DE112011101053T5

DE112011101053T5 - Verdichtungsgezündeter Motor mit Brennstoffmischungseinspritzung

Info

Publication number: DE112011101053T5
Application number: DE112011101053T
Authority: DE
Inventors: Hoisan Kim
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2013-03-28
Also published as: US20110232601A1; WO2011119658A3; WO2011119658A2; CN102812231A; CN102812231B

Abstract

Ein Motor weist ein elektronisch gesteuertes Mischungsverhältnissteuerventil mit einem ersten Einlass auf, der strömungsmittelmäßig mit einer Quelle für Benzin verbunden ist, und mit einem zweiten Einlass, der strömungsmittelmäßig mit einer Quelle für verdichtungsgezündeten Brennstoff verbunden ist, wie beispielsweise Dieselbrennstoff. Ein Auslass aus dem Mischungsverhältnissteuerventil ist strömungsmittelmäßig mit einem Brennstoffeinlass von mindestens einer Brennstoffeinspritzvorrichtung verbunden. Das Mischungsverhältnissteuerventil variiert ein Mischungsverhältnis von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff ansprechend auf ein Steuersignal, welches von einer elektronischen Steuervorrichtung übermittelt wird. Die Brennstoffmischung kann in der Brennstoffeinspritzvorrichtung auf Einspritzniveaus unter Druck gesetzt werden und direkt in den Motorzylinder eingespritzt werden. Der verdichtungsgezündete Brennstoff wird durch Verdichtung gezündet, was wiederum das Benzin zündet, um eine niedrigere und bessere Kombination von nicht wünschenswerten Emissionen als eine Folge des Verbrennungsprozesses zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf verdichtungsgezündete Motoren und insbesondere auf die Einspritzung und Verbrennung von elektronisch gesteuerten Mischungsverhältnissen von Benzin und einen Brennstoff für Verdichtungszündung.
Hintergrund
Ingenieure suchen konstant nach neuen Wegen zur Verringerung von unerwünschten Emissionen aus kompressions- bzw. verdichtungsgezündeten Motoren. Während nicht wünschenswerte Bestandteile in Abgasemissionen mit immer komplizierter werdenden Nachbehandlungssystemen behandelt werden, ist das Verbrennen von Brennstoff in einer Weise, welche die Erzeugung von nicht wünschenswerten Emissionen von vornherein reduziert, immer eine erwünschte Alternative gewesen. Einige der nicht wünschenswerten Emissionen, welche gegenwärtig Probleme machen, weisen NOx, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Partikelstoffe auf. NOx ist im Allgemeinen mit höheren Verbrennungstemperaturen assoziiert. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe können manchmal mit Brennstoff in entfernten Teilen eines Motorzylinders assoziiert sein, die nicht vollständig verbrennen. Die Erzeugung von Partikelstoffen kann einer großen Vielzahl von in der Technik bekannten Quellen zugeordnet werden, was die Brennstoffzusammensetzung und andere Faktoren miteinschließt. Die Verringerung von unerwünschten Emissionen insgesamt aus dem Brennraum kann schwierig erreichbar sein, da das Verringern von einer der nicht wünschenswerten Emissionen oft eine wesentliche Zunahme einer anderen zur Folge haben kann.
Obwohl verdichtungsgezündete Motoren im Allgemeinen mit Dieselbrennstoff assoziiert sind, ist es bekannt, andere weniger reaktive Brennstoffe zu verbrennen, wobei verdichtungsgezündeter Dieselbrennstoff verwendet wird, um wiederum einen weniger reaktiven Brennstoff zu zünden, wie beispielsweise Erdgas oder Benzin. In einem speziellen Beispiel eines Motors, welches seine Motivation nicht bei den Emissionen sucht, lehrt das US-Patent 3,308,794 einen verdichtungsgezündeten Motor, der eine kleine Menge von Dieselbrennstoff mit einem vorherrschend größeren Volumen an Benzin kombiniert, welches direkt in den Motor als Mischung eingespritzt wird. Das Benzin wird durch den verbrennenden Dieselbrennstoff gezündet, der durch Kompression bzw. Verdichtung gezündet wird. Obwohl diese Referenzschrift das Konzept des Zündens von Benzin mit einer kleinen Menge von verdichtungsgezündetem Dieselbrennstoff einführet, berücksichtigt sie nicht Probleme bezüglich der Emissionen und zieht auch nicht in Betracht oder erkennt, dass Emissionen reduziert werden können, und zwar mit einer Möglichkeit des Variierens des Mischungsverhältnisses von Benzin zu Diesel, unabhängig von den Motorbetriebsbedingungen.
Die vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme gerichtet.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt weist ein Brennstoffsystem eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen auf, weiter eine Quelle für Benzin und eine Quelle für verdichtungsgezündeten Brennstoff. Ein elektronisch gesteuertes Mischungsverhältnissteuerventil hat einen ersten Einlass, der strömungsmittelmäßig mit der Quelle für Benzin verbunden ist, und einen zweiten Einlass, der strömungsmittelmäßig mit der Quelle für verdichtungsgezündeten Brennstoff verbunden ist. Ein Auslass des Mischungsverhältnissteuerventils ist strömungsmittelmäßig mit einem Brennstoffeinlass von mindestens einer der Brennstoffeinspritzvorrichtungen verbunden. Das Mischungsverhältnissteuerventil ist zwischen einer Vielzahl von Konfigurationen bewegbar, welche unterschiedlichen Verhältnissen von Benzin zum verdichtungsgezündeten Brennstoff im Auslass entsprechen. Eine elektronische Steuervorrichtung ist in steuernder Verbindung mit dem Mischungsverhältnissteuerventil.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Betrieb eines Motors das Komprimieren von Luft in einem Motorzylinder über einen Selbstzündungszustand eines verdichtungsgezündeten Brennstoffes auf. Eine erste Mischung aus Benzin und einem verdichtungsgezündeten Brennstoff mit einem ersten Mischungsverhältnis wird in den Motorzylinder eingespritzt. Eine Veränderung bzw. Umschaltung auf ein zweites Mischungsverhältnis wird ansprechend auf ein Mischungsverhältnissteuersignal ausgeführt, welches von einer elektronischen Steuervorrichtung an das Mischungsverhältnissteuerventil übermittelt wird. Die zweite Mischung von Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff mit dem zweiten Mischungsverhältnis wird in den Motorzylinder eingespritzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines Motor- und Brennstoffsystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung aus dem Brennstoffsystem der 1; und
3 ist eine geschnittene schematische Frontansicht eines Mischungsverhältnissteuerventils aus dem Brennstoffsystem der 1.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf 1 weist ein Motor 10 ein Brennstoffsystem 16 mit einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 auf. Der Motor 10 ist derart gezeigt, dass er sechs Brennstoffeinspritzvorrichtungen entsprechend einem Sechs-Zylinder-Motor aufweist, jedoch wird der Fachmann erkennen, dass die Lehren der vorliegenden Offenbarung gleichfalls auf Motoren mit irgendeiner Anzahl von Zylindern anwendbar sind. Die Düsenauslässe 41 von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 sind zur direkten Einspritzung von Brennstoff in einzelne Zylinder 12 positioniert (wobei nur ein Zylinder gezeigt ist). In herkömmlicher Weise bewegt sich ein Kolben 14 in jedem Zylinder 12 hin und her, und zwar mit einem ausreichenden Verdichtungs- bzw. Kompressionsverhältnis, um Luft über einen Selbstzündungszustand eines verdichtungsgezündeten Brennstoffs zu komprimieren, wie beispielsweise destilliertem Dieselbrennstoff, Diesel-Biobrennstoff usw. Somit ist der Motor 10 ein verdichtungsgezündeter Motor und weist keine elektronische Funkeneinleitungsvorrichtung auf, wie beispielsweise eine Zündkerze. Somit beruht eine Zündung einer Brennstoffladung, die von der Einspritzvorrichtung 17 eingespritzt wird, auf der Kompressionszündung bzw. Verdichtungszündung eines verdichtungsgezündeten Brennstoffs, der zumindest einen Anteil des Brennstoffes ausmacht, der die Düsenauslässe 41 verlässt. Das Brennstoffsystem 16 ist derart ausgelegt, dass eine Mischung aus Benzin und einem verdichtungsgezündeten Brennstoff zu den einzelnen Einspritzvorrichtungen 17 geliefert wird und in jeweilige Zylinder 12 als eine zusammengeführte Mischung eingespritzt wird.
In dem in 1 veranschaulichten Brennstoffsystem 16 wird die zusammengeführte Mischung aus Benzin und dem verdichtungsgezündeten Brennstoff innerhalb der einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 auf Einspritzniveaus unter Druck gesetzt. Obwohl das Brennstoffsystem 16 derart gezeigt ist, dass es eine hydraulische Betätigung verwendet, um die Brennstoffmischung in jeder der einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 unter Druck zu setzen, wird der Fachmann erkennen, dass ein nockenbetätigtes Unter-Druck-Setzen der einzuspritzenden Brennstoffmischung auch in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen würde. Zusätzlich könnte auch eine gemeinsame Druckleitung bzw. Common-Rail, welche eine Mischung aus Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff enthält, die auf Einspritzniveaus unter Druck gesetzt wird, bevor sie zu den einzelnen Einspritzvorrichtungen geliefert wird, ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen, jedoch wird diese Ausführung weniger bevorzugt, und zwar aufgrund möglicher Probleme bei der Schmierung und möglicher verringerter Fähigkeit zum schnellen Wechseln bzw. Ändern des Verhältnisses von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff in der eingespritzten Mischung.
Das Brennstoffsystem 16 weist eine Benzinquelle 20 bzw. Quelle für Benzin auf, die strömungsmittelmäßig mit einem ersten Einlass 25 eines Mischungsverhältnissteuerventils 24 über eine Transferpumpe 21 verbunden ist. Eine Quelle 22 für verdichtungsgezündeten Brennstoff ist strömungsmittelmäßig mit einem zweiten Einlass 26 des Mischungsverhältnissteuerventils 24 über eine getrennte Transferpumpe 23 verbunden. Ein Auslass 42 des Mischungsverhältnissteuerventils 24 ist strömungsmittelmäßig mit den Brennstoffeinlässen 40 von jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 über einen Brennstoffmischungsversorgungsdurchlass 85 verbunden. Obwohl das Brennstoffsystem 16 der 1 ein gemeinsames Mischungsverhältnissteuerventil 24 zeigt, welches von allen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 gemeinsam verwendet wird, würden unterschiedliche Kombinationen des gemeinsamen Verwendens und auch ein extra für jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 vorgesehenes Mischungsverhältnissteuerventil in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen.
Der Hydraulikströmungsmitteldruck von einer Common-Rail 34, welcher zu einem Hochdruckeinlass 55 von jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 geliefert wird, sieht die Mittel vor, durch welche die Brennstoffmischung, die von dem Mischungsverhältnissteuerventil 24 herkommt, in jeder der einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 auf Einspritzniveaus unter Druck gesetzt wird. In dem Brennstoffsystem 16 wird unter Druck gesetzter verdichtungsgezündeter Brennstoff als das hydraulische Medium verwendet, jedoch könnten andere verfügbare Strömungsmittel, wie beispielsweise Motorschmieröl, ebenfalls verwendet werden, ohne von der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Eine Druckleitungs- bzw. Rail-Lieferpumpe 36 weist einen Einlass 37 auf, der strömungsmittelmäßig mit der Quelle 22 für verdichtungsgezündeten Brennstoff über die Transferpumpe 23 verbunden ist. Somit findet ein Teil des Brennstoffes, der von der Transferpumpe 23 gepumpt wird, seinen Weg in das Mischungsverhältnissteuerventil 24, und ein weiterer Teil findet seinen Weg zur Common-Rail 34 über die Rail-Lieferpumpe 36. Insbesondere ist ein Auslass 38 aus der Rail-Lieferpumpe 36 strömungsmittelmäßig mit einem Einlass 33 der Common-Rail 34 verbunden. Die Common-Rail 34 kann mit einem Rail-Druckbegrenzungsventil 88 ausgerüstet sein, welches Brennstoff mit übermäßig großem Druck zurück zur Quelle 22 für verdichtungsgezündeten Brennstoff über eine Rückleitung 89 leitet. Nach dem Ausführen von Arbeit zum Unter-Druck-Setzen der Brennstoffmischung in der Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 verlässt das verwendete Betätigungsströmungsmittel (verdichtungsgezündeter Brennstoff aus der Common-Rail 34) nun mit niedrigem Druck jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 bei einem Niederdruckablauf 56, um zur Quelle 22 für verdichtungsgezündeten Brennstoff über eine Betätigungsströmungsmittelrückleitung zur Rückzirkulation zurückgeleitet zu werden. Zur Verdeutlichung ist nur eine der Rückleitungen 86 gezeigt.
Obwohl es denkbar ist, das ein mechanisch gesteuerter Motor in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fällt, wird der in 1 veranschaulichte Motor 10 elektronisch über eine oder mehrere elektronische Steuervorrichtungen 18 gesteuert. Im Brennstoffsystem 16 weist jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 zumindest eine elektrische Betätigungsvorrichtung auf, welche Steuersignale von der elektronischen Steuervorrichtung 18 über jeweilige Verbindungs- bzw. Kommunikationsleitungen 90 empfängt. Die elektronische Steuervorrichtung 18 kann Informationen bezüglich des Druckes in der Rail 34 über einen Rail-Drucksensor 94 aufnehmen, der über eine Kommunikationsleitung 93 damit in Verbindung steht. Wiederum kann die elektronische Steuervorrichtung 18 den Druck in der Common-Rail 34 über eine Rail-Drucksteuerbetätigungsvorrichtung steuern, die in der Rail-Lieferpumpe 36 eingebaut ist und Steuersignale über eine Kommunikationsleitung 91 empfängt. Somit kann die Rail-Lieferpumpe 36 eine elektronisch gesteuerte Drosseleinlasspumpe sein oder kann die Ausgabe aus der Pumpe in irgendeiner anderen bekannten Weise steuern, wie beispielsweise über ein elektronisch gesteuertes Überlaufventil (mehrere Überlaufventile) der in der Technik bekannten Bauart. Gemäß noch einer weiteren Alternative kann der Druck in der Common-Rail über ein elektronisch gesteuertes Überlaufventil gesteuert werden, welches eine ausreichende Menge an Strömungsmittel zurück zur Quelle leitet, um den Druck in der Common-Rail auf einem gewissen erwünschten Niveau zu halten. Zusätzlich zum Steuern der Betätigung der einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 und des Drucks in der Common-Rail 34 kann die elektronische Steuervorrichtung 18 die Betätigung des Mischungsverhältnissteuerventils 24 steuern, um das Verhältnis von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff im Auslass 42 zu steuern. Somit kann das Mischungsverhältnissteuerventil 24 eine elektronisch gesteuerte Betätigungsvorrichtung 70 aufweisen, welche Mischungsverhältnissteuersignale von der elektronischen Steuervorrichtung 18 über die Kommunikationsleitung 92 empfängt.
Nun mit Bezug auf 2 ist die innere Struktur von einer der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 veranschaulicht. Wie früher erwähnt, tritt die Mischung aus Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff in die Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 beim Brennstoffeinlass 40 ein. Der unter Druck gesetzte verdichtungsgezündete Brennstoff, der als das Betätigungsströmungsmittel wirkt, tritt beim Hochdruckeinlass 55 ein und verlässt die Brennstoffeinspritzvorrichtung nachdem er Arbeit ausgeführt hat, über den Niederdruckablauf 56. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 weist eine elektronische Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 auf (beispielsweise einen Elektromagneten), die betriebsmäßig angeschlossen ist, um ein Ventilglied 46 zu bewegen. Insbesondere kann das Ventilglied 46 zu einer Position vorgespannt sein, welche strömungsmittelmäßig einen Betätigungsströmungsmittelhohlraum 48 mit dem Niederdruckablauf 56 über einen Betätigungsströmungsmitteldurchlass 50 verbindet. Wenn die Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 erregt bzw. eingeschaltet wird, kann sich das Ventilglied 46 zu einer Position bewegen, welche die Strömungsmittelverbindung mit dem Niederdruckablauf 56 schließt und den Hochdruckeinlass 55 öffnet, um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel in den Betätigungsströmungsmittelhohlraum 48 über den Betätigungsströmungsmitteldurchlass 50 zu gestatten. Ein Verstärkerkolben 47 hat ein Ende, welches dem Strömungsmitteldruck in dem Betätigungsströmungsmittelhohlraum 48 ausgesetzt ist, und ein gegenüberliegendes Ende, welches dem Strömungsmitteldruck in einer Brennstoffdruckkammer 51 ausgesetzt ist, die strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass 40 über einen nicht gezeigten inneren Durchlassweg verbunden ist. Der Verstärkerkolben 47 ist in seiner vollständig zurückgezogenen Position gezeigt, wobei die Brennstoffdruckkammer 51 mit einer Mischung aus Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff geladen bzw. gefüllt ist, und zwar zur darauf folgenden Einspritzung durch die Düsenauslässe 41. Um eine Leckage von Benzin über den Verstärkerkolben 47 in den Betätigungsströmungsmittelhohlraum 48 zu verhindern, kann der Verstärkerkolben 47 ein effektives Verstärkungsverhältnis von kleiner gleich eins haben. Nach den Einspritzereignissen, wenn die Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 entregt bzw. ausgeschaltet ist, ist der Transferdruck in dem Brennstoffmischungslieferdurchlass 85 ausreichend, um den Verstärkerkolben 47 zurück zu seiner zurückgezogenen Position zu schieben, wie gezeigt, um verwendeten verdichtungsgezündeten Brennstoff mit niedrigem Druck zurück zu seiner Quelle 22 zu schieben, so dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 für ein darauf folgendes Einspritzereignis zurückgesetzt werden kann.
Das Öffnen und Schließen der Brennstoffauslässe 41 wird dadurch ermöglicht, dass die Brennstoffdruckkammer 51 auf Einspritzniveaus unter Druck gesetzt wird und durch Bewegung eines direkt betriebenen bzw. direkt betätigten Rückschlagelementes 59. Direkt betätigte Rückschlagelemente sind in der Technik wohlbekannt und weisen typischerweise ein Nadelventilglied auf, welches zu einer Position vorgespannt ist, um die Düsenauslässe durch eine Feder zu schließen, jedoch weist das Nadelventilglied auch eine hydraulische Verschlussfläche auf, die einem Strömungsmitteldruck in einer Steuerkammer ausgesetzt ist. Wenn der Druck in der Steuerkammer hoch ist, wird das direkt betätigte Rückschlagelement geschlossen gehalten, und die Düsenauslässe bleiben blockiert. Wenn der Druck in der Nadelsteuerkammer niedrig ist und die Brennstoffdrücke auf Einspritzniveaus sind, kann sich das direkt betätigte Rückschlagelement zu einer offenen Position bewegen, um zu gestatten, das Brennstoff aus den Düsenauslässen 41 in bekannter Weise herausspritzt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist eine Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60, die einen Elektromagneten oder ein Piezo-Element aufweisen kann, betriebsmäßig gekoppelt bzw. angeschlossen, um ein Nadelsteuerventil 61 zwischen einer ersten Position, in der eine Nadelsteuerkammer 62 strömungsmittelmäßig mit dem Niederdruckbrennstoffeinlass 40 über einen nicht gezeigten Durchlass verbunden ist, und einer zweiten Position zu bewegen, in der die Nadelsteuerkammer 62 strömungsmittelmäßig mit einem Düsenversorgungsdurchlass 64 verbunden ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Nadelsteuerkammer 62 normalerweise strömungsmittelmäßig mit dem Düsenversorgungsdurchlass 64 verbunden, wenn die Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 entregt bzw. ausgeschaltet ist, jedoch wird die Nadelsteuerkammer 62 zu dem Düsenversorgungsdurchlass 64 hin blockiert und zu einem Niederdruckdurchlass geöffnet, der mit dem Brennstoffeinlass 40 verbunden ist, wenn diese erregt bzw. eingeschaltet ist. Wenn sowohl die Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 als auch die Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 erregt sind, kann somit Brennstoff aus den Düsenauslässen 41 in die jeweiligen Motorzylinder 12 in bekannter Weise eingespritzt werden. Obwohl das Nadelsteuerventil 61 als ein Drei-Wege-Ventil gezeigt ist, würden andere Strukturen in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Bei diesen Alternativen wird eine sogenannte A- und Z-Zumessöffnungsstrategie verwendet, und das Nadelsteuerventil ist ein Zwei-Wege-Ventil, welches die Niederdruckströmungsmittelverbindung öffnet und schließt, während die Nadelsteuerkammer immer strömungsmittelmäßig mit dem Düsenversorgungsdurchlass über eine kleine Zumessöffnung verbunden ist. Eine solche Alternative würde auch in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Gemäß noch einer weiteren Alternative würde auch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ohne direkte Steuerung der Düsenauslässe in den vorgesehenen Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. In einem solchen Fall wäre das Nadelrückschlagelement einfach durch eine Feder mit einer gewissen Vorspannung zum Definieren eines Ventilöffnungsdruckes vorgespannt, um die Düsenauslässe 41 zu schließen. Das Rückschlagelement würde eine hydraulische Öffnungsfläche aufweisen, die einem Strömungsmitteldruck in dem Düsenversorgungsdurchlass ausgesetzt ist, der das Nadelventilglied nach oben drücken würde, um die Düsenauslässe 41 zu öffnen, wenn der Brennstoffdruck den Ventilöffnungsdruck überschreiten würde, der von der Vorspannfeder definiert wird, und das Nadelrückschlagelement würde sich unter der Wirkung der Feder schließen, wenn der Brennstoffdruck unter einen Ventilverschlussdruck abfällt, der mit der Feder und den hydraulischen Flächen des Nadelrückschlagelementes assoziiert ist bzw. durch diese bestimmt wird. Somit wird der Fachmann erkennen, dass eine große Vielzahl von Düsenanordnungen mit unterschiedlich arbeitenden Strukturen in den vorgesehenen Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen würde.
Nun mit Bezugnahme auf 3 wird die innere Struktur eines beispielhaften Mischungsverhältnissteuerventils 24 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Das Mischungsverhältnissteuerventil 24 weist einen ersten Einlass 25 auf, der strömungsmittelmäßig mit einer Quelle für Benzin in 1 verbunden ist, und einen zweiten Einlass 26, der derart gezeigt ist, dass er strömungsmittelmäßig mit der Quelle 22 für verdichtungsgezündeten Brennstoff verbunden ist, die ebenfalls in 1 gezeigt ist. Der Auslass 42 kann mit dem Brennstoffmischungslieferdurchlass 85 verbunden sein. Die Mischungsverhältnisbetätigungsvorrichtung 70 kann eine Linearbetätigungsvorrichtung sein, wie beispielsweise ein elektronisch gesteuerter Schrittmotor, oder sie kann einen Hydraulikkolben aufweisen, dessen Position über einen Hydraulikströmungsmitteldruck über ein elektronisch gesteuertes Ventil gesteuert wird. In jedem Fall kann die Mischungssteuerbetätigungsvorrichtung 70 als eine Linearbetätigungsvorrichtung angesehen werden, welche betriebsmäßig gekoppelt bzw. angeschlossen ist, um ein Ventilglied 32 zwischen einem ersten Sitz 27 und einem zweiten Sitz 29 zu bewegen. Somit ist in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel das Ventilglied 32 ein Sitzventil, welches zwischen Sitzen 27 und 29 eingeschlossen ist. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass eine Struktur mit einer Kolbenventilbauart ebenfalls anstelle des veranschaulichten Sitzventils eingesetzt werden könnte.
Ein erstes Rückschlagventil 28 ist strömungsmittelmäßig zwischen dem ersten Einlass 25 und dem ersten Sitz 27 positioniert und wirkt dahingehend, dass es einen Rückfluss von vermischtem Brennstoff bzw. einer Brennstoffmischung zurück zur Benzinquelle 20 verhindert. Ein zweites Rückschlagventil 30 ist strömungsmittelmäßig zwischen dem zweiten Einlass 26 und dem zweiten Sitz 29 positioniert und verhindert auch den Rückfluss von vermischtem Brennstoff zur Quelle 22 für verdichtungsgezündeten Brennstoff. Der Auslass 42 öffnet sich in den Bereich 31 zwischen dem ersten Sitz 27 und dem zweiten Sitz 29. Somit werden die Strömungsquerschnitte über die jeweiligen Sitze 27 und 29 abhängig von der Position des Ventilgliedes 32 verändert, und daher wird das Mischungsverhältnis des Brennstoffes im Bereich 31 und beim Auslass 42 verändert. Wenn das Ventilglied 32 in Kontakt mit dem ersten Sitz 27 ist, um diesen zu schließen, fließt reiner verdichtungsgezündeter Brennstoff durch das Mischungssteuerventil 24. Wenn andererseits das Ventilglied 32 in seiner obersten Position ist, wodurch es den Sitz 29 schließt, würde reines Benzin in den Bereich 31 und aus dem Auslass 42 fließen. Abhängig von den Drücken, die durch die Transferpumpen 21 und 23 erzeugt werden, genauso wie abhängig von den Strömungsquerschnitten über die Sitze 27 und 29, können kontinuierlich unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff erzeugt werden, und zwar im Bereich von reinem Benzin zu reinem verdichtungsgezündeten Brennstoff und irgendwo dazwischen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung ist allgemein auf jeglichen verdichtungsgezündeten Motor anwendbar, der von einer einfachen mechanischen Steuerung zu dem kompliziertesten elektronisch gesteuerten Motoren mit umfangreicher Verdrahtung reicht, die in der Technik bekannt sind. Die vorliegende Offenbarung findet spezielle Anwendung bei verdichtungsgezündeten Motoren, wo ein Wunsch besteht, die Verbrennungscharakteristiken durch Verwendung von unterschiedlichen Mischungsverhältnissen eines verdichtungsgezündeten Brennstoffes mit einem weniger reaktiven Brennstoff zu verändern, wie beispielsweise Benzin. Die vorliegende Offenbarung findet mögliche Anwendung dabei, dass man die Fähigkeit schafft, die Mischungsverhältnisse von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff in Echtzeit und unabhängig von den Motorbetriebsbedingungen (d. h. der Drehzahl und der Belastung) zu steuern. Motoren gemäß der vorliegenden Offenbarung können potentiell nicht wünschenswerte Emissionen verringern, die als eine Folge des Verbrennungsprozesses erzeugt werden und sie können daher verwendet werden, um die Anforderungen an Abgasnachbehandlungssysteme zu lockern.
Beim Testen usw. können Ingenieure Kennfelder für erwünschte Mischungsverhältnisse basierend auf irgendeiner Anzahl von abgefühlten oder bekannten Variablen entwickeln, wie beispielsweise der Motordrehzahl, der Motorbelastung, erwünschter Emissionsprofile und anderer Variablen. Diese Karten bzw. Kennfelder könnten in der elektronischen Steuervorrichtung 18 gespeichert sein oder diese könnte auf die Kennfelder Zugriff haben, und die Kennfelder würden verwendet werden, um Mischungsverhältnissteuersignale von der elektronischen Steuervorrichtung 18 zur Linearbetätigungsvorrichtung 70 des Mischungsverhältnissteuerventils 24 zu bestimmen, zu erzeugen und zu übermitteln. Abhängig von den Motorbetriebsbedingungen und den erwünschten Verbrennungscharakteristiken kann die elektronische Steuervorrichtung 18 zu jeder Zeit ein Steuersignal an das Mischungsverhältnissteuerventil 24 verändern bzw. umschalten und das Verhältnis von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff in der Versorgungsleitung 85 verändern. Der Einspritzdruck kann durch die elektronische Steuervorrichtung 18 über geeignete Steuersignale gesteuert werden, die zu einer Common-Rail-Lieferpumpe 36 geliefert werden, welche direkt vom Motor angetrieben werden kann. Schließlich kann der Zeitpunkt, zu dem der Brennstoff innerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 unter Druck gesetzt wird, durch Erregen bzw. Einschalten der Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 zu einem erwünschten Zeitpunkt gesteuert werden. Das Steuern des Zeitpunktes der Brennstoffeinspritzung aus der Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 wird durch den Zeitpunkt gesteuert, zu dem die Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 erregt wird.
Der Fachmann wird erkennen, dass eine unterschiedliche Ratenformung bzw. Einspritzratenformung am vorderen Ende und am hinteren Ende usw. durch das Variieren der relativen Zeitpunkte der Betätigung bzw. des Einschaltens und des Ausschaltens der Drucksteuerventilbetätigungsvorrichtung 45 und der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 erreicht werden können. Wenn beispielsweise eine Rampenform des vorderen Endes erwünscht wäre, könnte die Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 vor oder gleichzeitig mit der Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 erregt werden. Wenn andererseits eine Art von quadratischer bzw. rechteckiger Form der vorderen Rate erwünscht wäre, würde die Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung deutlich nachdem erregt werden, wenn die Drucksteuerbetätigungsvorrichtung erregt worden ist, um Brennstoff innerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 auf Einspritzniveaus zu bringen.
Im Betrieb komprimiert der Motor Luft in jedem einzelnen Zylinder über einen Selbstzündungszustand des verdichtungsgezündeten Brennstoffes. Eine erste Mischung von Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff mit einem ersten Mischungsverhältnis kann in den Motorzylinder 12 eingespritzt werden. Die elektronische Steuervorrichtung kann dann einen Wechsel bzw. Umschaltung auf ein zweites Mischungsverhältnis anweisen, indem sie ein anderes Mischungsverhältnissteuersignal an das Mischungsverhältnissteuerventil übermittelt, welches darauf ansprechen wird, indem es die jeweiligen Strömungsquerschnitte über die Sitze 27 und 29 verändert (3). Der Fachmann wird erkennen, dass, obwohl die Mischung von Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff zu den einzelnen Brennstoffeinspritzvorrichtungen 17 des Motors 10 mit einem Brennstofftransferdruck geliefert wird, der gemischte Brennstoff auf einen Einspritzdruck in den jeweiligen Brennstoffdruckkammern 51 (2) von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 angehoben wird. Das Unter-Druck-Setzen der Brennstoffmischung wird eingeleitet durch Erregen bzw. Einschalten der Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 (2) ansprechend auf ein Betätigungssignal, welches von der elektronischen Steuervorrichtung 18 an die einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 übermittelt wird. Dies bewirkt, dass Hochdruckbetätigungsströmungsmittel in die einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 fließt, um den Verstärkerkolben von der in 2 gezeigten Position nach unten zu bewegen, um den Brennstoff in der Brennstoffdruckkammer 51 unter Druck zu setzen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der Verstärkerkolben hydraulisch mit unter Druck gesetztem verdichtungsgezündetem Brennstoff aus der Common-Rail 34 bewegt. Weil der Verstärkerkolben ein Verstärkungsverhältnis von kleiner gleich eins haben kann, wird der Druck des Brennstoffes in der Brennstoffdruckkammer 51 kleiner oder gleich dem Common-Rail-Druck sein. Eine Einspritzung wird eingeleitet durch Erregen der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 (2) ansprechend auf ein Einspritzsignal, welches von der elektronischen Steuervorrichtung 18 an die einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 übermittelt wird. Wenn dies getan wird, wird die Nadelsteuerkammer 62 strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass 40 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 17 verbunden, und zwar ansprechend auf die Erregung der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60. Ein Einspritzereignis wird beendet durch Entregen bzw. Ausschalten von entweder der Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 oder der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60. Jedoch kann das Ende der Einspritzung durch Entregen bzw. Abschalten der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung 60 vor dem Entregen der Drucksteuerbetätigungsvorrichtung 45 abrupt gemacht werden.
Es sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränken soll. Somit wird der Fachmann erkennen, dass andere Aspekte der Offenbarung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche gewonnen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3308794 [0003]

Claims

Brennstoffsystem (16), welches Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen (17); eine Quelle (20) für Benzin; eine Quelle (22) für verdichtungsgezündeten Brennstoff; ein elektronisch gesteuertes Mischungsverhältnissteuerventil (24) mit einem ersten Einlass (25), der strömungsmittelmäßig mit der Quelle (20) für Benzin verbunden ist, und mit einem zweiten Einlass (26), der strömungsmittelmäßig mit der Quelle (22) für verdichtungsgezündeten Brennstoff verbunden ist, und einen Auslass (38, 42) der strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass (40) von mindestens einer der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (17) verbunden ist, und wobei das Mischungsverhältnissteuerventil (24) zwischen einer Vielzahl von Konfigurationen bewegbar ist, welche unterschiedlichen Verhältnissen von Benzin zu verdichtungsgezündetem Brennstoff im Auslass (42) entsprechen; eine elektronische Steuervorrichtung (18) in steuernder Verbindung mit dem Mischungsverhältnissteuerventil (24).
Brennstoffsystem (16) nach Anspruch 1, welche eine Common-Rail (34) aufweist, die strömungsmittelmäßig mit jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (17) verbunden ist; mindestens eine Rail-Drucksteuerbetätigungsvorrichtung (45); wobei die elektronische Steuervorrichtung (18) in steuernder Verbindung mit der mindestens einen Rail-Drucksteuerbetätigungsvorrichtung (45) ist; und eine Rail-Versorgungspumpe (36) mit einem Einlass (33), der strömungsmittelmäßig mit der Quelle (22) für verdichtungsgezündeten Brennstoff verbunden ist, und mit einem Auslass (42), der strömungsmittelmäßig mit einem Einlass (33) der Common-Rail (34) verbunden ist.
Brennstoffsystem (16) nach Anspruch 1, wobei jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (17) eine Drucksteuerbetätigungsvorrichtung (45) aufweist; wobei die elektronische Steuervorrichtung (18) in steuernder Verbindung mit der Drucksteuerbetätigungsvorrichtung (45) ist; wobei jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (17) einen Verstärkerkolben (47) aufweist, dessen eines Ende einem Strömungsmitteldruck in einem Betätigungsströmungsmittelhohlraum (48) ausgesetzt ist, und dessen anderes Ende einem Strömungsmitteldruck in einer Brennstoffdruckkammer (51) ausgesetzt ist; wobei die Drucksteuerbetätigungsvorrichtung (45) betriebsmäßig angeschlossen ist, um ein Ventilglied (46) zwischen einer ersten Position, in der der Betätigungsströmungsmittelhohlraum (48) strömungsmittelmäßig mit einer Quelle für Hochdruckbetätigungsströmungsmittel verbunden ist, und einer zweiten Position zu bewegen, in der der Betätigungsströmungsmittelhohlraum (48) strömungsmittelmäßig mit einem Niederdruckablauf (56) verbunden ist; und wobei die Brennstoffdruckkammer (51) strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass (40) verbunden ist; wobei der Verstärkerkolben (47) ein Verstärkungsverhältnis von kleiner gleich eins definiert, wobei die Quelle für Hochdruckbetätigungsströmungsmittel eine Common-Rail (34) für unter Druck gesetzten verdichtungsgezündeten Brennstoff ist; und wobei der Niederdruckablauf (56) strömungsmittelmäßig mit der Quelle (22) für verdichtungsgezündeten Brennstoff verbunden ist.
Brennstoffsystem (16) nach Anspruch 1, wobei jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen (17) eine Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung (60) aufweist; wobei die elektronische Steuervorrichtung (18) in steuernder Verbindung mit der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung (60) ist; wobei ein Nadelsteuerventil (61) betriebsmäßig angeschlossen ist, um von der Nadelsteuerbetätigungsvorrichtung (60) zwischen einer ersten Position, in der eine Nadelsteuerkammer (62) strömungsmittelmäßig mit dem Brennstoffeinlass (40) verbunden ist, und einer zweiten Position bewegt zu werden, in der die Nadelsteuerkammer (62) strömungsmittelmäßig vom Brennstoffeinlass (40) abgeblockt ist; und wobei die Nadelsteuerkammer (62) strömungsmittelmäßig mit einer Brennstoffdruckkammer (51) verbunden ist, wenn das Nadelsteuerventil (61) in der zweiten Position ist, jedoch strömungsmittelmäßig von der Brennstoffdruckkammer (51) in der ersten Position abgeblockt ist.
Brennstoffsystem (16) nach Anspruch 1, wobei das Mischungsverhältnissteuerventil (24) ein Ventilglied (32) aufweist, welches eingeschlossen ist, um sich zwischen einem ersten Sitz (27) und einem zweiten Sitz (29) zu bewegen, und wobei es ein erstes Rückschlagventil (28) aufweist, welches strömungsmittelmäßig zwischen dem ersten Sitz (27) und dem ersten Einlass (25) positioniert ist, und ein zweites Rückschlagventil (30), welches strömungsmittelmäßig zwischen dem zweiten Sitz (29) und dem zweiten Einlass (26) positioniert ist, und wobei der Auslass (38, 42) strömungsmittelmäßig mit einem Bereich (31) zwischen dem ersten Sitz (27) und dem zweiten Sitz (29) verbunden ist; und wobei das Mischungsverhältnissteuerventil (24) eine Linearbetätigungsvorrichtung (70) aufweist, die betriebsmäßig angeschlossen ist, um das Ventilglied (32) zu bewegen.
Verfahren zum Betrieb eines Motors (10), welches folgende Schritte aufweist: Komprimieren von Luft in einem Zylinder (12) des Motors (10) über einen Selbstzündungszustand eines verdichtungsgezündeten Brennstoffes; Einspritzen einer ersten Mischung aus Benzin und verdichtungsgezündetem Brennstoff mit einem ersten Mischungsverhältnis in den Zylinder (12) des Motors (10); Umschalten auf ein zweites Mischungsverhältnis ansprechend auf ein Mischungsverhältnissteuersignal, welches von einer elektronischen Steuervorrichtung (18) an das Mischungsverhältnissteuerventil (24) übermittelt wird; und Einspritzen einer zweiten Mischung aus Benzin und dem verdichtungsgezündeten Brennstoff mit dem zweiten Mischungsverhältnis in den Zylinder (12) des Motors (10).
Verfahren nach Anspruch 6, welches einen Schritt aufweist, die Mischung aus Benzin und dem verdichtungsgezündeten Brennstoff mit einem Brennstofftransferdruck zu liefern; den Druck der Mischung auf einen Einspritzdruck in einer Brennstoffdruckkammer (51) einer Brennstoffeinspritzvorrichtung (17) anzuheben; wobei der Schritt des Anhebens des Druckes eingeleitet wird durch Erregen einer ersten elektrischen Betätigungsvorrichtung ansprechend auf ein Betätigungssignal, welches von der elektronischen Steuervorrichtung (18) zur Brennstoffeinspritzvorrichtung (17) übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Anhebens des Druckes aufweist, einen Verstärkerkolben (47) innerhalb der Brennstoffeinspritzvorrichtung (17) zu bewegen; Wobei der Verstärkerkolben (47) hydraulische mit unter Druck gesetztem verdichtungsgezündeten Brennstoff von einer Common-Rail (34) bewegt wird; wobei der Schritt des Anhebens des Druckes das Anheben des Druckes der Mischung auf weniger oder gleich einem Druck in der Common-Rail (34) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, welches einen Schritt des Einleitens einer Einspritzung durch Erregen einer zweiten elektrischen Betätigungsvorrichtung ansprechend auf ein Einspritzsignal aufweist, welches von der elektronischen Steuervorrichtung (18) an die Brennstoffeinspritzvorrichtung (17) übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, welches einen Schritt aufweist, strömungsmittelmäßig eine Nadelsteuerkammer (62) in der Brennstoffeinspritzvorrichtung (17) mit einem Brennstoffeinlass (40) der Brennstoffeinspritzvorrichtung (17) ansprechend auf den Schritt des Erregens der zweiten elektrischen Betätigungsvorrichtung zu verbinden.