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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Motorsysteme und insbesondere Motorsysteme, die gasförmige Kraftstoffe verwenden.
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Hintergrund
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Die Verwendung von verflüssigtem Gas als eine Kraftstoffquelle für verschiedene Anwendungen ist in den letzten Jahren zunehmend populär geworden, und zwar auf Grund der niedrigeren Kosten und der saubereren Verbrennung gasförmiger Kraftstoffe, wie etwa Flüssigpropangas (LPG), komprimiertes Erdgas (CNG) oder Flüssigerdgas (LNG), im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen wie etwa Benzin oder Diesel. In praktischen Anwendungen, wie zum Beispiel Bergbaulastwagen, Lokomotiven, Straßenlastwagen und dergleichen, kann der Motor hauptsächlich mit Erdgas betrieben werden, das einen Kraftstoff darstellt, der eine Zündung erfordert. Die Zündung kann durch einen Funken oder durch Einleitung eines Kompressionszündungskraftstoffs wie etwa Diesel in Pilotmengen innerhalb der Motorzylinder bereitgestellt werden.
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Typische Kompressionszündungsmotoren wie etwa Dieselmotoren arbeiten unter relativ hohen Verdichtungsverhältnissen, zum Beispiel in dem Bereich von 16:1 bis 17:1, die für die Dieselselbstzündung innerhalb der Motorzylinder während des Motorbetriebs erforderlich sind. Funkenzündungsmotoren, wie etwa Motoren, die unter einem Ottozyklus arbeiten, verwenden eine Zünd- oder Glühkerze, um das Luft-/Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Motorzylinder zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zu zünden. Bei Funkenzündungsmotoren ist eine Selbstzündung des Luft-/Kraftstoff-Gemischs unerwünscht und typischerweise nachteilig für den normalen Motorbetrieb. Funkenzündungsmotoren verwenden typischerweise niedrigere Verdichtungsverhältnisse als Kompressionszündungsmotoren. Zum Beispiel können Erdgasmotoren ein Verdichtungsverhältnis von etwa 11:1 bis 12:1 aufweisen.
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Wie man nachvollziehen kann, unterliegen Dualkraftstoffmotoren mit Kompressionszündung, die eine Pilot-Dieseleinspritzung zur Zündung eines Erdgas-/Luft-Gemischs verwenden, miteinander in Konflikt stehenden Konstruktionsparametern, da einerseits ein hohes Verdichtungsverhältnis erforderlich ist, um die Pilot-Dieseleinspritzung zu zünden, andererseits aber das hohe Verdichtungsverhältnis dazu führen kann, dass sich das Erdgas verfrüht selbst entzündet. Werden niedrige Verdichtungsverhältnisse verwendet, um eine Selbstzündung des Erdgas-/Luft-Gemischs zu verhindern, können unzureichende Zylindertemperaturen und -drücke zu inakzeptablen Schwankungen in der Dieselzündung führen, was den normalen Motorbetrieb insbesondere dann beeinträchtigen kann, wenn magere Luft-/Kraftstoff-Verhältnisse verwendet werden.
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Zusammenfassung
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Die Offenbarung beschreibt in einem Aspekt ein Dualkraftstoff-Motorsystem. In einer Ausführungsform umfasst das Dualkraftstoff-Motorsystem einen Verbrennungsmotor, der dazu ausgebildet ist, unter Verwendung eines ersten Kraftstoffs und eines zweiten Kraftstoffs betrieben zu werden, der als Gemisch mit Luft und rückgeführtem Abgas in zumindest einer Verbrennungskammer bereitgestellt wird. Das rückgeführte Gas kann zwischen einem Abgassystem und einem Einlasssystem des Verbrennungsmotors transportierbar sein werden. Das Dualkraftstoff-Motorsystem umfasst des Weiteren ein erstes Kraftstoffzufuhrsystem, das einer ersten Kraftstoffeinspritzdüse zugeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, eine oder mehrere vorbestimmte Mengen des ersten Kraftstoffs direkt in die zumindest eine Verbrennungskammer einzuspritzen. Ein zweites Kraftstoffzufuhrsystem ist einer zweiten Kraftstoffeinspritzdüse zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine vorbestimmte Menge des zweiten Kraftstoffs in die zumindest eine Verbrennungskammer zuzuführen. Ein erster Abgasrückführungs- oder AGR-Durchgang ist fluidmäßig zwischen das Abgassystem und das Einlasssystem geschaltet, und ein zweiter AGR-Durchgang ist fluidmäßig zwischen das Abgassystem und das Einlasssystem geschaltet. Ein AGR-Kühler ist angeordnet, um Abgas zu kühlen, das durch den zweiten AGR-Durchgang strömt. Ein Dreiwege-AGR-Ventil besitzt einen Einlass in Fluidverbindung mit dem Abgassystem, einen nicht gekühlten Gasauslass, der fluidmäßig mit dem ersten AGR-Durchgang verbunden ist, sowie einen gekühlten Gasauslass, der fluidmäßig mit dem zweiten AGR-Durchgang verbunden ist. Das Dreiwege-AGR-Ventil ist betreibbar, um selektiv den Durchgang eines ersten AGR-Gasstroms durch den ersten AGR-Gasdurchgang und eines zweiten AGR-Gasstroms durch den zweiten AGR-Gasdurchgang zu erlauben. Die ersten und zweiten AGR-Gasströme sind angeordnet, um sich während des Betriebs des Verbrennungsmotors zu mischen und einen dritten AGR-Gasstrom zu bilden. Der dritte AGR-Gasstrom weist eine AGR-Gastemperatur auf, die zwischen einer ersten Temperatur des ersten AGR-Gasstroms und einer zweiten Temperatur des zweiten AGR-Gasstroms liegt, nachdem der zweite AGR-Gasstrom den AGR-Kühler passiert hat. Ein Steuergerät, das dem Dreiwege-AGR-Ventil zugeordnet ist, ist dazu ausgebildet, den Betrieb des Dreiwege-AGR-Ventils so zu steuern, dass die AGR-Gastemperatur sich einem vorbestimmten Temperaturwert annähert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor umfasst zumindest einen Zylinder, der einen Kolben oszillierend aufnimmt. Der zumindest eine Zylinder definiert zumindest zum Teil eine Verbrennungskammer zwischen einer inneren Zylinderwand, dem Kolben und einem Zylinderkopf. Die Verbrennungskammer ist fluidmäßig über einen Einlasskanal mit einer Einlasssammelleitung verbindbar, sowie mit einer Auslasssammelleitung. Eine Dieselkraftstoffeinspritzdüse ist angeordnet, um Dieselkraftstoff direkt in die Verbrennungskammer einzuspritzen. Eine Erdgaseinspritzdüse ist angeordnet, um Erdgas in den Einlasskanal einzuspritzen. Ein nicht gekühlter Abgasrückführungs- bzw. AGR-Durchgang ist fluidmäßig direkt zwischen die Abgassammelleitung und die Einlasssammelleitung geschaltet. Der nicht gekühlte Abgasdurchgang ist geeignet, einen ersten AGR-Gasstrom mit einer ersten Temperatur zu leiten. Ein gekühlter AGR-Durchgang ist fluidmäßig zwischen das Abgassystem und das Einlasssystem geschaltet. Der gekühlte AGR-Durchgang umfasst einen AGR-Kühler, der dazu angeordnet ist, einen zweiten AGR-Strom, der den gekühlten AGR-Durchgang passiert, von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur zu kühlen. Eine AGR-Ventilanordnung ist den gekühlten und nicht gekühlten AGR-Durchgängen zugeordnet. Die AGR-Ventilanordnung ist angeordnet, um selektiv eine Strömungsrate eines jeden der ersten und zweiten AGR-Ströme zu steuern. Die ersten und zweiten AGR-Ströme werden gemischt, um einen dritten AGR-Strom bereitzustellen, mit einer AGR-Gastemperatur, die zwischen der ersten und zweiten Temperatur liegt. Ein Steuergerät ist der AGR-Ventilanordnung zugeordnet und dazu ausgebildet, die Strömungsrate eines jeden der ersten und zweiten AGR-Ströme zu steuern, so dass die AGR-Gastemperatur sich einem vorbestimmten Temperaturwert annähert.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren umfasst das Steuern einer Temperatur von rückgeführtem Abgas, um eine vorbestimmte rückgeführte Abgastemperatur zu erreichen, und das Einlassen eines Gemischs aus Luft und dem rückgeführten Abgas in eine Verbrennungskammer während eines Einlasshubs. Eine Einspritzdüse für gasförmigen Kraftstoff zur Zufuhr eines gasförmigen Kraftstoffs in die Verbrennungskammer wird ebenfalls auch während des Einlasshubs aktiviert. Eine Dieselkraftstoffeinspritzdüse wird ein erstes Mal aktiviert, um eine Vorpilot-Dieselmenge in einer frühen Phase eines Verdichtungshubs direkt in die Verbrennungskammer zuzuführen. Die Dieselkraftstoffeinspritzdüse wird zumindest ein zweites Mal aktiviert, um eine Pilot-Dieselmenge in einer späteren Phase des Verdichtungshubs direkt in die Verbrennungskammer zuzuführen. In einer Ausführungsform ist ein gesamtes Luft-/Kraftstoff-Verhältnis innerhalb der Verbrennungskammer bei Abschluss der Aktivierung der zweiten Dieselkraftstoffeinspritzdüse mager. Das Luft-/Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Verbrennungskammer wird während eines Verbrennungshubs verbrannt, und die Verbrennungsprodukte werden aus der Verbrennungskammer während eines Auslasshubs entfernt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm für ein Motorsystem in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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2 ist eine schematische Ansicht eines Motorzylinderquerschnitts in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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3 ist ein repräsentatives Zeitsteuerungsdiagramm und zeigt die Aktivierungen der Kraftstoffeinspritzdüsen in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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4 ist ein qualitatives Motorkennfeld und veranschaulicht verschiedene Steuerungsbereiche für Abgasrückführungstemperaturen in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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5 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere Erdgasmotoren, die Diesel als einen Pilotkraftstoff zur Initiierung der Verbrennung innerhalb der Motorzylinder verwenden. Die hierin beschriebenen Motorsysteme und Verfahren eignen sich zur Verwendung in mobilen Anwendungen wie etwa Lastwagen, Lokomotiven, Erdbewegungsmaschinen und dergleichen, für stationäre Anwendungen wie etwa Generatoren, Kompressoren und dergleichen, oder für marine Anwendungen. Weiters sollte klar sein, dass die Quelle des gasförmigen Motorkraftstoffs über einen Bordspeichertank bereitgestellt werden kann, zum Beispiel einen kryogenen Flüssigerdgastank, einen Druckgastank, oder eine andere Gasquelle aus einem Erdölförderungs-, -verteilungs-, -transfer- oder Raffinerievorgang.
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Ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Motorsystems 100 veranschaulicht, ist in 1 gezeigt. Ein Querschnitt eines Motorzylinders ist in 2 dargestellt. In erster Linie auf 1 Bezug nehmend umfasst das Motorsystem 100 einen Motor 102 mit einem Zylinderblock 104, der eine Vielzahl von Motorzylindern 106 umgibt. Obwohl sechs Motorzylinder 106 in einer Reihenkonfiguration dargestellt sind, können weniger oder mehr als sechs Zylinder in der selben oder einer anderen Konfiguration verwendet werden. Jeder Zylinder 106 umfasst einen oszillierenden Kolben 108 (2), der eine Verbrennungskammer 110 (2) mit einem variablen Volumen zwischen den Wänden des Zylinders 106, dem Kolben 108 und einem Zylinderkopf 112 (2) definiert. Wie bekannt stellt die Verbrennung eines Luft-/Kraftstoff-Gemischs innerhalb jeder Verbrennungskammer 110 Leistung bereit, die den Kolben 108 verschiebt, der über eine Pleuelstange 116 mit einer Kurbelwelle 114 (2) verbunden ist und diese antreibt.
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Luft wird an die Verbrennungskammern 110 über eine Einlasssammelleitung 118 geliefert, die in der veranschaulichten Ausführungsform gekühlte und komprimierte Ladeluft von einem Kompressor 120 über einen Ladeluftkühler 122 erhält. Der Druck und/oder die Strömungsrate der Ladungsluft kann optional durch ein Drosselventil 124 gesteuert oder eingestellt werden. In dem veranschaulichten Motorsystem 100 ist der Kompressor 120 Teil eines Turboladers 126, der eine Turbine 128 umfasst, die mit einer Abgassammelleitung 130 verbunden und dazu ausgebildet ist, Abgas von dieser zu erhalten. Energie, die dem Abgas durch die Turbine 128 entzogen wird, betreibt den Kompressor 120; in einer alternativen Ausführungsform können jedoch alternative Modi der Luftverdichtung verwendet werden.
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Das Motorsystem 100 umfasst des Weiteren ein Abgasrückführungs- oder AGR-System 132, das fluidmäßig zwischen die Einlasssammelleitung 118 und den Auspuffkrummer 130 geschaltet ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das AGR-System 132 in vorteilhafter Weise dazu ausgebildet, Abgas von der Abgassammelleitung 130 an die Einlasssammelleitung 118 und damit an die Verbrennungskammern 110 zu liefern. Wie gezeigt ist das AGR-System 132 in einer üblicherweise als Hochdruckschleifen- oder HPL-Konfiguration bezeichneten Konfiguration ausgebildet, was bedeutet, dass Abgas von dem Motorabgassystem oberstromig der Turbine 128 abgezogen wird, d. h., unter relativ hohen Druckbedingungen, und an einer Position unterstromig des Kompressors 120 an das Motoreinlasssystem geliefert wird. Alternativ kann das AGR-System in einer als Niederdruckschleifen- oder LPL-Konfiguration bezeichneten Konfiguration ausgebildet sein, d. h. zwischen einer Position in dem Motorabgassystem unterstromig der zumindest einen Turbine und einer Position in dem Motoreinlasssystem oberstromig des zumindest einen Kompressors.
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Das AGR-System 132 ist dazu ausgebildet, Abgas mit einer variablen Temperatur zu liefern, die zwischen der Abgastemperatur am Zylinderauslass am oberen Ende und einer gekühlten Temperatur, die von der Motorkühlmitteltemperatur abhängt, am unteren Ende reicht. Wie gezeigt umfasst das AGR-System 132 eine Dreiwege-Ventilanordnung 134, die einen Abgaseinlass 136, der direkt fluidmäßig mit der Abgassammelleitung 130 verbunden ist, einen ersten oder gekühlten Abgasauslass 138 sowie einen zweiten oder nicht gekühlten Abgasauslass 140 umfasst. In der gezeigten Ausführungsform sperrt ein erstes Zweiwegeventil 142 selektiv den gekühlten Abgasauslass 138 von dem Abgaseinlass 136 ab, und ein zweites Zweiwegeventil 144 sperrt fluidmäßig den nicht gekühlten Abgasauslass 140 ab; es können jedoch auch andere Ventilkonfigurationen verwendet werden. Während des Betriebs können eines oder beide der ersten und zweiten Zweiwegeventile 142 und 144 betrieben werden, um entweder gekühlte oder nicht gekühlte Abgasströme oder eine Mischung von beiden an die Einlasssammelleitung 118 zu liefern. Abgaskanäle, die mit der Ventilanordnung 134 verbunden sind, werden in einem AGR-Hauptdurchgang 145 zusammengeführt. Durch den gekühlten Abgasauslass 138 bereitgestelltes Abgas wird durch einen AGR-Kühler 146 geleitet, der als Flüssigkeits-Gas-Kühler verkörpert ist und betrieben wird, um Wärme aus einem durch ihn strömenden Abgas abzuziehen und die Wärme an durch den AGR-Kühler 146 strömendes Motorkühlmittel zu übertragen.
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Der AGR-Hauptdurchgang 145 umfasst einen Temperatursensor 148. Der Temperatursensor 148 ist angeordnet, um die AGR-Temperatur zu überwachen und ein Signal, das diese Temperatur angibt, an ein elektronisches Steuergerät 150 zu liefern. Das elektronische Steuergerät 150 kann ein einzelnes Steuergerät sein oder kann mehr als ein Steuergerät umfassen, das angeordnet ist, um verschiedene Funktionen und/oder Merkmale einer Maschine zu steuern, die dem Motorsystem 100 zugeordnet ist. Zum Beispiel kann ein übergeordnetes Steuergerät, das zur Steuerung des allgemeinen Betriebs und der Funktion der Maschine verwendet wird, kooperativ mit einem Motorsteuergerät implementiert sein, das zur Steuerung des Motors 102 verwendet wird. In dieser Ausführungsform soll die Bedeutung des Begriffs ”Steuergerät” ein, zwei oder mehr Steuergeräte umfassen, die dem Motorsystem 100 zugeordnet sein und bei der Steuerung verschiedener Funktionen und Betriebsvorgänge des Motorsystems 100 zusammenwirken können. Die Funktionsweise der Steuervorrichtung kann ungeachtet der speziellen gezeigten Funktionsweise in Hardware bzw. Komponenten und/oder Software bzw. Programmen implementiert sein, während hierin rein zu Veranschaulichungszwecken beschrieben wird, dass diese konzeptionell verschiedene diskrete Funktionen aufweisen. Entsprechend werden verschiedene Schnittstellen der Steuervorrichtung mit Bezug auf die Komponenten des Motorsystems 100 beschrieben, das in dem Blockdiagramm von 1 dargestellt ist. Solche Schnittstellen sollen nicht die Art und die Anzahl der Komponenten einschränken, die angeschlossen sind, noch soll die Anzahl der Steuergeräte eingeschränkt sein, die beschrieben wird.
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Entsprechend ist das Steuergerät 150 dazu ausgebildet, Informationssignale zu empfangen, die die Temperatur von AGR-Gas angeben, das durch den AGR-Hauptdurchgang 145 strömt, und die relative Öffnung der ersten und zweiten Ventile 142 und 144 zu steuern, so dass die gemessene oder auf andere Weise abgeschätzte Gastemperatur innerhalb des AGR-Hauptdurchgangs 145 sich einer erwünschten Temperatur für eine beliebige gegebene Menge von Motorbetriebszuständen annähert. In der veranschaulichten Ausführungsform stellt das Steuergerät 150 Befehlssignale über eine Kommunikationsleitung 152 an jedes der ersten und zweiten Zweiwegeventile 142 und 144 bereit, um deren Betrieb so zu steuern, dass ein erwünschtes Gemisch aus gekühltem und nicht gekühltem Abgas als Gemisch bereitgestellt wird, um die erwünschte AGR-Gastemperatur in dem AGR-Hauptdurchgang 145 zu erreichen. Somit kann während des Betriebs, wenn wärmeres AGR-Gas erwünscht ist, das erste Ventil 142 angewiesen werden, sich zu einer Schließrichtung hin zu bewegen, in welcher eine stärkere Fluidsperre zwischen dem Einlass 136 und dem gekühlten Gasauslass 138 bereitgestellt wird, während gleichzeitig das zweite Zweiwegeventil 144 angewiesen werden kann, sich zu einer Öffnungsrichtung hin zu bewegen, in welcher weniger Fluidsperre zwischen dem Einlass 136 und dem nicht gekühlten Gasauslass 140 bereitgestellt wird. In ähnlicher Weise kann, wenn kälteres AGR-Gas erwünscht ist, das erste Ventil 142 angewiesen werden, sich zu einer Öffnungsrichtung hin zu bewegen, in welcher weniger Fluidsperre zwischen dem Einlass 136 und dem gekühlten Gasauslass 138 bereitgestellt wird, während gleichzeitig das zweite Zweiwegeventil 144 angewiesen werden kann, sich zu einer Schließrichtung hin zu bewegen, in welcher eine stärkere Fluidsperre zwischen dem Einlass 136 und dem nicht gekühlten Gasauslass 140 bereitgestellt wird.
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Die erwünschte AGR-Gastemperatur kann in dem Steuergerät 150 auf der Grundlage des aktuell vorliegenden Motorbetriebszustands bestimmt werden, zum Beispiel bestimmt auf der Grundlage der aktuell vorliegenden Motordrehzahl und des aktuellen Lastarbeitspunkts. Derselbe Motorarbeitspunkt kann verwendet werden, um eine erwünschte AGR-Gesamtrate zu bestimmen, d. h. die erwünschte Gesamtrate von AGR-Gas in Bezug auf den gesamten Motorluftstrom. Abgesehen von der relativen Öffnungs- oder Schließstellung eines jeden der ersten oder zweiten Zweiwegeventile 142 und 144, die die AGR-Gastemperatur steuern können, kann die gesamte Gasströmungsöffnungsfläche beider Ventile durch das Steuergerät 150 gesteuert werden, um die erwünschte AGR-Rate festzulegen. In einer Ausführungsform kann die Gasströmungsöffnungsfläche eines jeden der ersten und zweiten Zweiwegeventile 142 und 144 durch einen speziell vorgesehenen Stellungssensor, der jedem Ventil zugeordnet ist, eine Druckdifferenz über jedes Ventil oder ein beliebiges anderes geeignetes Mittel bestimmt werden. Darüber hinaus können Informationen über die Gaseinlasstemperatur oder anders ausgedrückt die Motorabgastemperatur über einen Abgastemperatursensor 154 an das Steuergerät 150 geliefert werden. In einer Ausführungsform kann die Abgastemperatur des Motors verwendet werden, um die Steuerungsparameter und die Sensitivität des Steuergeräts 150 anzupassen.
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Während des Betriebs werden zwei unterschiedliche Kraftstofftypen an jede Verbrennungskammer 110 geliefert. In der veranschaulichten Ausführungsform ist jedem Zylinder 106 eine Einspritzdüse 156 zugeordnet und dazu ausgebildet, eine vorbestimmte Menge an Dieselkraftstoff direkt in die jeweilige Verbrennungskammer 110 einzuspritzen. Dieselkraftstoff wird in unter Druck stehender Form von einer ersten Kraftstoffquelle 157 bereitgestellt, die verschiedene Komponenten und Systeme umfassen kann, wie etwa ein Kraftstoffreservoir, eine Kraftstoffpumpe und weitere Komponenten, die in der Technik wohl bekannt sind und hier aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt sind. Eine Erdgaseinspritzdüse 158 ist in einem Einlasskanal 160 angeordnet, der einen Durchgang darstellt, der fluidmäßig jeden Zylinder 106 jeweils mit der Einlasssammelleitung 118 verbindet, um Erdgas während eines Einlasshubs des Kolbens 108 indirekt innerhalb der Verbrennungskammer 110 einzuspritzen. Erdgas wird an die Erdgaseinspritzdüsen 158 von einer Erdgasquelle 159 geliefert, die Erdgas mit einem Arbeitsdruck und einer Arbeitsströmungsrate bereitstellt.
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In einer in Betracht gezogenen Ausführungsform arbeitet der Motor 102 als ein Kompressionszündungsmotor in erster Linie mit Erdgas und verwendet eine Dieselkraftstoffeinspritzung als Zündquelle. Der Motor arbeitet in vorteilhafter Weise mit einem Verdichtungsverhältnis, das wie vorstehend beschrieben für einen funkengezündeten Gasmotor geeignet ist, und ist dazu ausgebildet, unter Verwendung einer geteilten Dieseldirekteinspritzung in Kombination mit indirekter Gaseinspritzung und temperaturgesteuerter AGR sowohl unter Volllast- als auch unter Teillastbedingungen effizient innerhalb akzeptabler Abgasemissionsgrenzen zu arbeiten. Die erwünschte AGR-Temperatur wird auf der Grundlage der Motorlast als ein primärer Steuerungsparameter bestimmt.
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Insbesondere tritt ein erstes Dieseleinspritzereignis während des Verdichtungshubs auf, um die Zündungs- und Verbrennungseigenschaften des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Verbrennungskammer zu fördern, die bereits den Erdgaskraftstoff als Gemisch mit Luft umfasst. Wie vorstehend erörtert, wird der Erdgaskraftstoff während des Einlasshubs bereitgestellt. Ein zweites Dieseleinspritzereignis tritt später in dem Verdichtungshub auf, um eine Zündquelle bereitzustellen.
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Arbeitet der Motor unter relativ hoher Last, wird gekühltes AGR-Gas in das Gemisch aus gasförmigem Kraftstoff und Einlassluft in die Verbrennungskammer eingeleitet. Arbeitet der Motor unter leichten oder Teillasten, wird der Einlassladung nicht gekühltes oder heißes AGR-Gas beigefügt. Die Verwendung von heißem Abgas bei leichten oder Teillasten erlaubt die Verwendung eines Gemischs mit relativ magerem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis bei niedrigen Motorlasten, und dies trotz eines relativ niedrigen Verdichtungsverhältnisses. Im Allgemeinen verbessert die beschriebene Verbrennungsstrategie den Schwankungskoeffizienten des Motors, wie er durch den mittleren effektiven Druck des Motors angegeben wird, innerhalb des gesamten Leistungsbereichs des Motors. Zwei qualitative Diagramme zur Veranschaulichung dieser Konzepte sind in den 3 und 4 dargestellt. In 3 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm dargestellt, dass die verschiedenen Einspritzereignisse zeigt. 4 ist ein qualitatives Motorkennfeld, das die AGR-Temperaturbänder zeigt.
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Bezug nehmend auf 3 veranschaulicht ein Zeitdiagramm die Kolbenstellung 202, die Aktivierung 204 der Dieseleinspritzdüse und die Aktivierung 206 der Erdgaseinspritzdüse in Bezug auf den Kurbelwinkel 208, der in einer zeitausgerichteten Weise für alle Parameter gezeigt und entlang der jeweiligen horizontalen Achsen dargestellt ist. Relativ zur Kolbenstellung 202 können vier Hübe definiert werden. Ein Einlasshub 210 stellt die Abwärtsbewegung des Kolbens dar, die das Volumen der Verbrennungskammer vergrößert, so dass die Verbrennungskammer sich mit Luft oder einem Gemisch aus Luft und Abgas füllen kann. Während des Einlasshubs 210 öffnet sich die Erdgaseinspritzdüse für eine Zeitdauer 212, um dem Erdgas zu erlauben, sich mit der in den Zylinder eintretenden Luft zu mischen.
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Auf den Einlasshub 210 folgt ein Verdichtungshub 214; dabei wird wie bekannt ein Zylindereinlassventil geschlossen, wodurch der Inhalt des Verbrennungszylinders effektiv für die Verdichtung abgedichtet wird. Während des Verdichtungshubs 214 wird die Dieseleinspritzdüse früh für ein erstes Piloteinspritzereignis 216, und später dann erneut für ein zweites Pilot-Dieseleinspritzereignis 218 geöffnet. Man nimmt an, dass der dem Zylinder während des ersten Einspritzereignisses zugeführte Kraftstoff ausreichend dispergiert und mit dem im Zylinder vorhandenen Erdgas-/Luft-Gemisch vermischt wird, um dessen Zündungs- und Verbrennungseigenschaften wirksam zu verbessern. Das zweite Pilot-Dieseleinspritzereignis 218 stellt den Dieselkraftstoff bereit, der die Verbrennung durch Kompression initiieren kann, sogar dann, wenn relativ niedrige Luft-/Kraftstoff-Verhältnisse verwendet werden, die auf demselben Niveau wie bei Funkenzündungsmotoren liegen. Die Fähigkeit des Luft-/Kraftstoff-Gemischs in den Zylindern, verlässlich unter relativ niedrigen Verdichtungsverhältnissen zu zünden, wird der Temperatur der Fluide innerhalb des Zylinders zugeschrieben, die abhängig von der Motorlast durch Steuern der Temperatur der bereitgestellten AGR gesteuert werden kann.
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In 4 wird ein qualitatives Motorkennfeld gezeigt, wobei die Motordrehzahl 302 durch die horizontale Achse dargestellt wird und die Motorlast 304 auf der vertikalen Achse dargestellt wird. Eine qualitative Motortraktionskurve 306 ist der Einfachheit halber mit einer im Wesentlichen trapezförmigen Gestalt dargestellt; es sollte jedoch klar sein, dass eine beliebige andere Gestalt in Betracht gezogen werden kann, abhängig von der speziellen Motoranwendung. Da das Konzept der Veranschaulichung von Motorarbeitspunkten in einem Motorkennfeld aus Motordrehzahl vs. Motorlast in der Technik wohlbekannt ist, wird es hierin nicht detaillierter beschrieben.
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Das Motorkennfeld 300 ist in zwei alternativen Implementierungen dargestellt, die jeweils auf der rechten und linken Seite des Diagramms gezeigt werden. Auf der linken Seite des Diagramms ist die Sammlung von Motorarbeitspunkten unterhalb der Traktionskurve 306 in drei Bereiche getrennt: einen Bereich 308 niedriger Last, der dunkel schattiert ist, einen Bereich 310 mittlerer Last und einen Bereich 312 hoher Last, der hell schattiert ist. In einer Ausführungsform wird nicht gekühltes oder heißes AGR-Gas im Bereich 308 niedriger Last an den Motor geliefert, und nur gekühltes AGR-Gas in dem Bereich 312 hoher Last an den Motor geliefert. Im stabilen Motorbetrieb oder im Übergangsbetriebs im Bereich 310 mittlerer Last kann ein Gemisch aus gekühltem und nicht gekühltem AGR-Gas verwendet werden. Das Verhältnis von gekühltem und nicht gekühltem AGR-Gas beim Betrieb in dem Bereich mittlerer Last kann auf beliebige Weise implementiert werden, zum Beispiel empirisch durch Motortests bei den verschiedenen Betriebsbedingungen, oder analytisch, zum Beispiel unter Verwendung einer linearen Korrelation. In einer Ausführungsform steht das Ausmaß an AGR-Kühlung linear mit der Motorlast in Beziehung, so dass nicht gekühltes AGR-Gas an einer unterer Grenze 314 zwischen den Bereichen 308 niedriger Last und 310 mittlerer Last verwendet wird, und gekühltes AGR-Gas an der oberen Grenze 316 zwischen den Bereichen 310 mittlerer Last und 312 hoher Last. In einer solchen Ausführungsform kann das Verhältnis zwischen gekühlter und ungekühlter AGR sich zwischen den unteren und oberen Grenzen 314 und 316 des Bereichs 310 mittlerer Motorlast linear ändern.
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In einer alternativen Ausführungsform kann, wie auf der rechten Seite von 4 veranschaulicht, eine erwünschte AGR-Temperatur sich kontinuierlich in Bezug auf die Motorlast über den gesamten Bereich der Motorsarbeitspunkte unterhalb der Traktionskurve 306 ändern. Die spezielle erwünschte Temperatur für jede Motorbetriebsbedingung kann empirisch oder analytisch innerhalb eines elektronischen Steuergeräts bestimmt werden. In einer Ausführungsform werden Tabellen, die mit erwünschten AGR-Temperaturen in Bezug auf die Motordrehzahl und -last belegt sind, verwendet, um zwischen den tabellarischen Daten zu interpolieren und für jede Motorbetriebsbedingung eine erwünschte AGR-Temperatur zu bestimmen. In der auf der rechten Seite von 3 gezeigten Ausführungsform soll eine dunklere Schattierung eine niedrigere AGR-Temperatur anzeigen.
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Ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Motors ist in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform kann der Motor in einem Viertakt-Verbrennungssystem arbeiten, das Einlass-, Verdichtungs-, Verbrennungs- und Auslasshübe umfasst. Ein Gemisch aus Luft und rückgeführtem Abgas wird bei 402 während eines Einlasshubs in eine Verbrennungskammer eingelassen. Eine Temperatur des AGR-Gases im Gemisch mit der in den Verbrennungszylinder hereinkommenden Luft wird bei 404 auf eine vorbestimmte Temperatur gesteuert. Um die Temperatur des AGR-Gases zu steuern, stellt in einer Ausführungsform ein Steuergerät Befehle an ein Heiß-AGR-Ventil und ein Kühl-AGR-Ventil bereit, damit diese sich in geeigneter Weise öffnen, so dass gekühltes und nicht gekühltes AGR-Gas mit unterschiedlichen Temperaturen sich mischen können, um ein AGR-Gasgemisch mit einer Temperatur bereitzustellen, die sich einer erwünschten AGR-Gastemperatur annähert. Eine Bestimmung der erwünschten AGR-Temperatur kann auch auf der Grundlage der Motorlast als ein primärer Steuerungsparameter erfolgen.
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Während zumindest eines Abschnitts des Einlasshubs wird bei 406 eine Einspritzdüse für gasförmigen Kraftstoff aktiviert, die dazu ausgebildet ist, gasförmigen Kraftstoff im Gemisch mit Luft, die in die Verbrennungskammer eintritt, bereitzustellen. In einer frühen Phase eines Verdichtungshubs wird bei 408 eine Dieselkraftstoffeinspritzdüse aktiviert, um eine Vorpilot-Menge an Dieselkraftstoff direkt in die Verbrennungskammer einzuspritzen. In einer späteren Phase des Verdichtungshubs wird die Dieselkraftstoffeinspritzdüse bei 410 ein zweites Mal aktiviert, um eine Pilotmenge an Dieselkraftstoff direkt in die Verbrennungskammer einzuspritzen. Die Zündung eines Luft-/Kraftstoff-Gemischs in der Verbrennungskammer wird auf die Einspritzung des Pilot-Dieselkraftstoffs bei 410 folgend initiiert. Das Luft-/Kraftstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer, das so aufbereitet ist, dass es extrem mager ist, oder anders ausgedrückt, ein Lambda (λ) im Bereich von zwischen 1,5 und 2,2 aufweist, verbrennt während eines Verbrennungshubs bei 412, und die Nebenprodukte dieser Verbrennung werden bei 414 von dem Verbrennungszylinder ausgestoßen. Das hierin beschriebene Verfahren kann sich kontinuierlich für jeden Motorzylinder-Verbrennungszyklus während des Motorbetriebs wiederholen und kann in geeigneter Weise auf Verbrennungszyklen mit mehr als vier Takten, zum Beispiel mit sechs oder acht Takten, angepasst werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist auf Verbrennungsmotoren anwendbar, die mit Erdgas als primärem Kraftstoff arbeiten und Diesel oder einen anderen Kraftstoff als Zündquelle im Zylinder verwenden. Es wird in Betracht gezogen, dass die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren für alle Typen von Motoranwendungen anwendbar sind und abgewandelt werden können, um bestimmte Leistungsanforderungen jeder Motoranwendung zu erfüllen. Zum Beispiel können die Rate, in der Motorfrischluft durch AGR ersetzt wird, die Mengen und Typen der verwendeten Kraftstoffe, die Einspritzmethode und die Zeitsteuerung, in der Kraftstoff an die Verbrennungszylinder geliefert wird, sowie weitere Parameter in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen grundlegenden Arbeitsprinzipien ausgewählt werden.
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Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und sollen keine Beschränkung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen darstellen. 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 miteingeschlossen, 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.
