DE112015007102B4 - Verbrennungsmotor und verfahren zum steuern eines betriebs eines verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Verbrennungsmotor (100), umfassend:eine Brennkammer (16), die durch Zusammenwirken einer in einem Zylinderblock ausgebildeten Zylinderbohrung (28), eines Zylinderkopfs (18) undeines Kolbens (14) gebildet wird;ein Einlassventil (20) und ein Auslassventil (22), die im Zylinderkopf (18) angeordnet sind und dazu dienen, einen Gasstrom zur Brennkammer (16) zu steuern, und Systeme zur variablen Ventilbetätigung, die dazu dienen,Öffnungs- und Schließvorgänge des Einlassventils (20) und des Auslassventils (22) zu steuern;ein Kraftstoffeinspritzsystem, das eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (40) enthält, die angeordnet ist, um Kraftstoff in die Brennkammer (16) einzuspritzen;ein Plasmazündsystem, das mit einer masselosen Plasmazündeinrichtung (30) für eine Barriere-Entladung elektrisch verbunden ist, die in die Brennkammer (16) vorragt; undeinen Controller (50), der dazu dient, einen Betrieb der Systeme zur variablen Ventilbetätigung, des Kraftstoffeinspritzsystems und des Plasmazündsystems als Antwort auf eine Ausgangsdrehmomentanforderung zu steuern, wobei der Controller (50) einen Anweisungssatz enthält, wobei der Anweisungssatz ausführbar ist, um:den Motor (100) zu steuern, um in einem Kompressionszündungs-Modus zu arbeiten, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern und das Plasmazündsystem zu steuern, um Plasmaentladungsereignisse auszuführen nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, das eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht;dadurch gekennzeichnet , dass(i) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor in einem flammenlosen Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass(ii) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass(iii) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenlosen Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass(iv) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass(v) der Controller (50) einen Satz von Anweisungen, der ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten gesteuerten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Mittellast-Bedingung anzeigt, sowie Anweisungen enthält, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern eines Kraftstoffeinspritzsystems, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, mehrere Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und dann das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/KraftstoffVerhältnis erreichen; oder dass(vi) der Controller (50) einen Satz von Anweisungen, der ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten, gesteuerten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Mittelast-Bedingung anzeigt, sowie Anweisungen enthält, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, mehrere Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und dann das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/KraftstoffVerhältnis erreichen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der mit einem System zur Kraftstoff-Direkteinspritzung und einer Plasmazündeinrichtung ausgeführt ist, und dessen Steuerung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, der ein Plasmazündsystem, ein System zur variablen Ventilbetätigung, ein Abgasrückführungs-(AGR-) System, das ein steuerbares AGR-Ventil einschließt, und ein Kraftstoffeinspritzsystem umfasst.
  • Ein Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geht der Art nach im Wesentlichen aus der DE 10 2008 061 769 A1 hervor.
  • Bezüglich des weitergehenden Stades der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 11 2012 003 727 T5 , DE 10 2015 114 718 A1 und DE 10 2010 008 464 A1 verwiesen.
  • HINTERGRUND
  • Bekannte Otto- bzw. Fremdzündungsmotoren (SI) führen in jeden Zylinder ein Luft/Kraftstoff-Gemisch ein, das während eines Kompressionshubs komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Bekannte Diesel- bzw. Kompressionszündungs- (CI-) Motoren spritzen nahe einem oberen Totpunkt (TDC) des Kompressionshubs unter Druck gesetzten Kraftstoff in eine Brennkammer ein, der auf eine Einspritzung hin zündet. Eine Verbrennung für sowohl Sl-Motoren als auch Cl-Motoren ist mit vorgemischten oder Diffusionsflammen verbunden, die über die Fluidmechanik gesteuert werden.
  • Sl-Motoren können in verschiedenen Verbrennungsmodi arbeiten, die gemäß nicht beschränkenden Beispielen einen homogenen SI-Verbrennungsmodus und einen Schichtladungs-Si-Verbrennungsmodus einschließen. Sl-Motoren können so ausgeführt sein, dass sie unter vorbestimmten Drehzahl/Last-Betriebsbedingungen in einem Verbrennungsmodus einer homogenen Kompressionszündung (HCCI), worauf auch als gesteuerte Selbstzündungs-Verbrennung verwiesen wird, arbeiten. Eine HCCI-Verbrennung ist ein verteilter, flammenloser, kinetisch gesteuerter Selbstzündungs-Verbrennungsprozess, wobei der Motor bei einem verdünnten Luft/Kraftstoff-Gemisch, d.h. einem überstöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Punkt, mit verhältnismäßig niedrigen Verbrennungs-Spitzentemperaturen arbeitet, was zu niedrigen NOx-Emissionen führt. Ein im HCCI-Verbrennungsmodus arbeitender Motor bildet eine Zylinderladung, die hinsichtlich Zusammensetzung, Temperatur und restlicher Abgase zu einer Schließzeit eines Einlassventils vorzugsweise homogen ist. Das homogene Luft/Kraftstoff-Gemisch minimiert ein Auftreten fetter Verbrennungszonen im Zylinder, die Rauch- und Partikelemissionen bilden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor vorgestellt, der sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet. Er umfasst eine Brennkammer, die durch Zusammenwirken einer in einem Zylinderblock ausgebildeten Zylinderbohrung, eines Zylinderkopfs und eines Kolbens gebildet wird. Ein Einlassventil und ein Auslassventil sind im Zylinderkopf angeordnet und dienen dazu, einen Gasstrom zur Brennkammer zu steuern, und Systeme zur variablen Ventilbetätigung dienen dazu, Öffnungs- und Schließvorgänge des Einlassventils und des Auslassventils zu steuern. Ein Kraftstoffeinspritzsystem, das eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung enthält, ist angeordnet, um Kraftstoff in die Brennkammer einzuspritzen, und ein Plasmazündsystem, das eine erdungs- bzw. masselose Plasmazündeinrichtung für eine Barriere-Entladung enthält, ragt in die Brennkammer vor. Ein Controller dient dazu, einen Betrieb der Systeme zur variablen Ventilbetätigung, des Kraftstoffeinspritzsystems und des Plasmazündsystems als Antwort auf eine Ausgangsdrehmomentanforderung zu steuern. Der Controller enthält einen ausführbaren Anweisungssatz, um den Motor in einem Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Niedriglast-Bedingung anzeigt, der Anweisungen enthält, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen, wobei das einzige Kraftstoffeinspritzereignis eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht.
  • Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 11 auszeichnet.
  • Figurenliste
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
    • 1 und 2 Querschnittsansichten von Ausführungsformen eines einzelnen Zylinders für einen Verbrennungsmotor, der eine masselose Plasmazündeinrichtung für eine dielektrische Barriere-Entladung im Zylinder eines Plasmazündsystems enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulichen;
    • 3 eine seitliche Querschnittsansicht einer in einem Durchführungs-Durchbruch eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors montierten masselosen Plasmazündeinrichtung für eine dielektrische Barriere-Entladung gemäß der Offenbarung schematisch veranschaulicht;
    • 4 eine isometrische Ansicht einer masselosen Plasmazündeinrichtung für eine dielektrische Barriere-Entladung im Zylinder schematisch veranschaulicht und eine Vielzahl von durch ein einziges Plasmaentladungsereignis erzeugten Strömen gemäß der Offenbarung darstellt;
    • 5 bevorzugte Motor-Betriebsmodi, die mit Betriebsbedingungen der Motordrehzahl und -last verbunden sind, zum Betreiben einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf entweder 1 oder 2 beschriebenen Motors, der eine Ausführungsform des Plasmazünd-Controllers verwendet, um Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen, gemäß der Offenbarung grafisch darstellt;
    • 6 Motorparameter während eines einzelnen Motorzyklus während eines Betriebs einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf entweder 1 oder 2 beschriebenen Motors in einem flammenlosen, gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus, der eine Ausführungsform des Plasmazünd-Controllers nutzt, um Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen, gemäß der Offenbarung grafisch darstellt;
    • 7 Motorparameter während eines einzelnen Motorzyklus während eines Betriebs einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf entweder 1 oder 2 beschriebenen Motors in einem flammenunterstützten gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus grafisch darstellt; und
    • 8 Motorparameter während eines einzelnen Motorzyklus während eines Betriebs einer Ausführungsform des unter Bezugnahme auf entweder 1 oder 2 beschriebenen Motors in einem Motor-Betriebsmodus mit Flammenausbreitung grafisch darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen, worin die Abbildungen allein zum Veranschaulichen bestimmter beispielhafter Ausführungsformen dienen, veranschaulicht 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines einzelnen Zylinders für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern (Motor) 100 und einen zugeordneten Motor-Controller (ECM) 60. Der Motor 100 umfasst einen Motorblock 12, der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 28 definiert, die bewegliche Kolben 14 enthalten, von denen einer dargestellt ist. Der Motorblock 12 verbindet elektrisch mit einer elektrischen Masse 44. Der Betrieb des Motors 100 wird durch den ECM 60 gesteuert, der mit einem Plasmazünd-Controller 50 kommuniziert, um einen Betrieb mehrerer masseloser Plasmazündeinrichtungen für eine dielektrische Barriere-Entladung (Plasmazündeinrichtungen) 30 zu steuern, die im Zylinder angeordnet sind, um Kraftstoff-Luft-Zylinderladungen zu zünden.
  • Jede der Zylinderbohrungen 28 beherbergt einen beweglichen Kolben 14. Die Wände der Zylinderbohrung 28, ein oberer Teil des Kolbens 14 und ein innerer freigelegter Teil des Zylinderkopfs 18 definieren äußere Begrenzungen einer Brennkammer 16 mit variablem Volumen, die darin angeordnet ist. Jeder Kolben 14 koppelt mechanisch mit einer Verbindungsstange, die mit einer Kurbelwelle drehbar koppelt, und der Kolben 14 translatiert verschiebbar innerhalb der Zylinderbohrung 28 zwischen einer Position eines oberen Totpunktes (TDC) und einer Position eines unteren Totpunktes (BDC), um während Verbrennungsereignissen an die Kurbelwelle Leistung zu übertragen.
  • Der Zylinderkopf 18 enthält einen Einlasskanal oder ein Einlasssaugrohr 24, das mit der Brennkammer 16 in Fluidverbindung steht, wobei darin ein Einlassventil 20 angeordnet ist, um einen Luftstrom in die Brennkammer 16 zu steuern. Der Zylinderkopf 18 umfasst auch einen Auslasskanal oder ein Auslasssaugrohr 26, das mit der Brennkammer 16 in Fluidverbindung steht, wobei darin ein Auslassventil 22 darin angeordnet ist, um einen Abgasstrom aus der Brennkammer 16 zu steuern. 1 zeigt ein einziges Einlassventil 20 und ein einziges Auslassventil 22, die mit der Brennkammer 16 verbunden sind; aber es versteht sich, dass jede Brennkammer 16 mit mehreren Einlassventilen und/oder mehreren Auslassventilen ausgeführt sein kann. Ein Motorluftstrom kann gesteuert werden, indem eine Stellung eines (nicht dargestellten) Drosselventils selektiv eingestellt wird und Öffnungs- und/oder Schließvorgänge der Einlassventile 20 und der Auslassventile 22 eingestellt werden. Ein System 21 zur variablen Einlassventilbetätigung ist eingerichtet, um Öffnungs- und Schließvorgänge der Einlassventile 20 zu steuern, und ein System 23 zur variablen Auslassventilbetätigung ist eingerichtet, um Öffnungs- und Schließvorgänge der Auslassventile 22 zu steuern. Die Systeme 21, 23 zur variablen Einlass- und Auslassventilbetätigung können eine variable Nocken-Phasenlage und einen auswählbaren mehrstufigen Ventilhub einschließen, z.B. mehrstufige Nocken, die zwei oder mehr Ventilhubstellungen vorsehen, und nutzen eine Druckausübung von Ventilfedern und Nocken auf einer oder mehreren drehenden Nockenwellen, die mit der Kurbelwelle drehbar gekoppelt sind, oder andere geeignete Mechanismen, um solch eine Steuerung zu bewerkstelligen. Die Änderung in der Ventilstellung des Mechanismus mit mehrstufigem Ventilhub kann eine diskrete Stufenänderung sein.
  • Der Zylinderkopf 18 ist mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 und der Plasmazündeinrichtung 30 eingerichtet. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 ist angeordnet, um Kraftstoff in die Brennkammer 16 einzuspritzen, und ist mit der Kraftstoffdüse eingerichtet, die in einem geometrisch zentralen Teil eines zylindrischen Querschnitts der Brennkammer 16 angeordnet und mit deren Längsachse ausgerichtet ist.
  • Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 koppelt fluidmäßig und wirksam mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, welches unter Druck gesetzten Kraftstoff mit einer Förderrate bereitstellt, die geeignet ist, um den Motor zu betreiben. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 enthält ein Stromsteuerventil und eine Kraftstoffdüse, die angeordnet ist, um Kraftstoff in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Der Kraftstoff kann jede beliebige geeignete Zusammensetzung wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, Benzin, Ethanol, Diesel, Erdgas und Kombinationen davon sein. Die Kraftstoffdüse kann sich durch den Zylinderkopf 18 in die Brennkammer 16 erstrecken. Überdies kann der Zylinderkopf mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40 und Kraftstoffdüse eingerichtet sein, die in einem geometrisch zentralen Teil eines zylindrischen Querschnitts der Brennkammer 16 angeordnet und mit deren Längsachse ausgerichtet ist. Die Kraftstoffdüse kann in Linie mit der Plasmazündeinrichtung 30 zwischen dem Einlassventil 20 und dem Auslassventil 22 eingerichtet sein. Alternativ dazu kann der Zylinderkopf 18 mit der Kraftstoffdüse eingerichtet sein, die mit der Plasmazündeinrichtung 30 in Linie angeordnet und zu einer Linie zwischen dem Einlassventil 20 und dem Auslassventil 22 orthogonal ist. Alternativ dazu kann der Zylinderkopf 18 mit der in einer Konfiguration für eine seitliche Einspritzung angeordneten Kraftstoffdüse eingerichtet sein. Die Gestaltungen des Zylinderkopfs 18, der die Kraftstoffdüse und die hierin beschriebene Plasmazündeinrichtung 30 enthält, sind exemplarisch. Andere geeignete Gestaltungen können innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden.
  • Die Kraftstoffdüse umfasst ein Ende, das eine oder mehrere (nicht dargestellte) Öffnung(en) definiert, durch welche Kraftstoff in die Brennkammer 16 strömt, wobei ein Sprühmuster gebildet wird, das eine einzige oder eine Vielzahl von Kraftstofffahnen umfasst. Die Form und Durchdringung der Kraftstofffahne(n) ist ein Ergebnis eines Kraftstoffimpulses, der durch Kraftstoffdruck hervorgerufen wird, und der Konfiguration der Kraftstoffdüse einschließlich der Querschnittsfläche, Form und Orientierung der Öffnung(en) der Kraftstoffdüse in Bezug auf die Brennkammer 16 und der Strömungsdynamik der Brennkammer. Die Strömungsdynamik der Brennkammer kann durch die Form der Brennkammer 16 einschließlich des Vorhandenseins von Vorrichtungen, um darin einen Wirbel zu erzeugen, in bestimmten Ausführungsformen und andere Faktoren getrieben sein.
  • Gemäß nicht beschränkenden Beispielen kann, wenn die Kraftstoffdüse eine Vorrichtung mit einem einzigen Loch umfasst, die einen Düsenzapfen und Sitz mit einer einzigen Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt in die Brennkammer 16 umfasst, das resultierende Kraftstoffsprühmuster eine einzige Fahne mit einer kontinuierlichen, im Wesentlichen hohlen konischen Form sein. Alternativ dazu kann die Kraftstoffdüse eine Vorrichtung mit mehreren Löchern sein, die einen Düsenzapfen und Sitz mit einer Vielzahl von Öffnungen umfasst, durch welche Kraftstoff gelangt, und das resultierende Kraftstoffsprühmuster umfasst eine Vielzahl radial vorspringender Kraftstofffahnen. In einer Ausführungsform, in der die Kraftstoffdüse eine Vielzahl von Öffnungen enthält, umfasst das während einer Kraftstoffeinspritzung gebildete Kraftstoffsprühmuster eine Vielzahl radial vorspringender Kraftstofffahnen, die zusammen eine im Allgemeinen konische Form in der Brennkammer 16 bilden, wenn sie von einer Seite der Brennkammer 16 aus betrachtet werden, wobei die konische Form einen Sprühwinkel aufweist, der vorzugsweise zwischen Hauptachsen einer der Sprühfahnen, die 180° auseinander auf der Kraftstoffdüse orientiert sind, oder als den Sprühwinkel definierende äußere Begrenzungen gemessen wird. Jede der Vielzahl von Sprühfahnen kann eine im Allgemeinen konische Form, eine im Allgemeinen flache Form oder eine andere geeignete Form aufweisen, die in erster Linie von der Querschnittsform der Öffnungen der Kraftstoffdüse abhängt.
  • Der Zylinderkopf 18 sieht dabei auch eine Struktur zum Montieren der Plasmazündeinrichtung 30 und einen Durchführungs-Durchbruch 19 vor, durch den die Plasmazündeinrichtung 30 in die Brennkammer 16 vorragt. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Begriff „erdungs- bzw. masselos“ das Fehlen eines separaten Elements oder einer Struktur nahe der Plasmazündeinrichtung 30, die aus einem Material hergestellt ist, das mit einem elektrischen Massepfad elektrisch koppeln kann.
  • Eine Ausführungsform der Plasmazündeinrichtung 30 wird unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben und umfasst vorzugsweise eine einzige Elektrode 33, die in einem aus dielektrischem Material gebildeten Gehäuse 32 eingeschlossen ist, wobei die Elektrode 33 einen Spitzenteil 34 nahe einem zweiten Distalende 36 aufweist, das einem ersten Ende 35 gegenüberliegt, das mit dem Plasmazünd-Controller 50 elektrisch verbindet. In bestimmten Ausführungsformen ist der Spitzenteil 34 der Elektrode 33 im Gehäuse 32 eingebettet und hat eine Dicke, die innerhalb eines Bereichs zwischen 1 mm und 5 mm liegt. Die Plasmazündeinrichtung 30 liegt fest an einem Montageansatz 31 an. Der Montageansatz 31 steckt vorzugsweise schraubbar durch den Durchführungs-Durchbruch 19 im Zylinderkopf 18 und liegt daran so an, dass der Spitzenteil 34 der Elektrode 33 in die Brennkammer 16 vorragt. Die Elektrode 33 verbindet an ihrem ersten Ende 35 elektrisch mit den Plasmazünd-Controller 50. Der Plasmazünd-Controller 50 überwacht und steuert einen Betrieb der Plasmazündeinrichtung 30, wobei von einer Stromquelle 55, z.B. einer Batterie, bereitgestellte elektrische Leistung genutzt wird. Der Plasmazünd-Controller 50 verbindet elektrisch mit dem elektrischen Massepfad 44, wobei somit eine elektrische Masseverbindung zum Zylinderkopf 18 gebildet wird. Der Plasmazünd-Controller 50 ist dafür eingerichtet, einen elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die Plasmazündeinrichtung 30 anzulegen, um ein Plasmaentladungsereignis zu erzeugen.
  • Das Gehäuse 32 schafft eine dielektrische Barriere um die Elektrode 33 vorzugsweise so, dass die Länge der Elektrode 33 sich in die Brennkammer 16 erstreckt, wenn die Plasmazündeinrichtung 30 in einer Einbauposition im Zylinderkopf 18 ist. Schlechthin ist die Elektrode 33 durch das dielektrische Material vollständig eingekapselt. Das Gehäuse 32 kann in einer Kegelstumpfform ausgeführt sein, die sich in sich verengender Art und Weise in Richtung des Distalendes 36 verjüngt. Dieses Beispiel ist nicht beschränkend, und das dielektrische Gehäuse 32 kann in Bezug auf die Kontur des Distalendes 36 anders geformt und/oder konturiert sein. Das Distalende 36 kann zum Beispiel als ein konisches Ende, ein zylindrisches Ende, ein angeschrägtes zylindrisches Ende usw. geformt sein. Andere Querschnittsformen, z.B. ovale, rechteckige, hexagonale etc., können verwendet werden. Andere Ausführungen von masselosen Plasmazündeinrichtungen für eine dielektrische Barriere-Entladung können mit einem ähnlichen Effekt genutzt werden. Andere, nicht beschränkende Ausführungsformen von masselosen Plasmazündeinrichtungen für eine dielektrische Barriere-Entladung kann man in der internationalen Anmeldung Veröffentlichungsnummer WO 2015/130655 A1 mit internationalem Veröffentlichungsdatum vom 3. September 2015 finden, die dem Anmelder ebenfalls übertragen ist. Das dielektrische Material kann jedes beliebige geeignete dielektrische Material sein, das den Temperaturen und Drücken einer Motorbrennkammer standhalten kann. Beispielsweise kann das dielektrische Material ein Glas, Quarz oder ein keramisches dielektrisches Material wie etwa Aluminiumoxid hoher Reinheit sein.
  • Während jedes Plasmaentladungsereignisses legt der Plasmazünd-Controller 50 eine Hochfrequenzspannung an die Elektrode 33 an. In einem Beispiel kann der elektrische Puls hoher Frequenz und hoher Spannung eine Spitzen-Primärspannung von 100 V, Sekundärspannungen zwischen 10 und 70 kV, eine Dauer von 2,5 ms und eine Gesamtenergie von 1,0 J mit einer Frequenz nahe 1 Megahertz (MHz) aufweisen. Das Plasmaentladungsereignis erzeugt einen oder eine Vielzahl von Plasmaentladungsströmen 37, wie mit Verweis auf 4 am besten dargestellt ist, welche an dem Montageansatz 31 ihren Ursprung haben und sich in Richtung des Spitzenteils 34 ausbreiten. Die Plasmaentladungsströme 37 können sich über eine Oberfläche eines Längsabschnitts des dielektrischen Gehäuses 32 der Elektrode 33 in mehreren radialen Stellen ausbreiten und auf dem Distalende 36 bei oder nahe dem Spitzenteil 34 enden. Die Plasmaentladungsströme 37 interagieren mit der Zylinderladung und zünden diese, welche in der Brennkammer 16 verbrennt, um mechanische Leistung zu erzeugen. Die spezifischen Details der Ausführung der Plasmazündeinrichtung 30, ihrer Anordnung in der Brennkammer 16 und Betriebsparameter (Spitzenspannung, Frequenz und Dauer), die mit elektrischer Leistung und einer Zeitsteuerung einer Aktivierung während jedes Plasmaentladungsereignisses verbunden sind, sind anwendungsspezifisch und werden vorzugsweise ausgewählt, um gewünschte Verbrennungseigenschaften innerhalb der Brennkammer 16 zu erzielen. Die mehreren Plasmaentladungsströme 37 erzeugen eine große Entladungsfläche für eine effektive Flammenentwicklung in stöchiometrischen homogenen, mageren homogenen, fetten homogenen und/oder mager/fett-geschichteten und mageren gesteuerten Selbstzündungs-Verbrennungsanwendungen.
  • Der Motor 100 enthält ein Abgasrückführungs-(AGR-) System 70, das ein steuerbares AGR-Ventil zum Steuern einer Größenordnung eines Abgasstroms von dem Auslasssaugrohr 26 zum Einlasssaugrohr 24 enthält. Der ECM 60 ist dafür eingerichtet, mit einem Betrieb des Motors 100 verbundene Parameter zu überwachen und Befehlssignale zu senden, um Systeme und Aktuatoren des Motors 100 zu steuern, wie durch Linie 62 angegeben ist. Gemäß nicht beschränkenden Beispielen umfassen durch den ECM 60 gesteuerte Systeme die Systeme 21, 23 zur variablen Einlass- und Auslassventilbetätigung, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40, den Plasmazünd-Controller 50 und das AGR-System 70.
  • Der Motor 100 arbeitet je nach Betriebsbedingungen selektiv in einem einer Vielzahl von Verbrennungsmodi, wie mit Verweis auf 5 - 8 beschrieben wird. Die Offenbarung wird auf verschiedene Motorsysteme und Verbrennungszyklen angewendet. In einer Ausführungsform kann der Motor 100 funktionsfähig mit einer Vielzahl von Rädern verbunden sein, die auf einer oder mehreren Achsen eines (nicht dargestellten) Fahrzeugs angeordnet sind, um Zugkraft bereitzustellen. Beispielsweise kann der Motor 100 mit einem (nicht dargestellten) Getriebe verbunden sein, das wiederum die eine oder mehrere Achsen dreht. Der Motor 100 kann der Vielzahl von Rädern eine direkte Zugkraft wie etwa über das mit der einen oder mehreren Achsen verbundene Getriebe bereitstellen oder kann einem oder mehreren (nicht dargestellten) Elektromotoren Leistung bereitstellen, die wiederum der Vielzahl von Rädern eine direkte Antriebskraft bereitstellen können. In jedem Fall kann der Motor 100 dafür eingerichtet sein, einem Fahrzeug Leistung bereitzustellen, indem Kraftstoff verbrannt und chemische Energie in mechanische Energie umwandelt wird.
  • Der Motor 100 verwendet vorteilhafterweise eine Ausführungsform des Plasmazündsystems, das die masselose Plasmazündeinrichtung für eine Barriere-Entladung enthält, um eine stabile Verbrennung bei niedriger Temperatur bei hochverdünnten Betriebsbedingungen zu ermöglichen und somit eine Alternative zu einem Zündsystem mit Zündkerzen zu schaffen, die bei hohen Verbrennungsdrücken eine verdünnte Verbrennung bei niedriger Temperatur steigern kann, während eine robuste magere Verbrennung bei niedriger Temperatur erzielt wird.
  • 2 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsansicht eines einzelnen Zylinders für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern (Motor) 200, der einen Motorblock 12 umfasst, der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 28 definiert, die bewegliche Kolben 14 enthalten, von denen einer dargestellt ist. Der Motor 200 enthält ferner eine Ausführungsform der Plasmazündeinrichtung 30, die in Bezug auf eine Längsachse des Zylinderbohrung 28 mittig angeordnet ist, einschließlich eines Spitzenteils 34 der Plasmazündeinrichtung 30, der in die Brennkammer 16 vorragt. In dieser Ausführungsform ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 240 unter einem Winkel in Bezug auf eine Längsachse der Zylinderbohrung 28 untergebracht, um Kraftstoff in die Seite der Brennkammer 16 einzuspritzen. In allen anderen Aspekten sind der Motor 200 und die Plasmazündeinrichtung 30 analog zu dem Motor 100 und der Plasmazündeinrichtung 30, die unter Bezugnahme auf 1, 3 und 4 beschrieben wurden. Schlechthin sind die Motorausführungen in Verbrennungsmodi eines stöchiometrischen und mageren Betriebs wirksam, einschließlich Verbrennungsformaten, die eine Zündung mit sich ausbreitender Flamme, eine Kompressionszündung und eine flammenunterstützte Kompressionszündung einschließen.
  • In jeder der unter Bezugnahme auf 1 - 2 beschriebenen Ausführungsformen überwacht der ECM 16 Eingaben von Motor- und Fahrzeugsensoren, um Zustände von Motorparametern zu bestimmen. Der ECM 60 ist dafür eingerichtet, Bedienerbefehle, z.B. über ein Gaspedal und ein Bremspedal, zu empfangen, um eine Ausgangsdrehmomentanforderung zu bestimmen, aus der Motor-Steuerparameter und ein Motordrehmomentbefehl abgeleitet werden. Der ECM 60 führt darin gespeicherte Steuerungsroutinen aus, um Zustände für die Motor-Steuerparameter zu bestimmen, um die oben erwähnten Aktuatoren zu steuern, um eine Zylinderladung zu bilden, was ein Steuern einer Drosselstellung, einer Kompressorverstärkung, einer Plasmazünd-Zeitsteuerung, einer Pulsbreite einer Kraftstoffeinspritzung, die eine eingespritzte Kraftstoffmenge und Zeitsteuerung beeinflusst, einer AGR-Ventilstellung, um einen Strom umgewälzter Abgase zu steuern, und einer Zeitsteuerung und Phasenlage von Einlass- und/oder Auslassventilen einschließt. Eine Ventilzeitsteuerung und -phasenlage kann eine negative Ventilüberschneidung (NVO) und einen Hub einer Auslassventil-Wiederöffnung (in einer Strategie zur Abgasrückführung (engl. exhaust re-breathing strategy) und eine positive Ventilüberschneidung (PVO) umfassen. Mit einer Zylinderladung verbundene Motorparameter, die durch individuelle Motor-Steuerparameter beeinflusst werden, können ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis, eine Sauerstoffaufnahme, einen Motor-Massenluftstrom (MAF), einen Ladedruck (MAP) und einen Punkt für einen Bruchteil einer Masse-Verbrennung (engl. mass-burn-fraction point) (CA50-Punkt) einschließen. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann durch die Pulsbreite der Kraftstoffeinspritzung gesteuert werden und beeinflusst eine Kraftstoffmenge, die während jedes Motorzyklus in jede Brennkammer 16 eingespritzt wird. Der Massenluftstrom (MAF) und Ladedruck (MAP) des Motors werden durch Steuern einer NVO/PVO, einer elektronischen Drosselsteuerung und eines Turboladers (wenn verwendet) gesteuert und beeinflussen eine Größenorndung einer eingeschlossenen Luftmenge und eine Größenordnung von Restgasen in der Brennkammer 16. Die Sauerstoffaufnahme kann durch das AGR-Ventil gesteuert werden, das eine Größenordnung einer externen AGR während jedes Motorzyklus steuert. Die Motorparameter MAF, tatsächliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis, Sauerstoffaufnahme, MAP und CA50-Punkt können unter Verwendung von Sensoren direkt gemessen werden, aus anderen abgefühlten Parametern geschlussfolgert, geschätzt, vom Motormodellen oder auf andere Weise durch den ECM 60 dynamisch bestimmt werden.
  • Die Begriffe Controller, Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine beliebige oder verschiedene Kombinationen einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung(en) (ASIC), elektronischen Schaltung(en), zentralen Verarbeitungseinheit(en), z.B. Mikroprozessoren), und zugeordneten nicht-flüchtigen Speicherkomponente in der Form eines Speichers oder Speichervorrichtungen (Nurlesespeicher, programmierbarer Nurlesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplatte usw.). Die nicht-flüchtige Speicherkomponente kann maschinenlesbare Anweisungen in der Form eines oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, einer kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingabe/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen, einer Signalkonditionierungs- und Pufferschaltanordnung und anderer Komponenten speichern, auf die durch einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität zu liefern. Eine Eingabe/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen umfassen Analog/Digital-Wandler und zugehörige Vorrichtungen, die Eingaben von Sensoren überwachen, wobei solche Eingaben bei einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Antwort auf ein Auslöseereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, ein Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe meinen jede beliebige von einem Controller ausführbare Anweisungssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Jeder Controller führt eine Steuerungsroutine(n) aus, um gewünschte Funktionen bereitzustellen, einschließlich eines Überwachens von Eingaben von Abfühlvorrichtungen und anderer vernetzter Controller und eines Ausführens von Steuerungs- und Diagnoseanweisungen, um einen Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 100 Mikrosekunden während eines fortlaufenden Betriebs, periodisch ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen als Antwort auf ein Eintreten eines Auslöseereignisses ausgeführt werden. Eine Kommunikation zwischen Controllern und eine Kommunikation zwischen Controllern, Aktuatoren und/oder Sensoren kann unter Verwendung einer direkt verdrahteten Verknüpfung, einer vernetzten Kommunikationsbus-Verknüpfung 54, einer drahtlosen Verknüpfung oder einer anderen geeigneten Kommunikationsverknüpfung bewerkstelligt werden. Eine Kommunikation umfasst ein Austauschen von Datensignalen in jeder beliebigen geeigneten Form, einschließlich beispielsweise elektrischer Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetischer Signale über Luft, optischer Signale über optische Wellenleiter und dergleichen. Datensignale können Signale, die Eingaben von Sensoren repräsentieren, Signale, die Aktuatorbefehle repräsentieren, und Kommunikationssignale zwischen Controllern einschließen. Der Begriff „Modell“ bezieht sich auf einen prozessorbasierten oder von einem Prozessor ausführbaren Code und eine damit verbundene Kalibrierung, die eine physische Existenz einer Vorrichtung oder einen physikalischen Prozess simuliert. Wie hierin verwendet beschreibt der Begriff „dynamisch“ als Adjektiv und Adverb Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und durch ein Überwachen, oder auf andere Weise Bestimmen, von Zuständen von Parametern und ein regelmäßiges oder periodisches Aktualisieren der Zustände der Parameter während einer Ausführung einer Routine oder zwischen Iterationen einer Ausführung der Routine gekennzeichnet sind.
  • 5 zeigt graphisch bevorzugte Motor-Betriebsmodi, die mit Betriebsbedingungen der Motordrehzahl und -last zum Betreiben einer Ausführungsform des hierin unter Bezugnahme auf entweder 1 und 2 beschriebenen Motors verbunden sind, der eine Ausführungsform des Plasmazünd-Controllers 50 nutzt, der einen elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die Plasmazündeinrichtung 30 anlegt, um Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen. Die Motordrehzahl 502 wird auf einer horizontalen Achse angegeben, und eine Motorlast 504 wird auf einer vertikalen Achse angegeben. Ein flammenloser, gesteuerter Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600 wird vorzugsweise ausgewählt, wenn eine Ausgangsdrehmomentanforderung eine Niedriglast-Bedingung anzeigt. Details, die auf den flammenlosen, gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600 bezogen sind, werden mit Verweis auf 6 beschrieben. Ein flammenunterstützter, gesteuerter Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700 wird vorzugsweise ausgewählt, wenn eine Ausgangsdrehmomentanforderung eine Mittellast-Bedingung anzeigt. Details, die auf den flammenunterstützten, gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700 bezogen sind, werden mit Verweis auf 7 beschrieben. Ein Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung wird vorzugsweise ausgewählt, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Hochlast-Bedingung anzeigt. Details, die auf den Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung bezogen sind, werden mit Verweis auf 8 beschrieben.
  • 6 zeigt graphisch Motorparameter über einen einzigen Motorzyklus während eines Betriebs im flammenlosen, gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600. Die Motorparameter können vorteilhafterweise auf eine Ausführungsform des hierin unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen Motors 100, 200 angewendet werden, der eine Ausführungsform des Plasmazünd-Controllers 50 nutzt, der den elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die Plasmazündeinrichtung 30 anlegt, um Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40, 240 steuert bzw. die Systeme 21, 23 zur variablen Einlass- und Auslassventilbetätigung steuert. Der flammenlose, gesteuerte Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600 ist gekennzeichnet durch eine flammenlose Verbrennung bei niedriger Temperatur und eine gesteuerte volumetrische Kompressionszündung der Zylinderladung. Die Motorparameter umfassen ein Kraftstoffeinspritzereignis(se) und Plasmaentladungsereignis(se) während eines einzigen Motorzyklus, der einen Auslasshub 612, einen Einlasshub 614, einen Kompressionshub 616 und einen Expansionshub 618 umfasst, die alle im Zusammenhang mit Drehgraden 610 auf einer horizontalen Achse dargestellt sind. Das Kraftstoffeinspritzereignis, das durch einen Einspritzendpunkt 620 angegeben ist, und die Plasmaentladungsereignisse 630, 631, 632, 633 sind im Zusammenhang mit einer Ventilhubskala 601 und einer Zylinderdruckskala 606 dargestellt. Ein Auslassventilhub-Ereignis 602 ist dargestellt und mit einem Öffnen des Auslassventils verbunden, und ein Einlassventilhub-Ereignis 604 ist dargestellt und mit einem Öffnen des Einlassventils verbunden. Ein NVO-Ereignis 603 ist dargestellt und tritt zwischen dem Schließen des Auslassventils 22 und dem anschließenden Öffnen des Einlassventils 20 auf. Unter bestimmten Betriebsbedingungen können Ventilhubereignisse stattdessen einen eine PVO nutzenden Betrieb einschließen. Der Zylinderdruck umfasst eine erste Zylinderdruckspitze 607, die mit einem Zylinder-TDC während des NVO-Ereignisses 603 verbunden ist. Der Zylinderdruck umfasst auch eine zweite Zylinderdruckspitze 608, die mit einem Zylinder-TDC zwischen Kompressions- und Expansionshuben 616, 618 verbunden ist. Der Einspritzendpunkt 620 eines Kraftstoffeinspritzereignisses kann auf jeden beliebigen Punkt in einem Bereich einer Motordrehung 622 fallen, der mit dem NVO-Ereignis 603 verbunden ist. Der flammenlose, gesteuerte Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600 wird ausgeführt, um eine Verbrennung einer mageren Zylinderladung ohne eine sich ausbreitende Flamme zu erzielen. Der flammenlose, gesteuerte Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600 nutzt ein einziges Kraftstoffeinspritzereignis 620 mit einer Kraftstoffumformung und anschließende mehrere, sequentiell ausgeführte Plasmaentladungsereignisse 630, 631, 632, 633, um Radikale zu erzeugen, um eine Verbrennung und Leistungserzeugung zu bewerkstelligen. Dies beinhaltet ein überstöchiometrisches Arbeiten und Einfangen von Rückständen, indem die NVO genutzt wird oder indem eine Abgasrückführungsstrategie genutzt wird. Ergebnisse, die mit einem Betrieb im flammenlosen, gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 600 verbunden sind, zeigen, dass eine Verbrennungsinstabilität reduziert werden kann, was somit eine erhöhte Ladungsverdünnung gestattet, wenn die Plasmazündeinrichtung 30 genutzt wird, um mehrere Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen.
  • 7 zeigt graphisch Motorparameter über einen einzigen Motorzyklus während eines Betriebs im flammenunterstützten gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700. Die Motorparameter können vorteilhafterweise auf eine Ausführungsform des hierin mit Verweis auf 1 und 2 beschriebenen Motors 100, 200 angewendet werden, der eine Ausführungsform des Plasmazünd-Controllers 50 nutzt, der den elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die Plasmazündeinrichtung 30 anlegt, um Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 40, 240 steuert bzw. die Systeme 21, 22 zur variablen Einlass- und Auslassventilbetätigung steuert. Der flammenunterstützte Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700 ist gekennzeichnet durch eine flammenunterstützte Verbrennung und gesteuerte volumetrische Kompressionszündung der Zylinderladung. Die Motorparameter umfassen Kraftstoffeinspritzereignisse und Plasmaentladungsereignisse während eines einzigen Motorzyklus, der einen Auslasshub 712, einen Einlasshub 714, einen Kompressionshub 716 und einen Expansionshub 718 umfasst, die alle im Zusammenhang mit Drehgraden 710 auf einer horizontalen Achse dargestellt sind. Die Kraftstoffeinspritzereignisse 720, 721 und Plasmaentladungsereignisse 730, 731, 732, 733 und 734 sind im Zusammenhang mit einer Ventilhubskala 701 und einer Zylinderdruckskala 706 dargestellt. Ein Auslassventilhub-Ereignis 702 ist dargestellt und mit einem Öffnen des Auslassventils verbunden, und ein Einlassventilhub-Ereignis 704 ist dargestellt und mit einem Öffnen des Einlassventils verbunden. Ein PVO-Ereignis 703 ist dargestellt und gibt eine Überschneidung zwischen dem Öffnen des Einlassventils und dem anschließenden Schließen des Auslassventils an. Unter bestimmten Betriebsbedingungen können Einlass- und Auslassventilhub-Ereignisse stattdessen einen eine NVO nutzenden Betrieb einschließen. Der Zylinderdruck umfasst eine Zylinderdruckspitze 707, die mit einem Zylinder-TDC zwischen den Kompressions- und Expansionshuben 716, 718 verbunden ist. Der flammenunterstützte gesteuerte Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700 wird ausgeführt, um eine Verbrennung einer mageren Zylinderladung zu erzielen, indem eine Verbrennung mit einer mager-geschichteten Ladung gefolgt von einer Kompressionszündung eingeleitet wird, was somit eine magere Verbrennung bei niedrigen Verbrennungstemperaturen bewirkt. Der flammenunterstützte, gesteuerte Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700 nutzt ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis, das durch ein Einspritzende (EOI) 720 angegeben ist, und mehrere, sequentiell ausgeführte Plasmaentladungsereignisse 730, 731, 732 und 733, um Radikale zu erzeugen. Das EOI-Ereignis 720 kann zu jeder beliebigen Zeit innerhalb einer Periode 722, die um das PVO-Ereignis 703 herum angegeben ist, stattfinden, so dass das erste Kraftstoffeinspritzereignis nach einem Schließen des Auslassventils stattfindet. Ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis, das durch EOI 721 angegeben ist, und das nachfolgende Plasmaentladungsereignis 734 werden während des Endes des Kompressionshubs 716 ausgeführt, um eine Verbrennung und Leistungserzeugung zu bewirken.
  • Das Plasmaentladungsereignis 734 ist vorzugsweise drehmäßig eng mit EOI 721, das heißt innerhalb von 1 - 30 Grad einer Drehung nach dem Ende des EOI 721, gekoppelt. Das Plasmaentladungsereignis 734 wird zeitgesteuert, um eine gewünschte Verbrennungs-Phasenlage zu erzielen, die der Ausgangsdrehmomentanforderung nachkommt. Dies beinhaltet auch einen überstöchiometrischen Betrieb, wobei ein externes AGR aktiviert wird, um Rückstände zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen kann dies einen eine NVO nutzenden Betrieb einschließen. Ergebnisse, die mit einem Betrieb in dem flammenunterstützten, gesteuerten Kompressionszündungsmotor-Betriebsmodus 700 verbunden sind, zeigen, dass eine Verbrennungsinstabilität reduziert werden kann, was somit eine erhöhte Ladungsverdünnung gestattet, wenn die Plasmazündeinrichtung 30 genutzt wird, um mehrere Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen.
  • 8 zeigt graphisch Motorparameter über einen einzigen Motorzyklus während eines Betriebs in dem Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung. Die Motorparameter können vorteilhafterweise auf eine Ausführungsform des hierin unter Verweis auf 1 und 2 beschriebenen Motors 100, 200 angewendet werden, der eine Ausführungsform des Plasmazünd-Controllers 50 nutzt, der den elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die Plasmazündeinrichtung 30 anlegt, um mehrere Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen. Der Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung ist gekennzeichnet durch eine sich ausbreitende Flamme für eine Ladungszündung und -verbrennung. Die Motorparameter umfassen Kraftstoffeinspritzereignisse und Plasmaentladungsereignisse während eines einzigen Motorzyklus, der einen Auslasshub 812, einen Einlasshub 814, einen Kompressionshub 816 und einen Expansionshub 818 umfasst, die alle im Zusammenhang mit Drehgraden 810 auf der horizontalen Achse dargestellt sind. Die Kraftstoffeinspritzereignisse 820, 821 und Plasmaentladungsereignisse 830 und 831 sind im Zusammenhang mit einer Ventilhubskala 801 und einer Zylinderdruckskala 806 dargestellt. Ein Auslassventilhub-Ereignis 802 ist dargestellt und mit einem Öffnen des Auslassventils verbunden, und ein Einlassventilhub-Ereignis 804 ist dargestellt und mit einem Öffnen des Einlassventils verbunden. Ein PVO-Ereignis 803 ist dargestellt und gibt eine Überschneidung zwischen dem Öffnen des Einlassventils und dem anschließenden Schließen des Auslassventils an. Der Zylinderdruck umfasst eine Zylinderdruckspitze 807, die mit einem Zylinder-TDC zwischen den Kompressions- und Expansionshuben 816, 818 verbunden ist. Der Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung wird ausgeführt, um eine Verbrennung einer stöchiometrischen Zylinderladung mit einer sich ausbreitenden Flamme zu erzielen. Der Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung nutzt ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis 820 und mehrere, sequentiell ausgeführte Plasmaentladungsereignisse 830, 831, um Radikale zu erzeugen. Zwei Plasmaentladungsereignisse 830 und 831 sind dargestellt; aber es kann mehr Plasmaentladungsereignisse geben. Das erste Kraftstoffeinspritzereignis 820 findet vorzugsweise früh im Einlasshub 814 statt und kann, 821, vor oder nach den sequentiell ausgeführten Plasmaentladungsereignissen 830 und 831 stattfinden, um Radikale zu erzeugen. Das erste Kraftstoffeinspritzereignis 820 ermöglicht ein nahezu homogenes Gemisch. Ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis 822, das eine Schichtladung der Zylinderladung ermöglicht, und ein nachfolgendes zweites Plasmaentladungsereignis 832 werden während des Endes des Kompressionshubes 816 ausgeführt, um eine Verbrennung und Leistungserzeugung herbeizuführen.
  • Das zweite Plasmaentladungsereignis 832 ist vorzugsweise mit dem zweiten Kraftstoffeinspritzereignis 822 drehmäßig eng, z.B. innerhalb von 1 - 40 Grad einer Drehung nach dem Ende des zweiten Kraftstoffeinspritzereignisses 822, gekoppelt. Das Plasmaentladungsereignis 832 wird zeitgesteuert, um eine gewünschte Verbrennungs-Phasenlage zu erzielen, die der Ausgangsdrehmomentanforderung nachkommt. Dies schließt auch einen Betrieb unter Stöchiometrie ein, wobei ein externes AGR aktiviert wird, um Rückstände zu erzeugen, und das AGR kann bei oder nahe einer Verdünnung von 32 % in bestimmten Ausführungsformen liegen. In bestimmten Ausführungsformen kann dies stattdessen einen Betrieb in einem mageren Regime und eine Nutzung einer NVO einschließen. Ergebnisse, die mit einem Betrieb in dem Motor-Betriebsmodus 800 mit Flammenausbreitung verbunden sind, zeigen, dass eine Verbrennungsinstabilität reduziert werden kann, was somit eine erhöhte Ladungsverdünnung gestattet, wenn die masselose Plasmazündeinrichtung 30 für eine dielektrische Barriere-Entladung genutzt wird, um mehrere Plasmaentladungsereignisse zu erzeugen.

Claims (13)

  1. Verbrennungsmotor (100), umfassend: eine Brennkammer (16), die durch Zusammenwirken einer in einem Zylinderblock ausgebildeten Zylinderbohrung (28), eines Zylinderkopfs (18) und eines Kolbens (14) gebildet wird; ein Einlassventil (20) und ein Auslassventil (22), die im Zylinderkopf (18) angeordnet sind und dazu dienen, einen Gasstrom zur Brennkammer (16) zu steuern, und Systeme zur variablen Ventilbetätigung, die dazu dienen, Öffnungs- und Schließvorgänge des Einlassventils (20) und des Auslassventils (22) zu steuern; ein Kraftstoffeinspritzsystem, das eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (40) enthält, die angeordnet ist, um Kraftstoff in die Brennkammer (16) einzuspritzen; ein Plasmazündsystem, das mit einer masselosen Plasmazündeinrichtung (30) für eine Barriere-Entladung elektrisch verbunden ist, die in die Brennkammer (16) vorragt; und einen Controller (50), der dazu dient, einen Betrieb der Systeme zur variablen Ventilbetätigung, des Kraftstoffeinspritzsystems und des Plasmazündsystems als Antwort auf eine Ausgangsdrehmomentanforderung zu steuern, wobei der Controller (50) einen Anweisungssatz enthält, wobei der Anweisungssatz ausführbar ist, um: den Motor (100) zu steuern, um in einem Kompressionszündungs-Modus zu arbeiten, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern und das Plasmazündsystem zu steuern, um Plasmaentladungsereignisse auszuführen nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, das eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht; dadurch gekennzeichnet , dass (i) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor in einem flammenlosen Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass (ii) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass (iii) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenlosen Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass (iv) der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung die Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Vorsehens von Anweisungen, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um das Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, Plasmaentladungsereignisse auszuführen; oder dass (v) der Controller (50) einen Satz von Anweisungen, der ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten gesteuerten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Mittellast-Bedingung anzeigt, sowie Anweisungen enthält, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern eines Kraftstoffeinspritzsystems, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, mehrere Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und dann das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/KraftstoffVerhältnis erreichen; oder dass (vi) der Controller (50) einen Satz von Anweisungen, der ausführbar ist, um den Motor (100) in einem flammenunterstützten, gesteuerten Kompressionszündungs-Modus zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Mittelast-Bedingung anzeigt, sowie Anweisungen enthält, um die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, mehrere Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und dann das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/KraftstoffVerhältnis erreichen.
  2. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Abgasrückführungs-(AGR-) System, das ein steuerbares AGR-Ventil enthält.
  3. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 2, ferner umfassend den Controller (50), der dazu dient, einen Betrieb der Systeme zur variablen Ventilbetätigung, des Kraftstoffeinspritzsystems, des Plasmazündsystems und des AGR-Systems (70) als Antwort auf die Ausgangsdrehmomentanforderung zu steuern, wobei der Controller (50) einen Anweisungssatz enthält, wobei der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem Modus mit Flammenausbreitung zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Hochlast-Bedingung anzeigt, Anweisungen enthaltend, um das AGR-System (70) zu steuern, um die Zylinderladung zu verdünnen, die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei das erste Kraftstoffeinspritzereignis eine Zylinderladung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht.
  4. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 3, ferner umfassend den Anweisungssatz, der ausführbar ist, um während des Kompressionshubs ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Einspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreichen.
  5. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 2, ferner umfassend den Controller (50), der dazu dient, einen Betrieb der Systeme zur variablen Ventilbetätigung, des Kraftstoffeinspritzsystems, des Plasmazündsystems und des AGR-Systems (70) als Antwort auf die Ausgangsdrehmomentanforderung zu steuern, wobei der Controller (50) einen Anweisungssatz enthält, wobei der Anweisungssatz ausführbar ist, um den Motor (100) in einem Modus mit Flammenausbreitung zu steuern, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Hochlast-Bedingung anzeigt, Anweisungen enthaltend, um das AGR-System (70) zu steuern, um die Zylinderladung zu verdünnen, die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei das erste Kraftstoffeinspritzereignis eine Zylinderladung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht.
  6. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 5, ferner umfassend den Anweisungssatz, der ausführbar ist, um während des Kompressionshubs ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Einspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreichen.
  7. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei die masselose Plasmazündeinrichtung (30) für eine Barriere-Entladung eine Elektrode (33) umfasst, die in einem dielektrischen Material eingeschlossen ist, wobei die Elektrode (33) einen Spitzenteil (34) umfasst, der in dem dielektrischen Material eingeschlossen und in der Brennkammer (16) angeordnet ist.
  8. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei der Plasmazünd-Controller (50) mit einem mit dem Zylinderkopf (18) verbundenen elektrischen Massepfad elektrisch verbindet.
  9. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 1, wobei der Controller (50), der dazu dient, das Plasmazündsystem zu steuern, den Controller (50) umfasst, der dafür eingerichtet ist, einen elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die masselose Plasmazündeinrichtung (30) für eine Barriere-Entladung anzulegen.
  10. Verbrennungsmotor (100) nach Anspruch 9, wobei der Controller (50), der dafür eingerichtet ist, einen elektrischen Puls hoher Frequenz und hoher Spannung an die masselose Zündeinrichtung für eine Barriere-Entladung anzulegen, den Controller (50) umfasst, der dafür eingerichtet ist, einen elektrischen Puls mit einer Frequenz nahe 1 Megahertz bei einer Spannung in dem Bereich von 10 bis 70 Kilovolt an die masselose Plasmazündeinrichtung (30) für eine Barriere-Entladung anzulegen.
  11. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors (100), der ein Plasmazündsystem, ein System zur variablen Ventilbetätigung, ein Abgasrückführungs-(AGR-) System, das ein steuerbares AGR-Ventil einschließt, und ein Kraftstoffeinspritzsystem umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Installieren einer masselosen Plasmazündeinrichtung (30) für eine Barriere-Entladung an dem Motor (100), wobei ein Teil der Plasmazündeinrichtung (30) in eine Brennkammer (16) des Motors (100) vorragt und wobei die Plasmazündeinrichtung (30) mit dem Plasmazündsystem elektrisch verbindet; und Steuern des Motors (100) in einem flammenlosen Kompressionszündungs-Modus, wenn eine Ausgangsdrehmomentanforderung eine Niedriglast-Bedingung anzeigt, einschließlich: Steuern des AGR-Systems (70), um die Zylinderladung zu verdünnen, und Steuern des Systems zur variablen Ventilbetätigung, um einen Zustand einer negativen Ventilüberschneidung zu erreichen, Ausführen von Kraftstoffeinspritzereignissen, um eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen, und Steuern des Plasmazündsystems, um die Plasmazündeinrichtung (30) zu steuern, um mehrere Plasmaentladungsereignisse nach den Kraftstoffeinspritzereignissen auszuführen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Steuern des Motors (100) in einem flammenunterstützten Kompressionszündungs-Modus, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Mittellast-Bedingung anzeigt, einschließlich eines Steuerns der Systeme zur variablen Ventilbetätigung, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, eines Steuerns des Plasmazündsystems, um nach einem Steuern des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, mehrere Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und dann eines Steuerns des Kraftstoffeinspritzsystems, um ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und eines Steuerns des Plasmazündsystems, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei die ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzereignisse eine Zylinderladung mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreichen.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Steuern des Motors (100) in einem Modus mit Flammenausbreitung, wenn die Ausgangsdrehmomentanforderung eine Hochlast-Bedingung anzeigt, Anweisungen enthaltend, um das AGR-System (70) zu steuern, um die Zylinderladung zu verdünnen, die Systeme zur variablen Ventilbetätigung zu steuern, um einen Zustand einer positiven Ventilüberschneidung zu erreichen, das Plasmazündsystem zu steuern, um Plasmaentladungsereignisse auszuführen, und das Kraftstoffeinspritzsystem zu steuern, um zumindest ein Kraftstoffeinspritzereignis auszuführen, und das Plasmazündsystem zu steuern, um während eines Kompressionshubs ein weiteres Plasmazündereignis auszuführen, wobei das zumindest eine erste Kraftstoffeinspritzereignis eine Zylinderladung mit einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht.
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