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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren, und insbesondere Verbrennungsmotoren, die unter Verwendung von mehr als einem Kraftstoff betrieben werden.
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Hintergrund
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Es sind Verbrennungsmotoren bekannt, die mit mehr als einem Kraftstoff arbeiten. Bestimmte Motoren verwenden zwei oder mehr Kraftstoffe mit unterschiedlichen Reaktionseigenschaften bzw. Reaktivitäten. Ein Beispiel für einen solchen Motor ist aus der US-Patentanmeldung Nr. 2011/0192367 ersichtlich, die am 11. August 2011 für Reitz et al. veröffentlicht wurde (im Folgenden ”Reitz”) und in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin mit eingeschlossen ist. Reitz beschreibt einen Kompressionszündungsmotor, der zwei oder mehr Kraftstoffladungen mit zwei oder mehr Reaktionseigenschaften in einem Verbrennungsverfahren verwendet, das manchmal als reaktionsgesteuerte Kompressionszündung (”RCCI”) bezeichnet wird. Nach Reiz können zwei Kraftstoffe in die Verbrennungskammer an unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Einlass-Verdichtungshubs eingeleitet werden, um geschichtete Bereiche mit unterschiedlichen Reaktivitäten zu erzeugen, die unter Kompression spontan zünden. Die relativen Reaktivitäten der Kraftstoffe und die Zeitsteuerung ihrer Einleitung bestimmen neben weiteren Aspekten zum Teil die Zündzeitsteuerung, die Verbrennungsrate, die Kraftstoffeffizienz, die Motorleistungsabgabe und die Emissionen.
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Zu den Faktoren, die den Zündzeitpunkt bei Reitz beeinflussen, gehört die Zylinderinnentemperatur. Läuft der Verbrennungsmotor in seinem Nenndrehzahlbereich, kann die Temperatur des Luft/Kraftstoff-Gemischs innerhalb der Motorzylinder vor der Verbrennung zum Teil die spontane Zündung und die vollständige Verbrennung der geschichteten Bereiche der zwei Kraftstoffe innerhalb der Verbrennungskammer steuern. Bei niedrigen Betriebstemperaturen, wie etwa während des Motoranlaufs oder wenn der Motor leerläuft, kann es jedoch schwierig sein, den Zündzeitpunkt und damit die Rate oder Dauer der Verbrennung zu steuern. Somit können bei diesen niedrigen Temperaturbedingungen einige der Vorteile und Effizienzen des Systems mit dualer Reaktivität von Reitz nicht verwirklicht werden.
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Zusammenfassung
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Die Offenbarung beschreibt gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der konfiguriert ist, Kraftstoffe mit zwei unterschiedlichen Reaktivitäten einzusetzen. Das Verfahren umfasst das Messen eines Betriebsparameters des Verbrennungssystems. Das Verfahren kann während eines Zustandes mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl oder HTS-Zustands (HTS = high temperature/speed) des Verbrennungssystems einen ersten Kraftstoff mit einer ersten Reaktivität und einen zweiten Kraftstoff mit einer zweiten Reaktivität in eine Verbrennungskammer einleiten und dort verbrennen. Die Einleitung des ersten Kraftstoffs und des zweiten Kraftstoffs geschieht an unterschiedlichen Zeitpunkten während des Verbrennungszyklus. Das Verfahren kann während eines Zustandes mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl oder LTS-Zustands (LTS = low temperature/speed) des Verbrennungssystems auch hauptsächlich nur einen von dem ersten oder zweiten Kraftstoff in die Verbrennungskammer einleiten und dort verbrennen.
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Die Offenbarung beschreibt in einem weiteren Aspekt des Weiteren ein Verbrennungsmotorsystem mit einem ersten Kraftstoffreservoir, das einen ersten Kraftstoff einer ersten Reaktivität, und einem zweiten Kraftstoffreservoir, das einen zweiten Kraftstoff mit einer zweiten Reaktivität speichert. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Verbrennungskammer mit einem in einem Zylinder bewegbaren Kolben. Eine erste, der Verbrennungskammer zugeordnete Einspritzvorrichtung kann den ersten Kraftstoff in die Verbrennungskammer einleiten, und eine zweite, der Verbrennungskammer zugeordnete Einspritzvorrichtung kann den zweiten Kraftstoff einleiten. Der Verbrennungsmotor umfasst auch einen Sensor, der einen dem Verbrennungsmotor zugeordneten Betriebsparameter misst. Ein Steuergerät kommuniziert mit dem Sensor, um den Betriebsparameter zu empfangen. Während eines Zustandes mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl oder LTS-Zustands des Verbrennungsmotors steuert das Steuergerät die erste und zweite Einspritzvorrichtung, um während des Verbrennungsprozesses hauptsächlich nur einen von dem ersten oder zweiten Kraftstoff in die Verbrennungskammer einzuleiten. Während eines Zustandes mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl oder HTS-Zustands des Verbrennungssystems steuert das Steuergerät jedoch die ersten und zweiten Einspritzvorrichtungen, um sowohl den ersten Kraftstoff als auch den zweiten Kraftstoff in die Verbrennungskammer an unterschiedlichen Zeitpunkten während des Verbrennungszyklus einzuleiten.
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In einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung auch ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotorsystems, das von einem elektronischen Steuergerät ausgeführt wird. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Signals, das auf einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotorsystems hindeutet, durch das elektronische Steuergerät. Das Verfahren bestimmt, ob der Betriebsparameter darauf hindeutet bzw. anzeigt, ob der Verbrennungsmotor sich in einem Zustand mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl oder LTS-Zustand oder in einem Zustand mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl oder HTS-Zustand befindet. Ist er im LTS-Zustand, gibt das Verfahren eine erste Anweisung aus, um das Verbrennungsmotorsystem unter Verwendung hauptsächlich eines ersten Kraftstoffs mit einer ersten Reaktivität zu betreiben. Ist es im HTS-Zustand, gibt das Verfahren eine zweite Anweisung aus, um das Verbrennungsmotorsystem unter Verwendung des ersten Kraftstoffs mit der ersten Reaktivität und eines zweiten Kraftstoffs mit einer zweiten Reaktivität zu betreiben. Das Verfahren wiederholt sich, um zwischen dem Ausgeben der ersten Anweisung und dem Ausgeben der zweiten Anweisung umzuschalten, und zwar in Abhängigkeit von einer Änderung in dem Betriebsparameter.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, der für den RCCI-Betrieb geeignet ist, indem er Kraftstoffe mit unterschiedlichen Reaktivitäten verbrennt, und der des Weiteren für den Betrieb mit niedrigen Motortemperaturen und -drehzahlen konfiguriert ist.
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2 ist eine Querschnittsansicht eines Motorzylinders mit einem bewegbaren Kolben darin, der in einem Verbrennungsmotor angeordnet werden kann, und zeigt die Ventile, die Nockenwellen und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die in Verbindung miteinander arbeiten.
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3 bis 5 sind Querschnittsansichten des Motorzylinders und des Kolbens, der bewegbar darin angeordnet ist, an verschiedenen Punkten während eines Verdichtungszyklus, bei dem geschichtete Bereiche mit unterschiedlichen Reaktivitäten innerhalb des Zylinders gebildet werden.
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6 ist ein Ventil-Zeitdiagramm zum Betreiben eines thermodynamischen Miller-Zyklus mit dem offenbarten Motorsystem.
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7 ist ein schematisches Flussdiagramm und stellt eine mögliche Routine oder Schritte zum Betreiben des Motorsystems dar, das geeignet ist, den RCCI-Verbrennungsprozess während eines Zustandes mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl und während eines Zustandes mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl auszuführen.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren, und insbesondere Verbrennungsmotoren, die unter Verwendung von mehr als einem Kraftstoff zum Beispiel in einem RCCI-Verbrennungsprozess betrieben werden, sowie Maschinen, die solche Motorsysteme umfassen. Verbrennungsmotoren verbrennen einen kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoff oder eine andere verbrennbare Kraftstoffquelle, um die potenzielle oder chemische Energie darin in mechanische Energie in Form physikalischer Bewegung umzuwandeln, die für andere Arbeiten nutzbar gemacht werden kann. In einer Ausführungsform arbeitet der offenbarte Motor unter Verwendung eines Kraftstoffs mit hoher Reaktivität, wie etwa Diesel, in Verbindung mit einem Kraftstoff mit niedriger Reaktivität, wie etwa Benzin, obwohl alternative Ausführungsformen in Betracht gezogen werden, in denen ein einzelner Kraftstoff, der verarbeitet ist, um zwei unterschiedliche Reaktivitäten aufzuweisen, oder in denen zwei andere Arten von Kraftstoffen verwendet werden. In den verschiedenen in Betracht gezogenen Ausführungsformen werden Kraftstoffe mit unterschiedlichen Reaktivitäten in einen Motorzylinder durch verschiedene Verfahren einschließlich Direkteinspritzung eines oder mehrerer Kraftstoffe in den Zylinder und/oder indirekter Einspritzverfahren eingeleitet. Indirekte Kraftstoffeinspritzverfahren können für den bestimmten Typ von Kraftstoff, der verwendet wird, maßgeschneidert werden. Zum Beispiel kann ein gasförmiger Kraftstoff wie etwa Propan oder Erdgas in die Einlasssammelleitung des Motors dispergiert bzw. eingeleitet werden, um mit Motoreinlassluft gemischt zu werden, während ein flüssiger Kraftstoff wie etwa Benzin an einem oder nahe einem Zylindereinlassanschluss eingespritzt werden kann, um mit in den Zylinder eintretender Luft gemischt zu werden. Unter Bezugnahme auf 1, in der gleiche Bezugszeichen sich auf ähnliche Elemente beziehen, wird ein Blockdiagramm für ein Motorsystem 100 abgebildet. Das Motorsystem 100 umfasst einen Verbrennungsmotor 102 und insbesondere einen Kompressionszündungsmotor, bei welchem ein Luft/Kraftstoff-Gemisch komprimiert wird, indem der Druck und die Temperatur bis zu einem Punkt erhöht werden, an dem eine Selbstzündung oder spontane Zündung erfolgt. In alternativen Ausführungsformen kann der Motor in Abhängigkeit von dem verwendeten Typ von Kraftstoffen ein Funkenzündungsmotor sein, bei welchem eine Zündkerze die Zündung auslöst. Der veranschaulichte Verbrennungsmotor 102 umfasst einen Motorblock 104, in dem eine Vielzahl von Verbrennungskammern 106 angeordnet ist. Obwohl sechs Verbrennungskammern 106 dargestellt sind, können in anderen Ausführungsformen weniger oder mehr Verbrennungskammern in einer Reihenkonfiguration oder einer anderen Konfiguration wie etwa einer V-Konfiguration angeordnet sein.
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Unter Bezugnahme auf 2 umfasst jede Verbrennungskammer 106 eine Bohrung oder einen Zylinder 108, der in den Motorblock 104 gebohrt oder geformt sein kann und gleitend einen bewegbaren Kolben 110 darin aufnehmen kann. In der oberen Endfläche oder Oberfläche des Kolbens 110 kann eine konturierte Schale 111 angeordnet sein, die so geformt sein kann, dass sie die Gasströmung innerhalb der Verbrennungskammer 106 kanalisiert oder leitet. Ein Ende des Zylinders 108 ist durch eine Flammdeckoberfläche 112 abgeschlossen, die entlang der untersten Oberfläche eines Zylinderkopfs 114 angeordnet ist, der den Motorblock 104 verschließt. Die Verbrennungskammer 106 ist daher allgemein von dem Zylinder 108, dem beweglichen Kolben 110, und der Flammdeckoberfläche 112 umschlossen. Der oszillierende Kolben 110 bewegt sich in dem Zylinder 108 zwischen einer oberen Totpunkt- oder OT-Stellung, in der der Kolben der Flammdeckoberfläche 112 am nächsten ist, und einer unteren Totpunkt- oder UT-Stellung, in der der Kolben am weitesten von der Flammdeckoberfläche entfernt ist. Die Verbrennungskammer 106 definiert somit ein variables Volumen 116, das expandiert und kontrahiert, während der Kolben 110 sich innerhalb des Zylinders 108 zwischen der OT-Stellung, in der das variable Volumen am kleinsten ist, und der UT-Stellung, in der das variable Volumen am größten ist, hin und her bewegt.
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Die oszillierende Bewegung des Kolbens 110 innerhalb des Zylinders und die Ausdehnung und Kontraktion des variablen Volumens 116 bilden einen Verbrennungszyklus. Ein Verbrennungszyklus kann einen Einlasshub umfassen, in welchem Luft und/oder Kraftstoff in die Verbrennungskammer 106 unabhängig oder getrennt eingeleitet werden, während der Kolben 110 sich von der OT-Stellung in eine UT-Stellung bewegt. Der Verbrennungszyklus kann auch einen Kompressionshub bzw. Verdichtungshub umfassen, bei dem der Kolben 110 sich zurück in seine OT-Stellung bewegt und dabei das Luft/Kraftstoff-Gemisch bis zum Punkt der Zündung verdichtet. Das Verdichtungsverhältnis eines typischen, Diesel verbrennenden Verbrennungsmotors kann in der Größenordnung von 15:1 liegen, obwohl andere Verdichtungsverhältnisse üblich sind. Während eines Leistungshubs dehnt sich das verbrennende Gemisch aus und drückt den Kolben 110 Wieder nach unten in seine UT-Stellung. Der Kolben 110 kann mit einer Kurbelwelle verbunden oder an diese angelenkt sein, so dass seine lineare Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird, die für den Antrieb einer Anwendung oder einer Maschine nutzbar gemacht werden kann. Um die verbrannten Abgase aus dem Zylinder 108 auszustoßen, kann die Trägheit der Kurbelwelle und/oder die Leistungshübe, die in anderen Verbrennungskammern 106 stattfinden, den Kolben 110 während eines Auslasshubs in die OT-Stellung zurückdrängen.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2 kann eine Einlasssammelleitung 120 in oder an dem Motorblock 104 angeordnet oder angebracht sein und sich entlang jeder und/oder über jede der Verbrennungskammern 106 erstrecken, um die in dem Verbrennungsprozess verwendete Einlassluft zu leiten. Die Fluidverbindung zwischen der Einlasssammelleitung 120 und den Verbrennungskammern 106 kann durch eine Vielzahl von Einlasskanälen 122 hergestellt werden, die sich von der Einlasssammelleitung weg erstrecken und in der veranschaulichten Ausführungsform vollständig oder zum Teil durch den Zylinderkopf 114 angeordnet sein können. Zumindest ein Einlasskanal 122 ist jeder Verbrennungskammer 106 zugeordnet und endet an einem Einlassanschluss 124, der durch die Flammdeckoberfläche 112 oder einen anderen Abschnitt des Zylinders angeordnet sein und durch ein Einlassventil 126 selektiv geöffnet und geschlossen werden kann. Bewegt sich der Kolben 110 durch den Einlasshub von der OT-Stellung nach unten in die UT-Stellung, während das Einlassventil 136 geöffnet ist, dehnt sich das variable Volumen 116 darin aus, um Einlassluft durch den Einlassanschluss 124 von dem Einlasskanal 122 zu erhalten. In der veranschaulichten Ausführungsform haben der Einlassanschluss 124 und das Einlassventil 126 einen allgemein kreisförmigen Querschnitt, könnten in anderen Ausführungsformen jedoch andere geeignete Formen aufweisen und an anderen Stellen als der Flammdeckoberfläche 112 ausgebildet sein. Um Einlassluft von der Umgebung zu erhalten und mit den anderen Komponenten des Einlasssystems zu kommunizieren, kann die Einlasssammelleitung 120 einer durch das Motorsystem 100 angeordneten Einlassleitung 128 zugeordnet sein.
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Um durch den Auslasshub aus der Verbrennungskammer 106 ausgestoßene Abgase zu empfangen, kann eine Auslasssammelleitung 130 auf eine Weise, die funktionell die Einlasssammelleitung 120 spiegelt, in dem Motorblock 104 angeordnet oder daran angebracht sein. Die Auslasssammelleitung 130 kann mit den Verbrennungskammern 106 durch eine Vielzahl von Auslasskanälen 132 kommunizieren, die sich von der Auslasssammelleitung weg erstrecken und an einem Auslassanschluss 134 proximal bzw. in der Nähe des Zylinders 108 enden. Zumindest ein Auslasskanal 132 und ein Auslassventil 136 können jedem Zylinder 108 zugeordnet sein. Ähnlich wie bei dem Einlasssystem können der Auslasskanal 132 und der Auslassanschluss 134 in dem Zylinderkopf 114 angeordnet sein und durch ein Auslassventil 136 selektiv geöffnet und geschlossen werden. Wird das Auslassventil 136 geöffnet, wenn sich der Kolben 110 aus der UT-Stellung in die OT-Stellung in dem Zylinder 108 bewegt, werden die Abgase darin durch den Auslassanschluss 134 und in die Auslasssammelleitung 130 hinein gedrückt. Um die Abgase zurück in die Atmosphäre zu leiten, kann die Auslasssammelleitung 130 in Fluidverbindung mit einer zugehörigen Auslassleitung 138 stehen, die durch das Motorsystem 100 angeordnet ist.
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Das selektive Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 126, 136 kann durch eine drehende Nockenwelle 140 gesteuert werden, die über dem Motorblock 104 gelagert sein kann und sich allgemein über die Vielzahl von Verbrennungskammern 106 erstreckt. Unter Bezugnahme auf 2 kann die Nockenwelle 140 eine Vielzahl von exzentrischen Nocken 142 entlang ihrer Länge aufweisen, wobei jeder Nocken in Bezug auf einen benachbarten Nocken phasenverschoben ist. Eine Vielzahl von Ventilschäften oder Schubstangen 146, die jeweils gleitend durch den Zylinderkopf 114 angeordnet und mit einem zugehörigen Einlass- oder Auslassventil 126, 136 verbunden sind, können vertikal von dem Motorblock 104 wegragen. Eine Ventilbrücke 144 erstreckt sich zwischen der Nockenwelle 140 und einem Nockenstößel 148, der an dem distalen bzw. entfernten Ende einer jeden der Ventilschubstangen 146 angeordnet ist. Während sich die Nockenwelle 140 dreht, veranlassen die exzentrischen Nocken 142 die Ventilbrücke 144 zu schwenken, was das Einlassventil 126 und/oder Auslassventil 136 veranlasst, sich abwechselnd in Bezug auf den Einlassanschluss 124 und den Auslassanschluss 134 nach oben und unten zu bewegen. Eine einzelne Nockenwelle 140 kann sowohl das Einlassventil 126 als auch das Auslassventil 136 betätigen, wie in 1 veranschaulicht, oder zwei speziell dafür vorgesehene Nockenwellen, die parallel zueinander angeordnet sind, können getrennt den Einlassventilen und den Auslassventilen zugeordnet sein, wie in 2 veranschaulicht. Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 kann die Drehung der Nockenwelle 140 und somit die Zeitsteuerung der Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlass- und Auslassventile durch einen Nockenwellenaktuator 149 gesteuert werden. In einer Ausführungsform kann das Motorsystem in Übereinstimmung mit einem thermodynamischen Miller-Zyklus betrieben werden, in dem eines oder mehrere der Einlassventile 126 für eine Periode offen bleibt, nachdem der Kolben 110 sich aus der UT-Stellung weg bewegt, oder sich schließt, bevor der Kolben die UT-Stellung erreicht. Dies führt zu einem kleineren Volumen an Einlassluft in dem variablen Volumen 116 als vorhanden wäre, wenn das Einlassventil 126 sich während des Übergangs geschlossen hätte, wenn der Kolben 110 sich in der UT-Stellung zwischen den Einlass- und Verdichtungshüben befunden hätte. Wenn sich zum Beispiel das Einlassventil 126 spät schließt, wird ein Teil der Einlassluft, die in das variable Volumen gezogen wird, zurück aus dem noch immer geöffneten Einlassanschluss 124 ausgestoßen. Ein Effekt des Miller-Zyklus besteht darin, dass die tatsächliche Verdichtung, wenn Verdichtung als ein Druckanstieg in der Verbrennungskammer betrachtet wird, später als der Verdichtungshub erfolgt, sobald das Einlassventil 126 tatsächlich schließt. Der Verdichtungshub kann somit als durch den Miller-Zyklus verkürzt betrachtet werden. Mögliche Vorteile des Miller-Zyklus umfassen eine verbesserte Kraftstoffausnutzung, Emissionsreduktion, Änderung der Zeitsteuerung der spontanen Zündung, und Wirkungsgradverbesserungen für eine gegebene Motorlast.
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Um einen Miller-Zyklus zu ermöglichen, können die Nockenwelle 140 und die exzentrischen Nocken 142 so angeordnet werden, dass sie die Einlass- und Auslassventile 126, 136 in Übereinstimmung mit dem qualitativen Ventilzeitsteuerungsdiagramm betreiben, das in 6 veranschaulicht ist. Das Diagramm 300 ist eine schematische Darstellung verschiedener Ventilöffnungs- und -schließereignisse in Bezug auf die lineare Verschiebung des Kolbens und die Drehung der Kurbelwelle, die so dargestellt ist, dass sie sich im Uhrzeigersinn dreht, der durch den Pfeil R angezeigt wird. Dementsprechend ist die OT-Stellung des Kolbens oder eine Drehung der Kurbelwelle um 0 Grad am oberen Ende des Diagramms 300 dargestellt, und die UT-Stellung des Kolbens oder eine Drehung der Kurbelwelle um 180 Grad am unteren Ende des Diagramms. Das Diagramm 300 stellt den Einlasshub 302 dar, der in Verbindung mit einem offenen Zustand des Einlassventils geschieht, wie er von der OT-Stellung bis ungefähr 0 bis 45 Grad nach der UT-Stellung auftritt. Die Dauer des Einlasshubs 302 wird durch den Winkel α angezeigt. Der Verdichtungshub 304, der in Verbindung mit dem geschlossenen Zustand des Einlassventils erfolgt, erfolgt am Abschluss des Einlasshubs 302 bis ungefähr zur OT-Stellung. Danach kann ein Leistungshub 306 erfolgen, der in Verbindung mit einem geschlossenen Zustand des Auslassventils geschieht, wenn der Kolben aus der OT-Stellung in die UT-Stellung gedrängt wird, und ein darauffolgender Auslasshub 308, der in Verbindung mit dem offenen Zustand des Auslassventils erfolgt, kann aus der UT-Stellung in die OT-Stellung erfolgen.
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Um den Einlasshub 302 zu verlängern und den Verdichtungshub 304 zu verkürzen, kann das Einlassventil für den zusätzlichen Zeitabschnitt offen bleiben, nachdem der Kolben die UT-Stellung verlässt, was durch den schattierten Bereich 310 angezeigt wird. Während dieser Zeit wird ein Teil der Einlassluft aus dem Zylinder ausgestoßen, was den Beginn der Verdichtung verzögert, bis das Einlassventil schließt. Die Dauer dieser Zeit kann als Teil eines Verfahrens gesteuert werden, der als variable Ventilzeitsteuerung bezeichnet wird. Unter Bezugnahme auf 2 können die Anordnung der exzentrischen Nocken 142 entlang der Nockenwelle 140, die Drehzahl der Nockenwelle, und/oder die Stellung der Nockenwelle relativ zu den Ventilen selektiv eingestellt werden, um die Zeitsteuerung der Ventilöffnungen und -schließungen zu verändern. Ein Beispiel für die variable Ventilzeitsteuerung wird in der US-Patentanmeldung Nr. 12/952,033 dargestellt, welche in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin mit eingeschlossen ist. Wie bekannt existieren auch andere Verfahren zur Implementierung einer variablen Ventilzeitsteuerung, wie etwa zusätzliche Aktuatoren, die auf die Ventilschäfte wirken, und dergleichen.
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Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 kann das Motorsystem 100 einen Turbolader 150 umfassen, um das Leiten der Einlassluft zu und der Abgase von dem Verbrennungsmotor 102 zu unterstützen. Der Turbolader 150 umfasst einen in der Einlassleitung 128 angeordneten Kompressor 152, der über einen Luftfilter aus der Atmosphäre angesaugte Einlassluft komprimiert und die komprimierte Luft zu der Einlasssammelleitung 120 leitet. Obwohl ein einzelner Turbolader 150 dargestellt ist, können mehr als eine solcher Vorrichtungen in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden verwendet werden. Der Luftfilter 154 kann dazu dienen, Partikel, Feuchtigkeit und Verschmutzungen aus der von der Atmosphäre angesaugten Luft zu filtern. In einigen Ausführungsformen kann, um die Menge an Luft, die in das Motorsystem 100 eingezogen wird, zu steuern oder zu regeln, ein einstellbarer Regler oder eine einstellbare Einlass-Drosselklappe 155 in der Einlassleitung 128 zwischen dem Luftfilter 154 und dem Kompressor 152 angeordnet sein. Die Einlass-Drosselklappe 155 kann an ein bedienerbetätigtes Pedal 157 angelenkt oder durch dieses gesteuert sein, um die Motordrehzahl einzustellen, obwohl in anderen Ausführungsformen das Pedal die Motordrehzahl auch auf eine unterschiedliche Weise regeln kann. Da die Einlassluft während der Kompression erwärmt werden kann, kann ein Zwischenkühler 156 in der Einlassleitung 128 zwischen dem Kompressor 152 und der Einlasssammelleitung 120 angeordnet sein, um die komprimierte Luft zu kühlen. Um den Kompressor 152 mit Leistung zu versorgen, kann eine Turbine 158 in der Abgasleitung 138 angeordnet sein und unter Druck stehende Abgase erhalten, die von den Verbrennungskammern 106 über den Auspuffkrümmer bzw. die Auslasssammelleitung 130 ausgestoßen werden. Die unter Druck stehenden Abgase, die durch die Turbine 158 geleitet werden, können eine Reihe von Schaufeln darin antreiben, die drehbar mit einer Reihe von Schaufeln in dem Kompressor gekoppelt sind. Ein oder mehrere Abgasnachbehandlungseinrichtungen 159 wie etwa Dieselpartikelfilter, katalytische Wandler, Schalldämpfer etc., können in der Abgasleitung 138 stromabwärts der Turbine 158 angeordnet werden, um die Abgase weiter zu behandeln, bevor sie in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
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Um Emissionen zu verringern und eine angepasste Steuerung des Verbrennungsprozesses zu unterstützen, kann das Motorsystem 100 auch ein Abgasrückführungs- oder AGR-System umfassen, das betrieben wird, um Abgas von dem Abgassystem des Motors abzuziehen und es mit der Einlassluft zu mischen. Das AGR-System bildet ein Einlassluft/Abgas-Gemisch, das in die Verbrennungskammern eingeleitet wird, bevor oder während der Kraftstoff hinzugefügt wird. Zwei beispielhafte AGR-Systeme sind in 1 dem Motorsystem 100 zugeordnet dargestellt, doch sollte klar sein, dass diese Veranschaulichungen rein beispielhaft sind und entweder eines, beide oder keines der Systeme mit dem Motor verwendet werden könnte. Es wird in Betracht gezogen, dass die Auswahl eines AGR-Systems eines bestimmten Typs von den bestimmten Anforderungen jeder Motoranwendung abhängen kann.
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In der ersten Ausführungsform wird ein Hochdruck-AGR-System 160 betrieben, um Hochdruck-Abgase zu der Einlasssammelleitung 120 zu leiten, die mit den Einlasskanälen 122 kommuniziert. Das Hochdruck-AGR-System 160 umfasst eine Hochdruck-AGR-Leitung 162, die mit der Abgasleitung 138 stromabwärts der Auslasssammelleitung 130 und stromaufwärts der Turbine 158 kommuniziert, um die von den Verbrennungskammern 106 ausgestoßenen Hochdruck-Abgase zu empfangen. Das System wird somit als ein Hochdruck-AGR-System 160 bezeichnet, weil die empfangenen Abgase erst durch die Turbine 158 Druck abbauen müssen. Die Hochdruck-AGR-Leitung 162 steht auch in Fluidverbindung mit der Einlasssammelleitung 120. Um die Menge der Abgase zu steuern, die mit der Einlassluft kombiniert werden, kann das Hochdruck-AGR-System 160 ein einstellbares AGR-Ventil 164 umfassen, das entlang der Hochdruck-AGR-Leitung 162 angeordnet ist. Somit kann das Verhältnis von mit der Einlassluft gemischten Abgasen während des Betriebs durch Einstellung des einstellbaren AGR-Ventils 164 variiert werden. Da die Abgase eine ausreichend hohe Temperatur aufweisen können, die den Verbrennungsprozess beeinflussen kann, kann das Hochdruck-AGR-System auch einen AGR-Kühler 166 umfassen, der entlang der Hochdruck-AGR-Leitung 162 angeordnet ist, um die Abgase zu kühlen.
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In der zweiten Ausführungsform leitet ein Niederdruck-AGR-System 170 Niederdruck-Abgase zu der Einlassleitung 128, bevor diese die Einlasssammelleitung 120 erreicht. Das Niederdruck-AGR-System 170 umfasst eine Niederdruck-AGR-Leitung 172, die mit der Abgasleitung 138 stromabwärts der Turbine 158 kommuniziert, so dass sie Niederdruck-Abgase empfängt, die durch die Turbine Druck abgebaut haben. Das System wird somit als Niederdruck-AGR-System bezeichnet, da es unter Verwendung druckverminderter Abgase betrieben wird. Um die umgeleitete Abgasmenge zu steuern, kann die Niederdruck-AGR-Leitung 172 auch ein einstellbares AGR-Ventil 174 umfassen. Die Niederdruck-AGR-Leitung 172 kann mit der Einlassleitung 128 stromaufwärts des Zwischenkühlers 156 kommunizieren, so dass die Abgase gekühlt werden können, bevor sie in die Verbrennungskammern 106 eintreten.
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Um Kraftstoff mit zwei unterschiedlichen Reaktivitäten für den RCCI-Verbrennungsprozess bereitzustellen, kann das Motorsystem 100 mit einem ersten Kraftstoffsystem 180, das konfiguriert ist, um einen ersten Kraftstoff 182 mit einer ersten Reaktivität zu liefern, und einem zweiten Kraftstoffsystem 200 ausgestattet sein, das konfiguriert ist, um einen zweiten Kraftstoff 202 mit einer zweiten Reaktivität zu liefern. In einer Ausführungsform kann der erste Kraftstoff 182 eine geringere Reaktivität aufweisen als der zweite Kraftstoff 202; zum Beispiel kann der erste Kraftstoff Benzin und der zweite Kraftstoff Diesel sein. Reaktivität bezeichnet allgemein die Bereitschaft des Kraftstoffs, bei Kompressionszündung zu verbrennen, wobei Kraftstoffe mit höherer Reaktivität typischerweise rascher zünden als Kraftstoffe mit geringerer Reaktivität. Die Reaktivität kann mit der Cetanzahl des Kraftstoffs in Beziehung stehen, die ein Maß der Geschwindigkeit ist, mit der ein Kraftstoff unter Kompression die Selbstzündung beginnt. Gewöhnliche Dieselkraftstoffe können eine Cetanzahl von etwa 40 bis etwa 55 aufweisen, während gewöhnliches Benzin eine Research-Oktanzahl von 90–100 RON aufweisen kann, wobei die Oktaneinstufung bzw. Oktanzahl als das Gegenteil der Cetanzahl angesehen werden kann, als der Widerstand eines Kraftstoffes gegen die Selbstzündung. Der praktische Effekt ist, dass Benzin typischerweise weniger reaktiv ist als Diesel. Die Nennzahlen können in Abhängigkeit von Additiven, der Aufbereitung etc. variieren.
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Die ersten und zweiten Kraftstoffe 182, 202 können getrennt gespeichert und an den Verbrennungsmotor 102 zugeführt werden. Um den ersten Kraftstoff 182, zum Beispiel Benzin, zu speichern, kann das erste Kraftstoffsystem 180 einen ersten Kraftstofftank oder ein erstes Reservoir 184 umfassen, der/das periodisch nachgefüllt werden kann. Um den ersten Kraftstoff 182 zu dem Verbrennungsmotor 102 zu leiten, kann das erste Kraftstoffsystem 180 eine erste Kraftstoffleitung 186 umfassen, die in Fluidverbindung mit einer Vielzahl von elektrisch betätigten ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188 steht, die jeder Verbrennungskammer 106 zugeordnet sind. Um den ersten Kraftstoff 182 unter Druck zu setzen und ihn zu zwingen, durch die erste Kraftstoffleitung 186 zu strömen, kann eine erste Kraftstoffpumpe 190 in der ersten Kraftstoffleitung zwischen dem ersten Kraftstoffreservoir 184 und den ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188 angeordnet sein. Ebenfalls in der ersten Kraftstoffleitung 186 angeordnet sein kann ein erster Filter oder ein erstes Aufbereitungsmodul 192 zum Filtern oder Aufbereiten des ersten Kraftstoffs 182. In ähnlicher Weise kann das zweite Kraftstoffsystem 200 ein zweites Kraftstoffreservoir 204 zur Speicherung des zweiten Kraftstoffs 202 umfassen. Das zweite Kraftstoffreservoir 204 kann mit einer Vielzahl von zweiten elektrisch betätigten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 208 kommunizieren, die den Verbrennungskammern 106 zugeordnet sind, und zwar über eine zweite Kraftstoffleitung 206, die durch das Motorsystem 100 angeordnet ist. Die zweite Kraftstoffleitung 206 kann auch eine zweite Kraftstoffpumpe 210, um den zweiten Kraftstoff unter Druck zu setzen, und ein zweites Kraftstoffmodul 212 zum Filtern oder Aufbereiten des zweiten Kraftstoffs umfassen. In der veranschaulichten Ausführungsform können die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188, 208 speziell dazu vorgesehen sein, um Kraftstoffe mit unterschiedlichen Reaktivitäten einzuleiten. In anderen Ausführungsformen kann jedoch eine einzelne, gemeinsame Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingesetzt werden, um Kraftstoffe mit unterschiedlichen Reaktivitäten einzuleiten. Zusätzlich können die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188, 208 direkt Zugang zu der Verbrennungskammer 106 über oder durch die Seite des Zylinders haben, um Kraftstoff direkt einzuspritzen, oder sie können indirekten Einspritzelementen zugeordnet sein, wie etwa Voreinspritzkammern, um den Kraftstoff indirekt einzuleiten. In anderen Ausführungsformen können andere Einleitungsverfahren als eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wie etwa ein Vergaser oder dergleichen eingesetzt werden.
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Zusätzlich zu oder anstelle der hierin beschriebenen Dual-Kraftstoffanordnung kann das Motorsystem 100 konfiguriert sein, um unter Verwendung eines einzelnen Kraftstoffs von einer einzelnen Kraftstoffquelle betrieben zu werden, deren Reaktivität modifiziert ist. Die Kraftstoffreaktivität kann durch Additive wie etwa Cetanverbesserer oder dergleichen modifiziert sein, die mit einem Teil des ersten Kraftstoffs gemischt werden können, um einen zweiten Kraftstoff mit einer zweiten, höheren Reaktivität zu schaffen. Zusätzlich kann die Reaktivität des ersten Kraftstoffs durch katalytische Wandler, Trennung durch permeable Membranen, Kraftstoffreaktoren und dergleichen modifiziert werden.
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Um die verschiedenen, dem Motorsystem 100 zugeordneten Systeme und Komponenten zu koordinieren und zu steuern, kann das System ein(e) elektronische(s) oder rechnergestützte(s) Steuereinheit, Modul oder Steuergerät 220 umfassen. Das Steuergerät 220 ist geeignet, um verschiedene Betriebsparameter zu überwachen und in Ansprechen darauf verschiedene Variablen zu regeln, die den Motorbetrieb beeinflussen. Das Steuergerät 220 kann einen Mikroprozessor, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), oder eine andere geeignete Schaltung umfassen und kann einen Speicher oder andere Datenspeicherfähigkeiten aufweisen. Das Steuergerät kann Funktionen, Schritte, Routinen, Datentabellen, Datenkarten, Datendiagramme und dergleichen umfassen, die in einem Nur-Lese-Speicher gespeichert und ausführbar sind, um das Motorsystem zu steuern. Obwohl in 1 das Steuergerät 220 als eine einzelne, diskrete Einheit veranschaulicht ist, können in anderen Ausführungsformen das Steuergerät und seine Funktionen auf eine Vielzahl von unterschiedlichen und getrennten Komponenten aufgeteilt sein. Um Betriebsparameter zu empfangen und Steuerbefehle oder -anweisungen zu senden, kann das Steuergerät operativ verschiedenen Sensoren und Steuerungen an dem Motorsystem 100 zugeordnet sein und mit ihnen kommunizieren. Die Kommunikation zwischen dem Steuergerät und den Sensoren kann durch Senden und Empfangen digitaler oder analoger Signale über elektronische Kommunikationsleitungen oder Kommunikationsbusse hergestellt werden. Die verschiedenen Kommunikations- und Befehlskanäle sind zum Zweck der Veranschaulichung in unterbrochenen Linien angezeigt.
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Zum Beispiel kann das Steuergerät 220, um den Druck und/oder die Temperatur in den Verbrennungskammern 106 zu überwachen, mit Kammersensoren 222 wie etwa einem Messwandler oder dergleichen kommunizieren, wobei einer davon jedem Zylinder 108 in dem Motorblock 104 zugeordnet sein kann. Die Kammersensoren 222 können die Bedingungen der Verbrennungskammer direkt oder indirekt überwachen. Zum Beispiel können die Kammersensoren 222 und das Steuergerät 220 den Druck in dem Zylinder 108 indirekt messen, indem sie während der Verbrennung den Rückdruck messen, der gegen die Einlass- oder Auslassventile ausgeübt wird, oder andere Komponenten, die direkt oder indirekt mit dem Verbrennungszylinder kommunizieren, wie etwa Glühkerzen. Das Steuergerät kann auch mit einem Einlasssammelleitungssensor 224 kommunizieren, der in der Einlasssammelleitung 120 angeordnet ist und die Bedingungen darin erfassen oder messen kann. Um die Bedingungen wie etwa Druck und/oder Temperatur in der Auslasssammelleitung 130 zu messen, kann das Steuergerät 220 in ähnlicher Weise mit einem Auslasssammelleitungssensor 226 kommunizieren, der in der Auslasssammelleitung 130 angeordnet ist. Das Steuergerät 220 kann in der Lage sein, die Temperatur, bei welcher die Verbrennung in den Verbrennungskammern 106 erfolgt, aus der Temperatur der Abgase in der Auslasssammelleitung 130 zu erschließen. Um die Qualität, Menge und/oder Temperatur der Einlassluft zu messen, kann das Steuergerät 220 auch mit einem Einlassluftsensor 228 kommunizieren, der dem Einlassluftfilter 154 oder einer anderen Komponente des Einlasssystems, wie etwa der Einlasssammelleitung zugeordnet ist. Der Einlassluftsensor 228 kann auch den barometrischen Druck oder andere Umweltbedingungen bestimmen oder erfassen, unter welchen das Motorsystem arbeitet.
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Um die erste Reaktivität des ersten Kraftstoffs 182 zu bestimmen, kann das Steuergerät 220 mit einem ersten Reservoirsensor 230 kommunizieren, der in dem ersten Kraftstoffreservoir 184. angeordnet oder diesem zugeordnet ist, und der beispielsweise die Cetanzahl des ersten Kraftstoffs erfassen kann. In ähnlicher Weise kann das Steuergerät 220 mit einem zweiten Reservoirsensor 232 kommunizieren, der dem zweiten Kraftstoffreservoir 204 zugeordnet ist, um die zweite Reaktivität des zweiten Kraftstoffs 202 zu bestimmen. Zusätzlich kann das Steuergerät 220 die relative Reaktivität oder Differenz zwischen dem ersten und zweiten Kraftstoff 162, 182 durch Subtraktion bestimmen.
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Um den Verbrennungsprozess weiter zu steuern, kann das Steuergerät 220 mit Einspritzvorrichtungssteuerungen 240 kommunizieren, die operativ einer jeden der ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188 und der zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 208 zugeordnet sind. Die Einspritzvorrichtungssteuerungen 240 können selektiv die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188, 208 aktivieren oder deaktivieren, um die Zeitsteuerung der Einleitung und die Menge an von jeder Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingeleitetem Kraftstoff zu bestimmen. Zusätzlich können die Einspritzvorrichtungssteuerungen 240 die relativen oder entsprechenden Mengen der ersten und zweiten Kraftstoffe 182, 202 bestimmen und somit die tatsächliche quantitative Differenz in der Reaktivität in den Verbrennungskammern 106 steuern. Um weiter die Zeitsteuerung des Verbrennungsvorgangs zu steuern, kann das Steuergerät 220 auch mit einer Nockenwellensteuerung 242 kommunizieren, die operativ der Nockenwelle 140 zugeordnet ist. Durch das Management der Drehzahl und Drehung der Nockenwelle 140 kann das Steuergerät 220 steuern, welche Ventile geöffnet sind und für wie lange, wodurch die Menge an Einlassluft in und Abgasen aus den Verbrennungskammern 106 gesteuert wird. Zusätzlich kann die Nockenwellensteuerung 242 die variable Ventilzeitsteuerung steuern, die oben in Verbindung mit dem Miller-Zyklus besprochen wurde. Die Nockenwellensteuerung 242 kann auch die Motordrehzahl zum Beispiel durch Messen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Nockenwelle 140 bestimmen, die die Drehzahl der Kurbelwelle und die Verschiebung der Kolben in der Verbrennungskammer 106 darstellt. In jenen Ausführungsformen, die eine Einlassdrosselklappe 155 aufweisen, kann das Steuergerät 220 mit einer der Drosselklappe zugeordneten Drosselklappensteuerung 244 kommunizieren, die die in das Motorsystem 100 gesaugte Luftmenge steuern kann. Um die Betätigung des Pedals 157 zu messen, kann das Steuergerät auch mit einem Pedalsensor 246 kommunizieren. Das Steuergerät 220 kann operativ auch entweder dem Hochdruck-AGR-System 160 oder dem Niederdruck-AGR-System 170 oder beiden zugeordnet sein. Zum Beispiel ist das Steuergerät 220 kommunikativ mit einer Hochdruck-AGR-Steuerung 250 verbunden, die dem in der Hochdruck-AGR-Leitung 162 angeordneten einstellbaren AGR-Ventil 164 zugeordnet ist. In ähnlicher Weise kann das Steuergerät 220 kommunikativ mit einer Niederdruck-AGR-Steuerung 252 verbunden sein, die dem in der Niederdruck-AGR-Leitung 172 angeordneten einstellbaren AGR-Ventil 174 zugeordnet ist. Das Steuergerät 220 kann dadurch die Menge der Abgase und das Verhältnis von Einlassluft zu Abgasen einstellen, die in den Verbrennungsprozess durch Aktivieren der Drosselklappensteuerung, der Hochdruck-AGR-Steuerung 250 und/oder der Niederdruck-AGR-Steuerung 252 eingeleitet werden.
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Das Steuergerät 250 kann eine Programmierung oder Anweisungen zum Betreiben des Motorsystems 100 unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen umfassen, indem es selektiv die zwei Kraftstoffquellen einsetzt, mit denen das Motorsystem ausgestattet ist. Zum Beispiel kann das Motorsystem 100 unter normalen Betriebsbedingungen, wenn der Motor auf Drehzahl und normaler Betriebstemperatur ist, beide Kraftstoffe 182, 202 während des Verbrennungsprozesses verbrennen, kann jedoch auf das Verbrennen hauptsächlich eines Kraftstoffs umschalten, wenn die Betriebsdrehzahlen und -temperaturen irregulär bzw. unregelmäßig sind, wie etwa beim Anlaufen oder im Leerlauf. Das Steuergerät kann dadurch den Verbrennungsprozess in Abhängigkeit von den vorherrschenden Betriebsbedingungen verändern. Unter Bezugnahme auf die 2–5 wird nun eine beispielhafte Reihe von Ereignissen oder Stufen für den Motor zur Verbrennung von Kraftstoffen mit zwei unterschiedlichen Reaktivitäten in beispielsweise einem RCCI-Verfahren unter normalen Betriebsbedingungen veranschaulicht. Beginnend mit 2 wird während des Einlasshubs, wenn der Kolben 110 sich aus der OT-Stellung zu der UT-Stellung bewegt, das Einlassventil 126 geöffnet, so dass Einlassluft in das sich ausdehnende variable Volumen 116 durch den Einlassanschluss 124 eintreten kann. Zusätzlich wird eine anfängliche Kraftstoffladung mit niedrigerer Reaktivität in das variable Volumen 116 eingeleitet. Dies kann erreicht werden, indem eine Wolke bzw. Schwade 300 des ersten Kraftstoffs, z. B. Benzin, durch die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 168 eingespritzt wird. Dies kann während des Einlasshubs geschehen oder kurz nachdem der Kolben 110 die UT-Stellung erreicht hat, so dass die erste Schwade 300 Zeit hat, sich homogen mit dem Einlassluft/Abgas-Gemisch zu vermischen und gleichmäßig in dem variablen Volumen 116 dispergiert bzw. verteilt zu werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der erste Kraftstoff mit der Einlassluft vermischt werden, während die Einlassluft in den Einlassanschluss eintritt.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein Luft/Kraftstoff-Gemisch 302 aus der Einlassluft und dem ersten Kraftstoff während des frühen Verdichtungshubs verdichtet, wenn der Kolben 110 sich aus der UT-Stellung zu der OT-Stellung proximal bzw. nahe der Flammdeckoberfläche 112 zu bewegen beginnt. Während der Verdichtung beginnen der Druck und die Temperatur in der Verbrennungskammer zu steigen. Zu diesem Zeitpunkt kann der zweite Kraftstoff, der eine höhere Reaktivität aufweisen kann, wie beispielsweise Diesel, durch Einspritzung durch die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 188 in das variable Volumen eingeleitet werden. Die zweite Kraftstoffschwade 310 kann zu einem beliebigen Zeitpunkt zwischen der UT-Stellung des Kolbens 110 (180 Grad der Kurbelwellendrehung vor dem OT) und 10 Grad vor der OT-Stellung (0-Grad-Position) eingespritzt werden. Das Steuergerät kann die Zeitsteuerung der zweiten Einleitung während des Verdichtungshubs unter Verwendung der Steuerungen der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bestimmen.
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Unter Bezugnahme auf 4 kann der zweite Kraftstoff, wenn die Zeitsteuerung der Einleitung der zweiten Kraftstoffschwade ausreichend früh während des Verdichtungshubs erfolgt, erste Bereiche 312 mit höherer Reaktivität innerhalb des Gemischs 302 bilden, die dann zu dem äußeren Randgebiet des variablen Volumens 116 wandern oder fortschreiten können. Weist der Kolben 110 eine Schale 111 mit einem zugeordneten, nach oben gerichteten äußeren Rand auf, können die ersten Bereiche 312 verdichtet oder zwischen dem Kolben und der Flammdeckoberfläche 112 an dem äußeren Randgebiet des variablen Volumens 116 komprimiert oder ”eingequetscht” werden. In dieser Stufe kann eine weitere Einleitung von Kraftstoff mit höherer Reaktivität erreicht werden, indem eine dritte Schwade 320 in das variable Volumen 116 eingespritzt wird. Die dritte Schwade 320 kann den zweiten Kraftstoff mit höherer Reaktivität, wie beispielsweise Diesel umfassen, oder in anderen Ausführungsformen kann er von einer unterschiedlichen bzw. anderen Quelle mit einer anderen Reaktivität als der erste oder zweite Kraftstoff erhalten werden. Die dritte Schwade 320 könnte innerhalb des variablen Volumens 116 relativ mehr mittig angeordnet sein und könnte allgemein zu der Schale 111 des Kolbens 110 hin gerichtet sein.
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Zu dem Zeitpunkt, an dem der Kolben 110 die in 5 gezeigte OT-Stellung erreicht, kann der durch die dritten Schwaden eingeleitete Kraftstoff mit höherer Reaktivität zweite Bereiche 322 gebildet haben, die zwischen dem äußeren Randgebiet und der Mitte des variablen Volumens 116 angeordnet sind und die proximal innerhalb der Schale 111 des Kolbens 110 angeordnet sein können. Zusätzlich kann es einen dritten Bereich 324 mit Kraftstoff höherer Reaktivität geben, der allgemein in der Mitte des variablen Volumens 116 gebildet sein kann und aus dem diffusen bzw. verteilten Kraftstoff resultiert, der nach dem dritten Einspritzereignis proximal der zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtung 188 verbleibt. Die ersten Bereiche 312 können an dem äußeren Randgebiet zwischen dem Kolben 110 und der Flammdeckoberfläche 112 eingequetscht angeordnet bleiben, können jedoch mit der Zeit diffundiert sein, so dass sie eine dazwischenliegende Reaktivität im Vergleich zu dem Gemisch 302 und den zweiten und dritten Bereichen 322, 324 aufweisen.
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Somit umfasst das variable Volumen am OT unmittelbar vor der Verbrennung eine Vielzahl von Bereichen mit unterschiedlichen Reaktivitäten, die relativ zueinander geschichtet sind. Diese Bereiche umfassen: (1) das Gemisch 302 mit relativ niedriger Reaktivität, das allgemein innerhalb des variablen Volumens 116 dispergiert ist; (2) die ersten Bereiche 312 mit mittlerer Reaktivität an dem äußeren Randgebiet; und (3) die zweiten und dritten Bereiche 322, 324 mit höherer Reaktivität, die allgemein zentral angeordnet sind. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Kolben 110 den OT erreicht, kann die Verdichtung des variablen Volumens 116 und der damit verbundene Druck- und Temperaturanstieg einen Punkt erreichen, an dem der Inhalt des variablen Volumens sich spontan entzündet. Die Verbrennung kann in den zweiten und dritten Bereichen 322, 324 mit höherer Reaktivität beginnen oder ausgelöst werden und sich bis zu den ersten Bereichen 312 mit mittlerer Reaktivität ausbreiten, und dann durch das Gemisch 302, das innerhalb des variablen Volumens 116 dispergiert ist. Die Differenz in der Reaktivität und die relative Anordnung der Bereiche mit unterschiedlicher Reaktivität bestimmt den Zeitpunkt, an dem die Bereiche mit höherer Reaktivität sich selbst entzünden, und/oder die Verbrennungsrate oder die Geschwindigkeit, mit der die Flamme sich durch das variable Volumen ausbreitet, und bestimmt dadurch die Verbrennungseffizienz, die Flammenspitzentemperatur und die Emissionen.
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Irreguläre Betriebsbedingungen des Motors können jedoch diese Resultate oder Ergebnisse beeinflussen, etwa bei einem Kaltstart, wenn die Motortemperatur unter der normalen liegt, oder im Leerlauf, wenn der Motor ohne Last läuft, so dass seine Temperatur und/oder Drehzahl abfallen kann. Insbesondere können die geschichteten Bereiche sich auf Grund der irregulären Temperaturen oder Motordrehzahlen nicht richtig bilden, und die spontane Zündung der Bereiche kann unvorhersehbar werden. Dies kann wiederum die Verbrennungsrate, die Kraftstoffeffizienz, die Leistungsausgabe und die Emissionen beeinflussen. Dementsprechend kann das Steuergerät umschalten, um den Motor unter Verwendung hauptsächlich eines einzelnen Kraftstoffs zu betreiben. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann das Steuergerät 220 Betriebsparameter, wie etwa Zylinderdruck, Motorkühlmittel- oder -öltmperatur, Abgastemperatur oder Motordrehzahl, unter Verwendung der Kammersensoren 222, des Auslasssammelleitungssensors 226 oder der Nockenwellensteuerung 242 messen oder erfassen, um zu bestimmen, ob das Motorsystem 100 unter Bedingungen mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl arbeitet, sodass die Verbrennung eines einzelnen Kraftstoffs angebracht ist. Niedrige Werte für diese Parameter können darauf hindeuten, dass der Motor 102 gerade anläuft oder im Leerlauf arbeitet. In einer weiteren Ausführungsform könnte das Steuergerät 220 zum Beispiel den Pedalsensor 246 auslesen, um zu bestimmen, ob das Pedal 157 gedrückt wurde, und/oder andere Parameter überwachen, um die Motordrehzahl und -ladung zu bestimmen, um daraus zu schließen, dass der Motor an einem Punkt im niedrigen Leerlauf arbeitet. Wie der Fachmann erkennen wird, könnten die Bedingungen mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl unter Verwendung anderer Sensoren auf eine direktere Art und Weise erfasst werden. Steigen die Betriebsbedingungen des Motorsystems 100 auf Temperaturen und Drehzahlen, die besser für die Verbrennung von Kraftstoffen mit unterschiedlichen Reaktivitäten geeignet sind, d. h. auf einen Zustand mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl oder HTS-Zustand, kann das Steuergerät umschalten, um die ersten und zweiten Kraftstoffe während desselben Verbrennungszyklus einzuleiten, um die geschichteten Bereiche in der Verbrennungskammer zu erzeugen.
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Wenn das Steuergerät bestimmt, dass ein Zustand mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl auftritt, kann das Steuergerät 220 entweder den ersten Kraftstoff 182 mit der ersten Reaktivität oder den zweiten Kraftstoff 202 mit einer zweiten Reaktivität zur Verbrennung auswählen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das Steuergerät 220 nur den zweiten Kraftstoff 202, der Diesel mit der höheren Reaktivität sein kann, in die Verbrennungskammer 106 einleiten und den Betrieb des ersten Kraftstoffsystems 180 abschalten. Um den ersten Kraftstoff 182 von dem ersten Kraftstoffsystem 180 auszuschließen, kann der Betrieb der ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 188 oder der ersten Kraftstoffpumpe 190 angehalten werden. Der zweite Kraftstoff 202 kann in die Verbrennungskammer 106 durch die immer noch aktiven zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 208 in einer oder mehreren Einspritzungen eingeleitet werden, könnte jedoch in Abwesenheit des ersten Kraftstoffs 182 nicht die geschichteten Bereiche in dem variablen Volumen 116 bilden. Der zweite Kraftstoff 202 könnte vor der Zündung gleichmäßig innerhalb der Verbrennungskammer 106 dispergiert werden, was noch immer spontan erfolgen kann, wenn sich der Kolben 110 während des Verdichtungshubs in die OT-Stellung bewegt. Das Motorsystem läuft somit als ein Dieselmotor, der in jedem zugeordneten Verbrennungszyklus ausschließlich Dieselkraftstoff verbrennt.
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In einer weiteren Ausführungsform könnte das Steuergerät 220 arbeiten, indem es hauptsächlich den ersten Kraftstoff 182 mit niedrigerer Reaktivität verwendet, der Benzin sein kann, bis zur effektiven Ausschließung des zweiten Kraftstoffs 202 mit höherer Reaktivität. Jedoch könnte ein kleiner Bruchteil des zweiten Kraftstoffs 202, anstatt das zweite Kraftstoffsystem 200 in einer solchen Ausführungsform vollständig abzustellen, weiter als Pilotdosis oder Piloteinspritzung in die Verbrennungskammer 106 eingeleitet werden. Dies deshalb, da der erste Kraftstoff 182 mit niedrigerer Reaktivität sich während des Verdichtungshubs in vollständiger Abwesenheit des zweiten Kraftstoffs 202 mit höherer Reaktivität nicht spontan entzünden könnte. Das volumetrische Verhältnis der primären ersten Kraftstoffladung zur Pilotladung kann noch immer groß sein, beispielsweise 20:1. Eine solche Ausführungsform würde im Wesentlichen als Benzinmotor arbeiten, der hauptsächlich Benzin verbrennt.
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Die Auswahl zwischen dem Betrieb des Motorsystems mit entweder dem zweiten Kraftstoff mit höherer Reaktivität, wie etwa Diesel, oder dem ersten Kraftstoff mit niedrigerer Reaktivität, wie etwa Benzin, kann zum Teil auf den bestimmten Kriterien basieren, die der Motor zu erreichen versucht, wie etwa Leistungsabgabe oder Emissionsüberlegungen. Zum Beispiel verbessert das Verbrennen von hauptsächlich Diesel mit höherer Reaktivität typischerweise die Kraftstoffeffizienz relativ zu benzinbasierten Motorsystemen. Zusätzlich erzeugen Dieselmotoren typischerweise mehr Leistung oder Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen, was vorteilhaft sein kann, wenn der Motor nach einem Kaltstart oder einem Leerlaufzustand arbeitet. Der reaktivere Diesel kann sich unter ungewöhnlich kalten Anlaufbedingungen auch einfacher spontan entzünden, und die Verbrennung von Diesel kann zu verringerten Kohlenmonoxid-Emissionen führen. Umgekehrt kann die Verbrennung von hauptsächlich Benzin mehr Hitze in der Form von Abgas oder Erwärmung der Motorteile abgeben, so dass die Motorbetriebstemperatur schneller auf einen Punkt steigen kann, an dem auf den Dual-Kraftstoff-Verbrennungsprozess umgestellt werden kann. Zusätzlich führt das Verbrennen von Benzin typischerweise zu weniger Rußbildung als die Dieselverbrennung und kann weniger andere Emissionen wie etwa Stickoxide erzeugen.
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Ein weiterer Unterschied zwischen der Verbrennung von Diesel und Benzin schließt das Einstellen der Leistungsabgabe ein, die bei einem Dieselmotor hauptsächlich eine Funktion der in die Verbrennungskammer eingeleiteten Kraftstoffmenge ist, und bei einem Benzinmotor eine Funktion der eingeleiteten Einlassluftmenge. Daher wird bei Dieselmotoren die Leistungseinstellung hauptsächlich durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen gesteuert, während sie in Benzinmotoren hauptsächlich durch die Einlassdrosselklappe gesteuert wird.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung findet Anwendung auf Verbrennungsmotoren, und insbesondere auf Kompressionszündungsmotoren, die zwischen dem Betrieb mit einem einzelnen Kraftstoff und zwei Kraftstoffen mit unterschiedlichen Reaktivitäten umschalten. Unter Bezugnahme auf 7 wird ein Flussdiagramm eines internen Steuerungsverfahrens 400 veranschaulicht, das von einem elektronischen Steuergerät ausgeführt und mit einem Motorsystem verwendet werden kann, das mit zwei Kraftstoffquellen mit ersten und zweiten Kraftstoffen mit unterschiedlichen Reaktivitäten konfiguriert ist. Nachdem Initialisieren in einem Startschritt 402 kann das Verfahren 400 in einem Messschritt 404 einen Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie etwa Motortemperatur, Abgastemperatur oder Motordrehzahl messen. Bekanntermaßen hängen Motortemperatur und Motordrehzahl und -last insofern zusammen, als im Allgemeinen umso mehr Hitze von dem Motorzylinder abgegeben wird, je schneller ein Motor läuft und je größer die Motorleistung ist, und somit herrscht in dem Motorzylinder im Betrieb eine höhere Temperatur. Diese Parameter spiegeln einen Betriebszustand des Motorsystems wider, wie etwa ob das Motorsystem von einem Kaltstartzustand anläuft oder ob der Motor in einem Leerlaufzustand ist.
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In einem darauf folgenden Entscheidungsschritt 410 kann das Steuerungsverfahren 400 den gemessenen Parameter bewerten, um zu entscheiden, ob ein Zustand mit niedriger Temperatur und niedriger Drehzahl oder LTS-Zustand oder ein Zustand mit hoher Temperatur und hoher Drehzahl oder HTS-Zustand vorherrscht. Befindet sich das Motorsystem zum Beispiel in einem Anlauf- oder Leerlaufzustand, kann die niedrige Temperatur des Luft/Kraftstoff-Gemischs in den Motorzylindern vor der Verbrennung den Dual-Reaktivitätsbetriebsmodus und die Bildung oder Verbrennung von geschichteten Bereichen mit unterschiedlicher Reaktivität erschweren. Umgekehrt kann der Dual-Reaktivitätsverbrennungsprozess angebracht sein, wenn die Zylindertemperaturen ausreichend hoch sind, was darauf hindeutet, dass das Motorsystem unter normalen Bedingungen, Lasten und/oder Drehzahlen arbeitet. Um die Durchführung des Entscheidungsschritts 410 zu unterstützen, können Daten 412 in Bezug auf eine vorbestimmte Schwellentemperatur oder -drehzahl in das Steuerungsverfahren 400 eingegeben werden. Die Daten 412 können theoretisch oder empirisch bestimmt und in einem dem Steuergerät zugeordneten Speicher gespeichert sein. Das Steuergerät kann auch auf Datentabellen und -karten zugreifen, die bekannte Korrelationen zwischen Betriebsparametern und Motorzuständen widerspiegeln, und das Steuergerät kann auf diese Tabellen und Daten bauen, um den Entscheidungsschritt 412 durchzuführen.
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Wird in einem Bestimmungsschritt 420 bestimmt, dass das Motorsystem in einem LTS-Zustand ist, kann das Steuergerät einen ersten Anweisungsschritt 422 ausführen, um das Motorsystem anzuweisen, unter Verwendung hauptsächlich eines einzelnen Kraftstoffs zu arbeiten. Zum Beispiel kann das Motorsystem mit einem zweiten Kraftstoff mit einer höheren Reaktivität wie etwa Diesel laufen, der als Teil des Dual-Reaktivitätssystems inkludiert ist, um die Eigenschaften eines Diesel-Verbrennungsprozesses bereitzustellen. Alternativ kann das Motorsystem hauptsächlich mit einem ersten Kraftstoff mit niedrigerer Reaktivität wie Benzin laufen, und zwar unter Verwendung einer Pilotladung Diesel zur spontanen Zündung, um die Eigenschaften des Benzin-Verbrennungsprozesses bereitzustellen. Wird stattdessen in einem Bestimmungsschritt 430 bestimmt, dass das Motorsystem in einem HTS-Zustand ist, kann das Steuergerät in einem zweiten Anweisungsschritt 432 Anweisungen ausgeben, um den Motor in einem Dual-Kraftstoffmodus unter Verwendung sowohl des ersten Kraftstoffs mit niedriger Reaktivität als auch des zweiten Kraftstoffs mit hoher Reaktivität zu betreiben, um geschichtete Bereiche mit unterschiedlicher Reaktivität erzeugen und zu verbrennen.
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Das Steuerungsverfahren 400 kann als nächstes in einem Miller-Schritt 440 bestimmen, ob wie oben beschrieben ein optionaler Miller-Zyklus ausgeführt werden soll. Arbeitet das Motorsystem zum Beispiel in dem Einzelkraftstoffmodus, insbesondere unter hauptsächlicher Verwendung von Benzin, kann das Durchführen eines Miller-Zyklus dabei helfen, das Motorsystem niedriger zu drosseln oder die Drehzahl zu steuern und die Leistung zu verringern, indem ein Anteil der Einlassluft vor der Verbrennung aus dem Zylinder ausgestoßen wird. Der Miller-Zyklus kann auch im Dualkraftstoffmodus ausgeführt werden, um zusätzliche Vorteile zu erzeugen. Das Verfahren 400 kann eine Rückkehr zum Startschritt 442 ausführen, um sich zu wiederholen. Durch kontinuierliche Durchführung des Verfahrens 400, insbesondere des Entscheidungsschritts 410, kann das Verfahren zwischen Einzelkraftstoff- und Dualkraftstoff-Betriebsmodi umschalten, wenn sich die Betriebsbedingungen des Motorsystems ändern.
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Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik liefert. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorstehenden Beispielen abweichen können. Jegliche Bezugnahme auf die Offenbarung oder Beispiele davon soll sich auf das spezielle an diesem Punkt besprochene Beispiel beziehen, und diese Bezugnahmen sind nicht dafür vorgesehen, irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen mit sich zu bringen. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung für diese Merkmale angeben, jedoch diese nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts anderes angegeben ist.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in jedweder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
