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Technisches Gebiet
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Diese
Offenbarung bezieht sich allgemein auf HCCI-Motoren (HCCI = homogeneous
charge compression ignition = Kompressionszündung mit homogener
Ladung), und insbesondere auf den Ausgleich der Verbrennungsphasenzeitsteuerung und/oder
der Verbrennungsenergieabgabe unter den Brennkammern.
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Hintergrund
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Eine
vergleichsweise neue Verbrennungsstrategie, die als HCCI-Strategie
bekannt ist, zeigt sich als vielversprechend bei der Verringerung
von nicht wünschenswerten Emissionen aus Verbrennungsmotoren,
die eine Kompressions- bzw. Verdichtungszündungsstrategie
verwenden. HCCI bezieht sich allgemein auf die Idee der Vermischung von
Brennstoff mit Luft im Motorzylinder, bevor die Selbstzündungsbedingungen
auftreten. Die Mischung wird bis zur Selbstzündung komprimiert,
wobei im Allgemeinen wünschenswert ist, dass das Verbrennungsereignis
in der Nachbarschaft des oberen Totpunktes stattfindet. Obwohl HCCI
die Fähigkeit gezeigt hat, drastisch unerwünschte
Emissionen zu verringern, insbesondere NOx, hat die Verbrennungsstrategie
neue Probleme mit sich gebracht, die überwunden werden
müssen, um einen solchen Motor kommerziell einsetzbar zu
machen. Beispielsweise muss, damit ein HCCI-Motor eine einsetzbare
Alternative zu einem entsprechenden Dieselmotor ist, dieser die
Fähigkeit haben, effizient über einen relativ großen
Lastbereich zu arbeiten. Ein Problem, welches bei HCCI-Motoren angetroffen
wird, ist die außerordentliche Empfindlichkeit und Schwierigkeit
bei der Steuerung des Zündungszeitablaufs. Zusätzlich können
HCCI-Motoren Schwierigkeiten beim Betrieb in höheren Lastbereichen
haben, wo mehr Brennstoff an den einzelnen Zylinder geliefert wird.
Diese wahrgenommene Einschränkung kann auf extremen Druckspitzen
begründet sein, die auftreten, wenn die Ladung verbrennt.
Die Drücke können so hoch werden, dass sie die
strukturelle Haltefähigkeit eines Motorgehäuses überschreiten.
Somit kann die Steuerung eines HCCI-Motors insbesondere bei höheren Drehzahlen
und Belastungen extrem problematisch sein, muss jedoch überwunden
werden, um zu ermöglichen, dass ein solcher Motor eine
durchführbare Alternative zu einem entsprechenden Dieselmotor wird.
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Abgesehen
von den im vorherigen Absatz angesprochenen Problemen haben HCCI-Motoren mit
mehreren Zylindern noch mehr Probleme, die überwunden werden
müssen. Beispielsweise beeinflussen die Motorgeometrie,
was die Einlassgeometrie mit einschließt, Variationen der
Brennstoffeinspritzvorrichtungsleistung und andere bekannte und unbekannte
Einflüsse das spezielle Verbrennungsverhalten von Ladungen
in unterschiedlichen Zylindern einer Vielzahl von Motorzylindern.
Beispielsweise kann die Einlasssammelleitungsgeometrie zur Folge
haben, dass ein Zylinder weniger oder mehr Luft als andere Zylinder
erhält und eine Variation der Brennstoffeinspritzvorrichtungsleistung
in einem anderen Zylinder kann bewirken, dass weniger oder mehr
Brennstoff basierend auf dem gleichen Steuersignal eingespritzt
wird. Diese Unterschiede haben unterschiedliche Luft/Brennstoff-Verhältnisse
in unterschiedlichen Zylindern zur Folge. Die HCCI-Verbrennung bzw.
Verbrennung mit homogener Ladung ist sehr empfindlich auf das Luft/Brennstoff-Verhältnis und
andere Faktoren. Somit können diese Variationen zu wesentlichen
Unterschieden bei sowohl der Energieabgabe als auch der Verbrennungsphasenzeitsteuerung
unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Motorzylindern beitragen.
Während eine gewisse Variation bei Zuständen mit
niedriger Last besser akzeptabel sein kann, kann bei höheren
Drehzahlen und Belastungen eine Variation der Verbrennungsphasen
und der Energieabgabe unter der Vielzahl von Zylindern inakzeptable
Geräuschniveaus auftreten lassen. Zusätzlich wird
der Zylinder mit der am meisten vorangeschrittenen Verbrennung einen
maximalen Druck bei einer niedrigeren Last entwickeln und wird daher
die Spitzenlast des gesamten Motors begrenzen. Der Fachmann wird
erkennen, dass wenn die Ladung zu früh im Verbrennungshub
verbrennt, übermäßig große Zylinderdrücke
auftreten können, die die Lasttragfähigkeit dieses
Zylinders und daher des gesamten Motors begrenzen.
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Eine
Strategie, um mit den Problemen bei HCCI fertig zu werden, wird
in dem ebenfalls zueigenen
US-Patent
6 725 838 beschrieben. Diese Referenz beschreibt eine Mischmodusstrategie,
wo HCCI in einem niedrigen Lastbereichsteil des Mo tors eingesetzt
wird und herkömmliche Dieselmotorstrategien bei hohen Drehzahlen
und Belastungen eingesetzt werden. Unter herkömmlich versteht
diese Offenbarung, dass Brennstoff direkt in einen Motorzylinder
eingespritzt wird, nachdem Selbstzündungsbedingungen aufgetreten
sind, wobei die Einspritzung in der Nachbarschaft des oberen Totpunktes
stattfindet. Während eine Mischmodusstrategie bessere Emissionen
im Vergleich zu jenen eines herkömmlichen Dieselmotors
erzeugen kann, erfordert sie höhere Komplexität,
insbesondere bei der Herstellung und Steuerung des Brennstoffsystems,
jedoch hat der Mischmodus immer noch mehr unerwünschte Emissionen
zur Folge als diese mit einer vollständig auf HCCI-basierenden
Betriebsstrategie möglich wären.
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten
Probleme gerichtet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt weist ein Verfahren zum Betrieb eines Motors auf, flüssigen
Brennstoff in eine Brennkammer des Motors einzuspritzen. Eine Mischung
aus Brennstoff und Luft wird in der Brennkammer bis zu einer Selbstzündungsbedingung
des Brennstoffs komprimiert. Die Einspritz- und Kompressions- bzw.
Verdichtungsschritte werden in einer Vielzahl von unterschiedlichen
Brennkammern des Motors ausgeführt. Unabhängige
Einstellungen werden beim Verbrennungsphasenablauf und der Verbrennungsenergieabgabe
für unterschiedliche Brennkammern über jeweilige
Phasen- und Energieabgabesteuervorrichtungen vorgenommen, die mit
jeder Brennkammer assoziiert sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt weist ein Motor ein Motorgehäuse mit einer
Vielzahl von daran angeordneten Brennkammern auf. Eine Vielzahl
von Verbrennungsenergieabgabesteuervorrichtungen ist mit jeweiligen
der Vielzahl von Brennkammern assoziiert. Eine Vielzahl von Verbrennungsphasenzeitsteuervorrichtungen
ist mit jeweiligen der Vielzahl von Brennkammern assoziiert. Eine
Motorsteuervorrichtung ist konfiguriert, um Mischungen von Brennstoff
und Luft in den Brennkammern bis zu einem Selbstzündungszustand
des Brennstoffes zu komprimieren. Die Motorsteuervorrichtung ist
auch konfiguriert, um unabhängige Einstellungen bei der
Verbrennungsphasensteuerung und Verbrennungsenergieabgabe für
unterschiedliche Brennkammern über unterschiedliche Steuersignale
vorzunehmen, die an die Verbrennungsphasenzeitsteuervorrichtungen bzw.
Verbrennungsenergieabgabesteuervorrichtungen übermittelt
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Motors mit homogener kompressionsgezündeter
Ladung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Motorschemas gemäß der
vorliegenden Offenbarung;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer einzelnen Brennkammer für
den Motor der 1 und 2; und
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4a–4d sind
Kurvendarstellungen der Wärmeabgabe gegenüber
dem Motorkurbelwinkel für Motoren der 1 oder 2 vor
irgendeiner Einstellung bzw. mit Brennstoffeinstellungen bzw. mit Einlassventileinstellungen
bzw. sowohl mit Brennstoff- als auch Einlassventileinstellungen.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 weist ein HCCI-Motor 10 bzw.
Motor mit homogener kompressionsgezündeter Ladung ein Motorgehäuse 12 auf,
welches eine Vielzahl von darin angeordneten Zylindern oder Brennkammern 14 aufweist.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der
Motor 10 sechs Zylinder 14 auf, jedoch wird dem
Fachmann klar sein, dass der Motor 10 irgendeine Anzahl
von Zylindern aufweisen könnte, ohne von der vorliegenden
Offenbarung abzuweichen. Der Motor 10 weist einen herkömmlichen
Radiator bzw. Kühler 13 zusammen mit einem (nicht
gezeigten) Kühlsystem auf, um den Motor in herkömmlicher
Weise zu kühlen. Jeder Zylinder 14 weist vorzugsweise
eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 auf, die zur direkten
Einspritzung von flüssigem Brennstoff in die einzelnen
Zylinder positioniert ist. Weiterhin kann jede Brennstoffeinspritzvorrichtung
eine Dü senspitze aufweisen, die konfiguriert ist, um ein
Duschkopfsprühmuster 25 zu erzeugen, in dem Brennstoffeinspritzstrahlen
in einer Vielzahl von unterschiedlichen Winkeln bezüglich
einer Brennstoffeinspritzvorrichtungsmittellinie weisen. Weiterhin
können die Brennstoffeinspritzlöcher unter Verwendung
von bekannten Laserbohrtechniken gebildet werden, um Öffnungen
mit extrem kleinem Durchmesser zu erreichen, die in der Größenordnung
von 80 bis 100 Mikrometern sein können. Dem Fachmann wird
klar sein, dass das Duschkopfsprühmuster mit kleinen Löchern
eine bessere Brennstoff/Luft-Vermischung erleichtern kann und möglicherweise
niedrigere Einspritzdrücke gestatten kann, ohne die Wände
des Zylinders 14 zu benetzen, was in unerwünschter
Weise Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und/oder
Partikelstoffen erzeugen könnte.
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Der
Motor 10 kann auch mit einer Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 80 mit
variabler Geometrie ausgerüstet sein, die gestattet, dass
das Verdichtungs- bzw. Kompressionsverhältnis von allen
Zylindern 14 gleichzeitig eingestellt wird. Obwohl die
Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 80 mit
variabler Geometrie eine Vielzahl von Formen einnehmen könnte,
kann sie eine Struktur haben, die ähnlich jener ist, die
in der ebenfalls zueigenen veröffentlichten US-Patentanmeldung 2006/0112911
beschrieben wird. In dieser Offenbarung hebt und/oder senkt ein
Mechanismus für ein variables Kompressionsverhältnis
mit Exzenterwelle die Kurbelwelle im Motorgehäuse, um das
Kompressionsverhältnis von allen Zylindern gleichmäßig
zu verändern. Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass
irgendeine geeignete Strategie zum Variieren des Kompressionsverhältnisses
als geeignet für einen Motor 10 gemäß der
vorliegenden Offenbarung angesehen werden kann. Der Fachmann wird
erkennen, dass die Tatsache, dass man die Fähigkeit hat, das
Kompressionsverhältnis zu variieren, das Problem der Verbrennungszeitsteuerung
und das mit außerordentlich hohen Drücken während
der Verbrennung assoziierte Problem besser beherrschbar machen kann
als bei Motoren mit festem Verdichtungs- bzw. Kompressionsverhältnis.
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Der
Motor 10 kann auch so aufgebaut sein, dass er variable
Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81 aufweist,
und zwar als eine Alternative zu der Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 80 mit
variabler Geometrie oder zusätzlich dazu.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass die variable Einlassventilbetätigungsvorrichtung
auch eine Vielzahl von Formen annehmen kann, wie beispielsweise
eine vollständig elektronisch gesteuerte Form oder eine
Hybrid-Form, die eine Nockenbetätigung und eine spezielle
hydraulische Betätigungsvorrichtung verwendet, um das Einlassventil über
einen von einer Nocke vorgegebenen Ventilverschlusszeitpunkt hinaus
offen zu halten. Die letztere Alternative wird beispielsweise in
der ebenfalls zueigenen veröffentlichten US-Patentanmeldung
2003/0116124 beschrieben. Diese Fähigkeit zur variablen
Zeitsteuerung kann auch eingesetzt werden, um das Verdichtungs-
bzw. Kompressionsverhältnis in den einzelnen Zylindern
einzustellen, und zwar durch Einstellung des Zeitpunktes, zu dem
das Einlassventil schließt. Zusätzlich beeinflusst
die variable Ventilzeitsteuerung den Verbrennungsphasenablauf durch
Einstellung der Ladungsmasse im Zylinder, abgesehen vom Kompressionsverhältnis.
Der Motor 10 kann auch mit (nicht gezeigten) Auslassventilen
versehen sein, und zwar als Alternative oder zusätzlich
zu den variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81.
Anders als die Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 80 mit variabler
Geometrie weist jeder einzelne Zylinder eine individuell steuerbare
variable Einlassventilbetätigungsvorrichtung 81 auf,
die gestattet, dass das Verhalten von jedem Zylinder 14 einzeln
gesteuert wird. Vorzugsweise ist der Motor 10 sowohl mit
einer Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 80 mit
variabler Geometrie als auch mit variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81 ausgerüstet,
die Einstellungen aller Zylinder 14 auf der Bank über
die Kompressionsverhältnissteuervorrichtung 80 mit
variabler Geometrie gestatten, und dann eine feinere und schnellere
Steuerung der Verbrennungsphasen in den einzelnen Zylindern 14 über
die variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81.
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Der
Motor 10 kann auch mit gewissen Mitteln zum Detektieren
der Zeitsteuerung bzw. des Zeitpunktes von Verbrennungsereignissen
in jedem einzelnen Zylinder 14 ausgerüstet sein,
so dass diese Informationen zu einer Verbrennungssteuervorrichtung
zurückgespeist werden können, die dann diese Informationen
verwenden kann, um die Verbrennungszeitsteuerung für ein
darauf folgendes Ereignis einzustellen. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel ist ein einzelner Verbrennungsdrucksensor oder
ein Ionensensor 84 mit jedem der einzelnen Zylinder 14 assoziiert.
Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass irgendeine Einzel- oder
Multi-Sensorstrategie, die gestattet, dass der Zeitpunkt von Verbrennungsereignissen
in jedem der Zylinder 14 in Echtzeit bestimmt wird, für
den Motor 10 der vorliegenden Offenbarung geeignet wäre,
und dass es wünschenswert sein kann, besser eine Verbrennungszeitsteuerregelung
(closed loop) zu ermöglichen.
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Der
Motor 10 weist auch einen Frischlufteinlass 17,
ein Endrohr 18 und ein Abgasrückführungssystem 20 auf.
Eine Kombination aus Frischluft und Abgas wird zu der Motoreinlasssammelleitung 73 über
einen Motoreinlassdurchlass 72 geliefert, der von einem
Luft/Abgas-Durchlass 70 durch einen Luft-Luft-Nachkühler 71 getrennt
ist. Der Fachmann wird erkennen, dass der Kühler 71 Mittel
bzw. Maßnahmen aufweisen kann, wie beispielsweise dass
er zumindest teilweise aus rostfreiem Stahl gemacht ist, um den
korrosiven Einflüssen des dort hindurch laufenden Abgases
Widerstand zu bieten. Zusätzlich kann der Kühler 71 irgendeinen
geeigneten Wärmetauscher aufweisen, was einen Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher
und so weiter mit einschließt. Abgas von den einzelnen
Zylindern 14 sammelt sich in den ersten und zweiten Auslasssammelleitungen 50a und 50b,
die jeweils mit Auslassdurchlässen 51a und 51b verbunden
sind. Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass eine einzelne Auslasssammelleitung
und ein Auslassdurchlass verwendet werden könnten, ohne
vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Auslassdurchlässe 51a und 51b speisen
in eine Turbine 52 eines Turboladers 22 in herkömmlicher
Weise ein. Jedoch wird ein Teil des Abgases, der anderenfalls zur
Turbine 52 laufen würde, stattdessen zurück
in die Verzweigungsrückführungsdurchlässe 60a und 60b geleitet,
die in der Nachbarschaft eines beschichteten Dieselpartikelfilters 61 zusammenlaufen.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Partikelfilter 61 mit
irgendeinem geeigneten Katalysator für irgendeinen erwünschten Zweck
beschichtet sein kann, wie beispielsweise um das Hochdruckabgas
zu reinigen, welches über diese Durchlässe rückzirkuliert
wird. Zusätzlich wird der Fachmann erkennen, dass der Partikelfilter 61 vorzugsweise
in ausreichend enger Nähe zu den Zylindern 14 positioniert
ist, so dass er über Wärme regeneriert werden
kann, die vom Motor geliefert wird. Alternativ kann eine getrennte
Hilfsregenerationsvorrichtung, die ihre eigene Wärme erzeugt,
in enger Nähe zum Partikelfilter 61 positioniert
sein, um dessen Regeneration zu erleich tern. Nach dem Durchlaufen
durch den Partikelfilter 61 läuft das Hochdruckabgas
durch einen Reingaseinlasskühler 62 und ein Steuerventil 28 bevor
es zu der Halsstelle einer Venturi-Vorrichtung 64 geleitet
wird, die sich in den Luft/Abgas-Rückleitungsdurchlass 70 entleert. Das
Steuerventil 28 kann eine Vielzahl von Formen annehmen,
kann jedoch ein relativ einfaches Zwei-Positionen-Ventil sein, welches
niemals vollständig geschlossen ist. Beispielsweise kann
der Flussquerschnitt durch das Steuerventil 28 in seiner ersten
Position so ausgewählt sein, dass ein erwünschtes
Abgasrückzirkulationsniveau bzw. Abgasrückführungsniveau
erreicht wird, welches mit Positionen für niedrige Last
oder Leerlauf assoziiert ist, und eine zweite oder weiter vollständig
geöffnete Position kann mit höheren Drehzahlen
und Lasten assoziiert sein, um höhere Volumen der Abgasrückzirkulation
bzw. Abgasrückführung zu erleichtern. Trotzdem
kann das Steuerventil 28 mehr als zwei Positionen haben
und kann auch eine vollständig geschlossene Position aufweisen,
falls erwünscht. Das Steuerventil 28 wird durch
ein elektronisches Steuermodul 29 über eine Kommunikations-
bzw. Verbindungsleitung 30 in herkömmlicher Weise
gesteuert.
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Abgas
auf mittlerem Druck verlässt einen axialen Durchlass von
der Turbine 52 in einen inneren Turbinendurchlass 53,
der mit einer Turbine 54 eines zweiten Turboladers 23 in
Verbindung ist, der in Serie mit dem Turbolader 22 angeordnet
ist. Die Turbine 54 kann eine Axialturbine sein, und ihr
axialer Niederdruckauslass entleert sich in den Turbinenauslass 55.
Bevor es bei dem Endrohr 18 ankommt, wird das Abgas mit
vergleichsweise niedrigem Druck durch einen beschichteten Dieselpartikelfilter 57 geleitet,
der irgendeinen geeigneten Katalysator aufweisen kann, um das Abgas
zu behandeln, bevor es aus dem Endrohr 18 austritt. Weil
der Partikelfilter 57 vergleichsweise entfernt von der
Wärme der einzelnen Zylinder 14 sein kann, kann
eine zusätzliche Regenerationsvorrichtung 56 vorgesehen
sein, um die Wärme zu liefern, die zur Regeneration des
Partikelfilters 57 nötig ist. Nachdem es aus dem
Partikelfilter 57 austritt, tritt ein Teil, der das gesamte
Abgas sein kann, beim Endrohr 18 aus. Jedoch kann ein Teil
dieses Abgases mit niedrigem Druck über einen Niederdruckabgasdurchlass 35 rückzirkuliert
sein. Dieses Abgas mit niedrigem Druck wird in einem Reingaseinlasskühler 40 gekühlt,
bevor es auf ein Steuerventil 26 trifft. Das Steuerventil 26 kann
eine Vielzahl von diskre ten bzw. einzelnen Positionen haben oder kann
stufenlose Positionen von einer vollständig geschlossenen
bis zu einer vollständig geöffneten Position haben,
und zwar abhängig von der erwünschten Handlung
und komplizierten Ausführung des Abgasrückführungssystems 20.
Das Steuerventil 26 kann durch das elektronische Steuermodul 29 über
die Kommunikations- bzw. Verbindungsleitung 32 gesteuert
werden.
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Frischluft,
die in den Frischlufteinlass 17 eintritt, läuft
durch ein Drosselsteuerventil 27 vor dem Eintritt in einen
Frischluftversorgungsdurchlass 19, der mit dem Niederdruckabgasdurchlass 35 bei
einer T-Verbindung 42 zusammenläuft. Das Drosselsteuerventil 27 wird
in seiner Position durch das elektronische Steuermodul 29 über
eine Verbindungsleitung 31 gesteuert. Der Fachmann wird
erkennen, dass das Drosselsteuerventil 27 stufenlose Positionen
haben kann, die von einer eingeschränkten vollständig abgedrosselten
Position, die immer noch gestattet, dass ein gewisser Anteil von
Frischluft in das System eintritt, bis zu einer nicht eingeschränkten
vollständig geöffneten Position reichen. Die Mischung
aus Abgas mit niedrigem Druck und Frischluft wird zum Kompressor 49 des
Turboladers 23 über den Kompressorversorgungsdurchlass 43 geliefert.
Der Fachmann wird erkennen, dass der Kompressor 49 Maßnahmen
bzw. Mittel aufweisen kann, wie beispielsweise die Verwendung von
korrosionsbeständigem Titan, um mit dem korrosiven Einfluss
fertig zu werden, falls vorhanden, der bei dem Abgas vorhanden ist,
welches durch den Kompressor läuft. Ein innerer Kompressordurchlass 46 verbindet
den Kompressor 49 mit dem Kompressor 48 des Turboladers 22.
Ein Zwischenkühler 45 kann in dem Kompressordurchlass 46 vorgesehen
sein, um die komprimierte Abgas/Luft-Mischung zu kühlen.
Zusätzlich kann der Kühler 45 korrosionsbeständige
Materialien aufweisen, wie beispielsweise rostfreien Stahl, um die
Korrosionseinflüsse des Abgases zu vermeiden oder zu verringern,
falls vorhanden. Wie der Kompressor 49 kann der Kompressor 48 korrosionsbeständige
Materialien aufweisen, wie beispielsweise Titan, um Korrosionseinflüsse
vom Abgas zu verringern oder zu vermeiden.
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Ein
Luft/Abgas-Mischungsdurchlass 47 verbindet strömungsmittelmäßig
den Auslass des Kompressors 48 mit dem Einlass der Venturi-Vorrichtung 64.
Somit stellt die Venturi-Vorrichtung 64 den Mischort für
Abgas von der Hochdruckseite des Abgasrückführungssystems 20 mit
dem Abgas mit niedrigem Druck dar, welches nahe vom Endrohr herkommt,
dessen Druck jedoch als eine Folge dessen aufgeladen bzw. verstärkt
wurde, dass es durch die Kompressoren 48 und 49 gelaufen
ist. Falls erwünscht, können die Kühler 45 und 71 mit
einer Kondensatpumpe 76 über jeweilige Kondensatdurchlässe 78 und 77 verbunden
sein, um die Entfernung von gesammeltem kondensiertem Wasser und
anderen Flüssigkeiten in den Kühlern 45 und 71 in
herkömmlicher Weise zu erleichtern. Obwohl dies nicht notwendig
ist, kann der Motor 10 auch ein oder mehrere NOx/Lambda-Sensoren 85 und 87 an
speziellen Stellen aufweisen, um zu gestatten, dass Gasbestandteilniveaus
während des Betriebs des Motors 10 überwacht
werden. Insbesondere können die Lambda-Sensoren 85 und 87 die
Gehalte von mehreren unterschiedlichen Gasen im Luft/Abgas-Rückleitungsdurchlass 70 überwachen,
und diese Informationen können verwendet werden, um weiter
die Verbrennungssteuerung von Verbrennungsereignissen in den einzelnen
Zylindern 14 zu erleichtern.
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Obwohl
der Motor 10 derart veranschaulicht ist, dass er gestufte
Turbolader 20 und 23 aufweist, wird der Fachmann
erkennen, dass der Motor einen einzelnen Turbolader aufweisen könnte,
ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In einem
solchen Fall könnte der Hochdruckabgasrücklauf
stromaufwärts des Turboladers angeschlossen sein, während
der Niederdruckabgasrücklauf stromabwärts desselben
angeschlossen wäre. Der Fachmann wird erkennen, dass die
relativen Anteile von Abgas und Frischluft durch das elektronische Steuermodul 29 gesteuert
werden, indem es in geeigneter Weise die Steuerventile 26, 27 und 28 positioniert.
Wenn die relativ hohen Anteile der Abgasrückführung
angefordert werden, wie beispielsweise in der Größenordnung
von 50% oder mehr, drosselt das elektronische Steuermodul 29 die
Steuerventile 27, um die Lieferung von Frischluft einzuschränken, und
bewegt die Ventile 26 und 28 zu ihren vollständig geöffneten
Positionen, um die höheren Verhältnisse der Abgasrückführung
zu gestatten, die mit erwünschten Betriebsbedingungen bei
höheren Drehzahlen und Lasten für den Motor 10 assoziiert
sind.
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Nun
ist mit Bezug auf 2 ein HCCI-Motor 110 bzw.
Motor 110 mit homogener kompressionsgezündeter
Ladung mit vielen Merkmalen gezeigt, die identisch mit dem früher
beschriebenen Motor 10 sind. Jedoch weist das Abgasrückführungssystem 120 verschiedene
Unterschiede im Verhältnis zu dem bezüglich des
Motors 10 beschriebenen Abgasrückführungssystem 20 auf.
Während das Abgasrückführungssystem 120 ein
paar von gestuften Turboladern 122 und 123 in
Reihe aufweist, ist dort insbesondere nur eine einzige Mitteldruckabgasrückführung 163 vorgesehen,
und zwar anstatt den getrennten Hochdruck- und Niederdruckabgasrückleitungsdurchlässen,
die mit dem Motor 10 assoziiert sind. In dem Abgasruckführungsdurchlass 120 wird
das Abgas zur Turbine 152 des Turboladers 122 geliefert,
und das Abgas mit mittlerem Druck tritt aus der Turbine 152 über
einen axialen Durchlass aus, der mit dem Mitteldruckabgasrückführungsdurchlass 163 verbunden ist,
und über einen getrennten Zwischenturbinendurchlass 153,
der eine Verbindung mit der Turbine 154 des Turboladers 123 herstellt.
Das Niederdruckabgas tritt dann aus der Turbine 154 aus,
die eine Axialturbine sein kann, und entleert sich in den Turbinenauslass 155,
bevor es durch einen beschichteten Dieselpartikelfilter 157 läuft.
Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel kann der Partikelfilter 157 irgendeine
geeignete Katalysatorbeschichtung aufweisen und kann irgendeine
zusätzliche Regenerationsvorrichtung 156 aufweisen,
welche die notwendige Wärme erzeugt, um den Partikelfilter 157 zu
regenerieren. Nachdem es durch den Partikelfilter 157 läuft, läuft
das Abgas an einem NOx/Lambda-Sensor 187 auf seinem Weg
zum Endrohr 18 vorbei.
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Das
Abgas mit mittlerem Druck, welches aus der Turbine 152 in
den Mitteldruckabgasrückführungsdurchlass 163 austritt,
läuft durch einen beschichteten Dieselpartikelfilter 161 und
tritt dann in einen Reingaseinlass zwischen Kühler 162 ein.
Zwischenzeitlich tritt Frischluft beim Frischlufteinlass 17 ein
und läuft durch ein Drosselsteuerventil 27 in
einen Frischluftversorgungsdurchlass 19. Die Frischluft wird
dann im Kompressor 149 des Turboladers 123 komprimiert,
bevor sie in den Luftversorgungsdurchlass 143 eintritt,
der mit dem Mitteldruckabgasrückführungsdurchlass 163 im
Kühler 162 zusammenläuft. Der Kühler 162 entleert
sich in einen Zwischenkompressordurchlass 146, der eine
Verbindung mit dem Kompressor 148 des Turboladers 122 herstellt. Der
Kompressor 148 kann korrosionsbeständi ge Materialien
aufweisen, wie beispielsweise Titan, um besser irgendeinem Korrosionseinfluss
des rückzirkulierten Abgases Widerstand zu bieten, falls
vorhanden. Die komprimierte Mischung aus Abgas und Frischluft verlässt
den Turbolader 148 und tritt in den Abgasrückführungsdurchlass 170 ein,
wo sie an einem Lambdasensor 185 auf ihrem Weg zum Motoreinlassdurchlass
vorbeiläuft, und zwar über einen Luft-Luft-Nachkühler ähnlich
jenem, der bezüglich des vorherigen Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird
das Steuerventil 27 über das elektronische Steuermodul 129 über
eine Kommunikations- bzw. Verbindungsleitung 131 gesteuert.
Somit ist das Abgasrückführungssystem 120 des
Ausführungsbeispiels der 2 gegenüber
jenem des Ausführungsbeispiels der 1 dahingehend
vereinfacht, dass das Verhältnis von Abgas zu Frischluft
vollständig durch geeignete Positionierung des Drosselsteuerventils 27 gesteuert
wird und nicht durch Verwendung von drei Ventilen, wie beim vorherigen
Ausführungsbeispiel.
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Dem
Fachmann wird klar sein, dass der HCCI-Betrieb sehr empfindlich
auf die Luft/Brennstoff-Verhältnisladungsmasse und das
Kompressionsverhältnis ist. Als eine Folge kann eine geringfügige
Differenz bei der Luft/Brennstoff-Verhältnisladungsmasse
oder dem Kompressionsverhältnis zwischen zwei unterschiedlichen
Zylindern beträchtliche Unterschiede bei sowohl der Verbrennungsphasenzeitsteuerung
als auch der Verbrennungswärmeabgabe zur Folge haben. Kleine
Variationen beim Luft/Brennstoff-Verhältnis und/oder bei
der Ladungsmasse können eine große Vielzahl von
Ursachen haben. Beispielsweise können die Geometrie der
Lufteinlasssammelleitung genauso wie die Positionierung des einzelnen
Zylinders bezüglich dieser Sammelleitung kleine Unterschiede
unter den unterschiedlichen Zylindern bei der Luftmenge (und dem Abgas
aus der Abgasrückführung) bewirken, welche diese
einzelnen Zylindern erreichen. Zusätzlich kann auch nicht
ganz vollständig mit der Frischluft vermischtes Abgas ebenfalls
die Bedingungen in einem speziellen Zylinder verändern.
Eine weitere mögliche Quelle der Variation beim Luft/Brennstoff-Verhältnis und/oder
der Ladungsmasse kann Leistungsvariationen unter unterschiedlichen
Brennstoffeinspritzvorrichtungen zugeordnet werden. Beispielsweise
wird das gleiche Steuersignal, welches zu einer Vielzahl von unterschiedlichen
Brennstoffeinspritzvorrichtungen geliefert wird, inhärent
geringfügig unterschiedliche Brennstoffmengen zur Folge
haben, die von den unterschiedlichen Brennstoffeinspritzvorrichtungen eingespritzt
werden. Eine bessere oder schlechtere Sprühzerstäubung
kann auch zu Variationen bei der einzelnen Zylinderleistung beitragen.
Auf jeden Fall wird es ohne irgendwelche Einstellungen unter der Vielzahl
von Motorzylindern 14 Variationen in der Verbrennungsphasenzeitsteuerung
und der Verbrennungswärmeabgabe geben. Obwohl dies nicht
leicht offensichtlich ist, kann der Zylinder mit der am meisten
vorgeschobenen Verbrennungsphasenzeitsteuerung den gesamten Lastbereich
des ganzen Motors begrenzen. Wenn die Last zunimmt, wird dieser
früh zündende Zylinder schließlich bewirken,
dass die Druckanstiegsraten und die maximalen Druckgrenzen in diesem
einzelnen Zylinder vor jenen der anderen überschritten
werden. Zusätzlich können Variationen der Verbrennungsphasenzeitsteuerung
und der Verbrennungswärmeabgabe auch zu immer weiter steigenden
Geräuschgrößen führen, wenn
die Motorlast zunimmt. Der Fachmann wird erkennen, dass inhärente
Variationen unter unterschiedlichen Motorzylindern anderenfalls
den Lastbereich des Motors begrenzen werden, außer wenn
gewisse Maßnahmen ergriffen werden, um Variationen beim
Verbrennungsphasenzeitablauf und/oder der Verbrennungswärmeabgabe
unter den Motorzylindern auszugleichen oder zu verringern.
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Nun
wird mit Bezug auf die 3 und 4a–d
ein typischer Motorzylinder 14 für die Motoren 10 und 110 der 1 und 2 veranschaulicht.
Der Zylinder 14 weist einen sich hin und her bewegenden
Kolben 15 und eine elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 auf,
die zur Einspritzung von flüssigem Brennstoff direkt in
den Zylinder 14 positioniert ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 weist
eine elektrische Betätigungsvorrichtung 21 auf,
die betreibbar ist, um die Brennstoffeinspritzmenge von der Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 über
Steuersignale zu steuern, die von der Motorsteuervorrichtung 29 über
die Verbindungs- bzw. Kommunikationsleitung 33 übertragen
wurden. Die Motorsteuervorrichtung ist konfiguriert, um unabhängige
Einstellungen der Brennstoffmenge für die einzelnen Zylinder 14 über
unterschiedliche Steuersignale zu machen, die an unterschiedliche
Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 übermittelt
werden, die mit den unterschiedlichen Zylindern 14 assoziiert
sind. Wie bei der vorliegenden Offenbarung verwendet, können
die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 als Verbrennungswärmeabgabesteuervorrichtungen
angesehen werden. Anders gesagt, durch Einstellen der einzelnen
Signale an die einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 können
die Brennstoffeinspritzvorrichtungen bezüglich ihrer Brennstoffeinspritzmenge
eingestellt werden, so dass weniger Variationen bei der Verbrennungswärmeabgabe
unter den gesamten Motorzylindern 14 die Folge sind. Beispielsweise
kann ein Zylinder mit einer Verbrennungswärmeabgabe von
mehr als dem Durchschnitt in seiner Abweichung durch Veränderung
seines Steuersignals verringert werden, um geringfügig
die Menge des Brennstoffes zu verringern, die die Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 für
diesen einzelnen Zylinder 14 einspritzt. Der Fachmann wird
erkennen, dass die Motorsteuervorrichtung 29 konfiguriert
sein kann, um eine Regelungsstrategie (closed loop) zur kontinuierlichen
Einstellung der Verbrennungswärmeabgabe immer dann zu haben,
wenn der Motor 10, 110 in Betrieb ist. Trotzdem
wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auch eine
Steuerungsstrategie (non-closed loop) in Betracht zieht, wo die
einzelnen Steuersignaleinstellungen für die verschiedenen
Zylinder voreingestellt sind und auf einer gewissen periodischen
Basis aktualisiert werden können, wie beispielsweise bei
jedem Motorstart oder während routinemäßiger
Serviceintervalle.
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Im
Regelungsbetrieb (closed loop) bestimmt die Motorsteuervorrichtung
29 eine
Verbrennungswärmeabgabe aus der Verbrennung in den unterschiedlichen
Motorzylindern
14 in einem Motorzyklus und bestimmt dann,
bei welchem der Motorzylinder die Verbrennungswärmeabgabe
eingestellt werden muss, um die Variation zu verringern. Wenn ein
Zylinder eine Einstellung benötigt, wird die Motorsteuervorrichtung
29 eine
Brennstoffeinspritzvorrichtungssteuersignaleinstellung bestimmen,
die die Verbrennungswärmeabgabe von diesem einzelnen Zylinder entweder
vergrößern oder verringern wird. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel wird die Bestimmung der Verbrennungswärmeabgabe
durch einzelne Verbrennungssensoren
84 erreicht, die mit jedem
einzelnen Zylinder
14 assoziiert sind, die Informationen
an die Motorsteuervorrichtung
29 über die Kommunikationsleitungen
37 übermitteln.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungssensor
84 ein
Drucksensor, jedoch wird der Fachmann erkennen, dass andere Sensoren,
wie beispielsweise Ionensensoren, oder irgendeine geeignete in der
Technik bekannte Strategie verwendet werden können, um
die Verbrennungswärmeabgabe für einen einzelnen
Zylinder abzuschätzen. Bei der vorliegenden Offenbarung
weist jeder einzelne Zylinder
14 seinen eigenen Verbrennungssensor
84 auf. Jedoch
zieht die vorliegende Offenbarung auch Strategien in Betracht, wo
jeder einzelne Zylinder mehr als einen Sensor aufweist, um Verbrennungscharakteristiken
zu bestimmen, oder eine Strategie, die eine Anzahl von Sensoren
aufweist, die geringer als die Anzahl der Motorzylinder ist, die
jedoch immer noch fähig ist, einzelne Verbrennungscharakteriken
in ausreichender Weise zu bestimmen, um die Steuerstrategie der
vorliegenden Offenbarung auszuführen. Abhängig
von der Komplexität und möglicherweise von der
Geschwindigkeit der Motorsteuervorrichtung
29 kann die
Verbrennungswärmeabgabe auf eine Anzahl von Arten abgeschätzt
werden. Eine allgemeine Gleichung für die offensichtliche
Wärmeabgaberate kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei gilt:
- r
- = Wärmekapazität
- P
- = Druck zum Zeitpunkt
t
- V
- = augenblickliches
Kammervolumen
-
Beispielsweise
könnte eine einfache numerische Integrationsstrategie in
der gesamten Gleichung über die Verbrennungsdauer verwendet
werden. Alternativ kann eine adäquate Abschätzung
der Verbrennungsenergieabgabe mit weniger intensiver Verarbeitung
durch Erkennung der Tatsache erhalten werden, dass der Ausdruck
dv/dt in der Gleichung ignoriert werden kann, wenn die HCCI-Verbrennung nahe
dem oberen Totpunkt auftritt. Der Fachmann erkennt dies, weil sich
das Brennkammervolumen sehr wenig in der kurzen Zeit verändert,
die nötig ist, damit die Ladung um den oberen Totpunkt
herum verbrennt. In einer einsichtigen Alternative kann auch eine
numerische Integration vermieden werden, indem man erkennt, dass
das Maximum von dQ/dt in der obigen Gleichung direkt mit Gesamt-Q
oder der Wärmeabgabe in Beziehung steht. Wenn somit ein Zylinder ein
maximales dQ/dt zeigt, welches hoch ist, würde das Steuersignal
an diese spezielle Brennstoffeinspritzvorrichtung verkürzt
werden, um die Brennstoffmenge zu verringern, um das maximale dQ/dt und
daher die gesamte Wärmeabgabe zu verringern. Wenn das maximale
dQ/dt für einen einzelnen Zylinder niedrig ist, würde
genauso das Steuersignal an die Brennstoffeinspritzvorrichtung für
dieses Signal verlängert werden, um die Brennstoffmenge
zu vergrößern, was das maximale dQ/dt vergrößert
und daher die gesamte Wärmeabgabe für diesen Zylinder
in Ausgleich mit den anderen Zylindern bringt. Somit kann jegliches
Niveau an Komplexität zur Abschätzung der Verbrennungswärmeabgabe
angewendet werden, vorausgesetzt, dass die Strategie gestattet, dass
die Motorsteuervorrichtung 29 eine Variation unter den
Zylindern bei der Verbrennungsenergieabgabe mit ausreichender Genauigkeit
bestimmt, um die Steuersignale an die einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 entsprechend
einzustellen. Somit kann in einem Regelungsbetrieb (closed loop) die
Variation unter den einzelnen Zylindern bei der Verbrennungsenergieabgabe
auf einen Punkt verringert werden, wo die Variation akzeptabel ist.
Dieser Aspekt der Offenbarung wird in den 4a und 4b veranschaulicht.
Die in 4a gezeigte Verbrennungsenergieabgabevariation 92 vor
irgendwelchen Steuersignaleinstellungen kann mit der vergleichsweise
kleineren in 4b gezeigten Variation 94 nachdem
die Brennstoffeinspritzvorrichtungssteuersignale für die
einzelnen Zylinder 16 eingestellt worden sind, verglichen
werden. Der Fachmann wird erkennen, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtungssteuersignale
zu einem Durchschnitt der Zylinder hin oder zu einer gewissen vorbestimmten
Verbrennungsenergieabgabe für den speziellen Betriebszustand
des Motors 10, 110 eingestellt werden können.
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Außer
der Verringerung der Variationen unter den einzelnen Zylindern bezüglich
der Verbrennungsenergieabgabe können die Motoren 10 und 110 auch
Mittel zum individuellen Einstellen des Verbrennungsphasenzeitablaufes
in den einzelnen Zylindern 14 aufweisen. Somit zieht die
vorliegende Offenbarung einzelne Verbrennungsphasensteuervorrichtungen
in Betracht, die mit jedem der einzelnen Zylinder 14 assoziiert
sind. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel nehmen
diese Verbrennungsphasensteuervorrichtungen die Form von variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81 an,
die gestatten, dass das Einlassventil 82 über
einen von einer Nocke vorgegebenen Verschlusszeitpunkt hinaus offen
gehalten wird, welcher durch die Nockenansatzposition der Nocke 83 bestimmt
wird. Die Verbrennungsphasensteuerung kann auch durch eine variable
Auslassventilbetätigungsvorrichtung 88 gesteuert
werden, die mit dem Auslassventil 86 und der Nocke 89 assoziiert
ist. Obwohl die vorliegende Offenbarung eine variable Ventilzeitsteuerung über Ventilbetätigungsvorrichtungen
veranschaulicht, welche in Verbindung mit den Nocken 83 und 89 arbeiten,
wird der Fachmann erkennen, dass der Einlass und/oder der Auslass
vollständig elektronisch gesteuert werden können,
wie beispielsweise über hydraulische Betätigungsvorrichtungen
der in der Technik bekannten Bauart. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
werden die Variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81 durch
die Motorsteuervorrichtung 29 über Kommunikationsleitungen 34 gesteuert,
und die variablen Auslassventilbetätigungsvorrichtungen 88 werden über
Kommunikationsleitungen 36 gesteuert. Durch Einstellen
von einzelnen Steuersignalen an eine oder beide variablen Ventilbetätigungsvorrichtungen 81 und 88 kann
die in diesem Zylinder 14 aufgenommene Gasmenge eingestellt
werden, um die Ladungsmasse einzustellen. Dies stellt wiederum das
Luft/Brennstoff-Verhältnis genauso wie den Druck und die
Temperatur am oberen Totpunkt in diesem einzelnen Zylinder 16 ein,
und daher den Verbrennungsphasenzeitablauf in diesem Zylinder. Zusätzlich
wird der Verbrennungsphasenzeitablauf durch das Kompressions- bzw.
Verdichtungsverhältnis gesteuert, was durch das Verhältnis des
Zylindervolumens, wenn das Ventil (die Ventile) schließen,
zu dem Zylindervolumen beim oberen Totpunkt bestimmt wird.
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Der
Verbrennungsphasenzeitablauf kann auf irgendeiner geeigneten Verbrennungscharakteristik basieren,
wie beispielsweise auf einem maximalen dp/dt oder einem maximalen
Druck. Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel identifiziert
den Verbrennungsphasenzeitpunkt beim Wendepunkt der Kurve des Druckes
gegenüber der Zeit, der durch das Maximum dp/dt widergespiegelt
wird. Somit kann der gleiche Verbrennungssensor 84 verwendet
werden, um den Verbrennungsphasenzeitpunkt für einen einzelnen
Zylinder 14 zu bestimmen, und zwar durch die Bestimmung
des Zeitpunktes, bei dem die Spitzenzylinderdruckanstiegsrate auftritt.
Diese Information kann dann verwendet werden, und ein Vergleich
unter allen Motorzylindern kann ausgeführt werden, und eine
Variation unter den Zylindern kann verringert werden, indem die
einzelnen variablen Ventilbetätigungsvorrichtungen 81 und/oder 88 für
diesen Zylinder in einem darauf folgenden Motorzyklus eingestellt
werden. Trotzdem wird der Fachmann erkennen, dass ein separater
anderer Sensor verwendet werden könnte, um die Verbrennungsphasenzeitbestimmung
auszuführen, als der veranschaulichte Drucksensor 84.
In dem Fall, dass der Verbrennungsphasenzeitpunkt unter Verwendung
von nur der variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtung 81 eingestellt
wird, wird das Schließen des Einlassventils 82 später
in einem Motorzyklus die Ladungsmasse und das Kompressions- bzw.
Verdichtungsverhältnis verringern, was den Verbrennungsphasenzeitpunkt
verzögern wird. Andererseits wird ein früheres
Schließen des Einlassventils 82 im Motorzyklus
die Ladungsmasse und das Verdichtungsverhältnis vergrößern,
was den Verbrennungsphasenzeitpunkt vorschieben wird. Die 4a und 4c sind
nützlich bei der Veranschaulichung dieses Konzeptes. Im
Fall der 4a ist die Verbrennungsphasenzeitvariation 91 relativ
groß, jedoch wird, nachdem die einzelnen Zylinder durch
Einstellung von einzelnen Steuersignalen an die jeweiligen variablen
Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 81 eingestellt
worden sind, die Abweichung auf eine kleine Phasenzeitsteuervariation 93 verringert,
wie in 4c gezeigt. 4d ist von
Interesse, um die Verbrennungswärmeabgabekurven zu veranschaulichen,
und zwar nachdem sowohl die Variationen der Verbrennungsphasenzeit
als auch der Verbrennungswärmeabgabegröße
verringert worden sind.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der
Fachmann wird erkennen, dass, anders als bei herkömmlichen
Dieselmotoren, HCCI-Motoren bzw. Motoren mit homogener kompressionsgezündeter
Ladung, wesentlich größere Mengen an Abgasrückführung
erfordern, um besser einen Betrieb über einen breiten Bereich
von Drehzahlen und Lasten des Motors zu ermöglichen. Tatsächlich
können diese Abgasrückführungsraten 50%
des Gases überschreiten, welches zum Einlass des Motors
geliefert wird. Diese extrem hohen Niveaus der Abgasrückführung
sind typischerweise nicht in Abgasrückführungssystemen
verfügbar, die herkömmlichen Dieselmotoren assoziiert
sind. Wenn die Motoren 10 und 110 in den höchsten
Teilen der Lastbereiche arbeiten, werden somit vergrößerte
Anteile des Abgases in die Rückführungssysteme 20, 120 geliefert,
und zwar durch Drosseln der Frischlufteinlassventile 27,
um die höheren Abgasrückführungsniveaus
zu begünstigen. Im Fall des Motors 10 kann das
Drosselsteuerventil 27 bei niedrigeren Drehzahlen und Lasten
in einem vollständig geöffneten Zustand positioniert
sein, während die relativen Anteile der erwünschten
Abgasrückführung durch geeignetes Positionieren
der Steuerventile 26 und 28 aufrecht erhalten
werden, die mit den Niederdruck- bzw. Hochdruckabgasdurchlässen
assoziiert sind. Andererseits steuert der Motor 110 die
relativen Anteile von Abgas und Frischluft durch Einstellung der
Position des Drosselsteuerventils 27 über den
Motorbetriebsbereich.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass Abgas bei der Manipulation bzw. Einstellung
von sowohl dem Zündungszeitpunkt als auch dem maximalen Druck
eines Verbrennungsereignisses in einem HCCI-Motor nützlich
sein kann. Weil die chemischen Bestandteile des Abgases typischerweise
eine höhere Wärmekapazität aufweisen
als jene von reiner Luft, kann das Vergrößern
des Prozentsatzes des eingeleiteten Abgases als eine Wärmesenke
dienen, um Verbrennungsenergie zu absorbieren, die anderenfalls
eine extreme Druckspitze zur Folge haben könnte. Somit
können erhöhte Niveaus an Abgas die Zylinderdruckrate
und die Zylinderdruckanstiegsrate verringern, indem die Verbrennungsrate
verlangsamt wird und der Zündungszeitpunkt verzögert
wird, was einen Betrieb bei noch höheren Lasten gestattet. Wenn
alle anderen Dinge gleich sind, wird ein erhöhter Prozentsatz
von eingeleitetem Abgas in dem Zylinder auch ein gesteigertes Kompressions-
bzw. Verdichtungsverhältnis für einen gegebenen
Verbrennungsphasenablauf gestatten und umgekehrt. Somit können
gesteigerte Mengen an Abgasrückführung verwendet
werden, um den Zündungszeitpunkt zu verzögern,
während verringerte Abgasrückführungsraten
verwendet werden können, um den Zündzeitpunkt
vorzustellen. Somit können variierende Mengen der Abgasrückführung
gekoppelt mit einer Vorrichtung zum Steuern bzw. Einstellen eines
variablen Verdichtungsverhältnisses und/oder der variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtung
drei nützliche Steuerebenen zur Einstellung des Zündzeitpunktes und
des maximalen Zylinderdruckes über einen großen
Bereich von Betriebsbedingungen vorsehen.
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Der
Fachmann wird auch erkennen, dass eine gewisse Aufmerksamkeit auf
den Ausgleich des Wunsches gerichtet werden sollte, den Einlassdruck zu
steigern, indem Energie aus den Abgasen über einen Turbolader
(mehrere Turbolader) herausgezogen wird, und zwar gegenüber
dem Leiten des Abgases zur Rückzirkulation bzw. Rückführung
vor dem Herausziehen der gesamten potenziellen Energie aus diesem.
Dieser Punkt wird bei den Motoren 10 und 110 angesprochen,
indem gestufte Turbolader 122 und 123 in Reihe
miteinander vorgesehen werden. Jedoch zieht die vorliegende Offenbarung
einen einzelnen Turbolader für den Motor oder möglicherweise
zwei oder mehr Turbolader in Reihe und/oder parallel mit einer geeigneten
Anordnung in Betracht, die einen ausreichenden Einlassladedruck
gestattet, während gesteigerte Abgasrückführungsraten
zugelassen werden, die mit einem HCCI-Betrieb bei höheren
Drehzahlen und Belastungen assoziiert sind. Der Fachmann wird erkennen,
dass alle oben offenbarten Strategien zum Variieren der Zylinderdrücke
bzw. Zylinderdruckraten und Zylinderdruckanstiegsraten sehr eng
gekoppelt sind. Somit kann der Wunsch bestehen, sich stark auf die
Vorrichtung zum Einstellen eines variablen Verdichtungsverhältnisses
für Massenveränderungen im Verdichtungsverhältnis
zu verlassen, sich auf variierende Mengen der Abgasrückführung
zu verlassen, um den Zündzeitpunkt einzustellen, und sich
auf eine variable Einlassventilbetätigungsvorrichtung für
schnelle Einstellungen von Zyklus zu Zyklus zu verlassen, und um
Unterschiede unter den Zylindern bezüglich ihres Verhaltens
einzustellen bzw. auszugleichen. Trotzdem können die Steuereingaben
gemischt werden und so verwendet werden, wie erwünscht,
um eine erwünschte Ansprechzeit zu erreichen und um einen
neuen Betriebszustand zu erhalten, bei dem ausreichende Steuerfähigkeiten
verfügbar sind, um den Motor in irgendeiner erwünschten
Weise zu betreiben.
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Um
den Betriebsbereich des Motors 10, 110 in höhere
Lastbereiche zu erweitern, kann es nötig sein, Variationen
unter den Motorzylindern 14 bei der Verbrennungsphasenzeit
und/oder der Verbrennungsenergieabgabe zu reduzieren. Der Fachmann wird
erkennen, dass die maximale Belastungsfähigkeit für
einen Motor auftritt, wenn zumindest einer der Motorzylinder einen
Spitzenzylinderdruck oder eine Druckanstiegsrate auf oder über
einer gewissen vorbestimmten Schwelle er zeugt, die mit den Umschließungs-
bzw. Haltefähigkeiten des Motorgehäuses assoziiert
ist (beispielsweise des Motorblocks und des Motorkopfes und so weiter).
Durch Einstellung der Verbrennungsphasenzeit kann die Variation
unter den einzelnen Zylindern 14 verringert werden, und der
Lastbereich kann ausgedehnt werden, da alle Zylinder sich besser
vereint der Spitzenzylinderdruckgrenze oder der Druckanstiegsratengrenze
nähern, als wenn ein früh zündender Zylinder
seine Grenze in einem Zustand mit niedriger Belastung erreicht.
Der Lastbereich des Motors 10, 110 wird auch erweitert durch
Einstellung von Steuersignalen an einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16,
um Variationen unter den Motorzylindern bezüglich einer
Verbrennungsenergieabgabe zu verringern. Wenn somit ein Zylinder
eine überdurchschnittliche Verbrennungsenergieabgabe hat,
würde sein Steuersignal in einer Richtung zur Einspritzung
von geringfügig weniger Brennstoff verkürzt werden,
während bei einem Zylinder mit einer niedrigen Verbrennungsenergieabgabe dessen
Brennstoffeinspritzvorrichtungssteuersignal verlängert
werden würde, um geringfügig mehr Brennstoff einzuspritzen.
Durch Leistungsausgleich der Zylinder können die Geräuschemissionen
aus dem Motor verringert werden, insbesondere bei höheren
Belastungen, und der gesamte Motor kann bei höheren Belastungen
betrieben werden als realistisch praktisch oder möglich,
wenn die Zylinder nicht ausbalanciert bzw. ausgeglichen sind.
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In
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die maximale
Lastbereichsfähigkeit bzw. Belastungsfähigkeit
des Motors über seinen gesamten Betrieb aufrecht erhalten,
und zwar durch Einsatz der Strategie zur Verringerung der Verbrennungsphasenzeitvariation
und der Strategie zur Variation der Verbrennungsenergieabgabe in
einer Art und Weise einer Regelung (closed loop) im Hintergrund der
Motorbetriebssteuerung. Somit könnte man erwarten, dass
die Steuersignale an die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16,
und die variablen Einlassventilbetätigungsvorrichtungen 18, 81 für
die einzelnen Zylinder 14 konstant eingestellt werden,
um Variationen der Verbrennungsphasenzeit und der Verbrennungsenergieabgabe
unter den Motorzylindern zu kompensieren, und zwar aufgrund von
inhärenten Faktoren, die mit dem Motor assoziiert sind,
und aufgrund von anderen Faktoren. Beispielsweise können inhärente
Variationen der Brennstoffeinspritzvorrichtungen genauso wie Variationen
kompensiert werden, die aus einer Einlasssammelleitungsgeometrie resultieren.
Durch kontinuierliches Betreiben des Algorithmus zur Verringerung
der Variationen im Hintergrund können auch andere Quellen
von Variationen bei der Verbrennungsphasenzeit und der Verbrennungsenergieabgabe,
wie beispielsweise Frischluftdruck, Frischlufttemperatur, Motortemperatur,
Abgasrückführungstemperatur und so weiter, ebenfalls kompensiert
werden.
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Es
sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken
vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner
Weise einschränken soll. Somit wird der Fachmann erkennen,
dass andere Aspekte der Erfindung aus einem Studium der Zeichnungen,
der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche
gewonnen werden können.
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Zusammenfassung
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VERBRENNUNGSAUSLGEICH IN EINEM
HCCI-MOTOR
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Ein
HCCI-Mehrzylindermotor (10, 110) weist Betätigungsvorrichtungen
(81, 16) und eine Motorsteuervorrichtung auf,
die konfiguriert ist, um Variationen der Verbrennungsphase und/oder
der Verbrennungsenergieabgabe unter den unterschiedlichen Motorzylindern
(14) zu verringern. Durch Abfühlen von sowohl
dem Phasenablauf als auch der Größe der Verbrennungsenergieabgabe
erzeugt die Motorsteuervorrichtung (29) Steuersignale für
die Verbrennungsphasensteuervorrichtungen und die Verbrennungsenergieabgabesteuervorrichtungen
für die Motorzylinder (14). Die Steuersignale
können voneinander unterschiedlich sein, um Variationen
in der Gruppe der Motorzylinder (14) zu verringern. Eine
Verbrennungsenergieabgabesteuervorrichtung kann eine direkt einspritzende
Brennstoffeinspritzvorrichtung (16) sein und die Verbrennungsphasensteuervorrichtung
kann eine variable Einlassventilbetätigungsvorrichtung
(81) sein. Die Verringerung der Variationen bei diesen
Aspekten der Verbrennungsereignisse gestattet, dass der Motor (10, 110)
bei höheren Drehzahlen und Belastungen arbeitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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