbeitet.
  39. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei sich im zweiten Zylinder nach einem ersten Kompressionshub, gefolgt von einem ersten Krafthub, sodann ein zweiter Kompressionshub und ein zweiter Krafthub anschließen, wobei die Temperatur im zweiten Zylinder, resultierend aus dem zweiten Kompressionshub, gesteuert wird durch Steuerung mindestens eines Maschinenventils des zweiten Zylinders zwischen dem ersten Krafthub und dem zweiten Kompressionshub, um nach dem zweiten Kompressionshub eine Zündung von Kohlenwasserstoffrückständen in dem Zylinder am oder nahe dem oberen Totpunkt zu erzielen.
  40. Das Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Temperatur im zweiten Zylinder, resultierend aus dem zweiten Kompressionshub, gesteuert wird durch Steuern mindestens eines Einlassventils des zweiten Zylinders.
  41. Das Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Temperatur im zweiten Zylinder, resultierend aus dem zweiten Kompressionshub, gesteuert wird durch Steuern mindestens eines Auslassventils des zweiten Zylinders.
  42. Das Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Erfassen des Zylinderdrucks als Indikation für die Zündung.
  43. Ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine, umfassend: Öffnen und sodann Schließen des Auslassventils eines Verbrennungszylinders an oder nahe dem Ende eines Krafthubs, um eine vorbestimmte Abgasmenge im Verbrennungszylinder zurückzuhalten; Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum während des nachfolgenden Kompressionshubs, bald nachdem das Auslassventil geschlossen ist; Injizieren von Luft in den Verbrennungszylinder, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert und vor einer Kompressionszündung; wobei die Abgasmenge, die im Verbrennungszylinder zurückgehalten wird, und die Luftmenge, die injiziert wird, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert, gesteuert werden, um an oder nahe dem oberen Totpunkt eine Kompressionszündung zu erzielen, ohne dass im Verbrennungszylinder Temperaturen der NOx-Bildung erreicht werden; und Injizieren von Luft in den Verbrennungszylinder nach der Zündung und nachdem der Kolben den oberen Totpunkt passiert hat, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, ohne Temperaturen der NOx-Bildung zu erreichen und ohne Einspritzung weiteren Kraftstoffs.
  44. Das Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Injizieren von Luft in den Verbrennungszylinder, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert, umfasst: Injizieren von Luft in den Verbrennungszylinder, nachdem das Einspritzen von Kraftstoff beendet ist.
  45. Das Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Luftmenge, die in den Verbrennungszylinder injiziert wird, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert, 5% bis 15% der gesamten injizierten Luft ausmacht.
  46. Das Verfahren nach Anspruch 45, wobei die Gesamtmenge der injizierten Luft für eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs über der stoichiometrischen Menge liegt.
  47. Das Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Kolbenmaschine eine Mehrzylindermaschine ist und mindestens ein Zylinder dazu genutzt wird, Druckluft zur Verfügung zu stellen.
  48. Ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenmaschine, umfassend: Öffnen und anschließendes Schließen des Auslassventils eines Verbrennungszylinders an oder nahe dem Ende eines Krafthubs, um eine vorbestimmte Abgasmenge im Verbrennungszylinder zurückzuhalten; Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum während des folgenden Kompressionshubs bald nach dem Schließen des Auslassventils; Injizieren von Luft in den Verbrennungszylinder nach der Zündung und nachdem der Kolben den oberen Totpunkt passiert hat, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, ferner ohne Temperaturen der NOx-Bildung während des Krafthubs zu erreichen sowie ohne Einspritzung weiteren Kraftstoffs; und wobei die Abgasmenge, die im Verbrennungszylinder zurückgehalten wird, und die Luftmenge, die nach der Zündung und nachdem der Kolben den oberen Totpunkt passiert hat, in den Verbrennungszylinder injiziert wird, um einen gesteuerten Betrag das stoichiometrische Verhältnis übersteigen, um Restsauerstoff im zurückgehaltenen Abgas vorzusehen, um eine Kompressionszündung an oder nahe dem oberen Totpunkt des nächsten Kompressionshubs zu herbeizuführen, ebenfalls ohne Erreichung von Temperaturen der NOx-Bildung im Verbrennungszylinder.
  49. Das Verfahren nach Anspruch 48, wobei die Kolbenmaschine eine Mehrzylindermaschine ist und mindestens ein Zylinder dazu dient, Druckluft zur Verfügung zu stellen.
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