DE19943132A1

DE19943132A1 - Air Flow Management System For An Internal Combustion Engine

Info

Publication number: DE19943132A1
Application number: DE19943132A
Authority: DE
Inventors: Randall R Richards; Ashok A Chanda; John T Vachon
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2000-03-30

Abstract

Ein Verfahren und ein System für das Luftflußmanagement innerhalb eines Verbrennungsmotors wird offenbart. Das Luftflußmanagementsystem weist eine Einlaßlufttrennvorrichtung auf, wie beispielsweise eine selektiv durchlässige Membranvorrichtung, die innerhalb des Einlaßluftsystems angeordnet ist, und geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stockstoffangereicherter Luft aufzuteilen. Das Luftflußmanagementsystem weist auch eine Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft auf, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem oder mehreren Sauerstoffeinleitungspunkten erstreckt, und eine Flußschaltung für stickstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem oder mehreren Stickstoffeinleitungspunkten erstreckt. Das Luftflußmanagementsystem weist auch verschiedene Flußsteuervorrichtungen auf, und eine Motorsteuervorrichtung, die geeignet ist, um die Verwendung der sauerstoffangereicherten Luft und der stickstoffangereicherten Luft ansprechend auf ausgewählte Motorbetriebszustände zu steuern. Die offenbarten Anwendungen von sauerstoffangereicherter Luft innerhalb des Luftflußmanagementsystems weisen die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer während des Expansionshubes auf, die Anwendung von sauerstoffangereicherter Luft in einer Partikelteilchenregenerierungsfalle und die Anwendung bzw. Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft ...

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luftfluß managementsystem für einen Verbrennungsmotor, und insbe sondere sieht das vorliegende Luftflußmanagementsystem die spezielle Anwendung von sauerstoffangereicherter Luft und von stickstoffangereicheter Luft vor, um die Motorver schmutzung zu verringern und die Motorleistung zu stei gern.

Technischer Hintergrund

In den letzten Jahren sind Hersteller von Verbrennungsmo toren mit immer weiter steigenden Regulierungsanforderun gen konfrontiert worden. Diese Anforderungen sind haupt sächlich auf zwei Aspekte der Motorleistung gerichtet ge wesen, nämlich auf Brennstoffeinsparung und Abgasemissio nen. Abgasemissionen nehmen eine Anzahl von Formen an, einschließlich Partikelstoffen und Stickoxiden (NOx). Wie in der Technik allgemein bekannt, bestehen Partikelstoffe hauptsächlich aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Ruß, während NOx eine ungewisse Mischung von Stickoxiden (hauptsächlich NO und ein Teil NO₂) sind. Unterschiedli che Formen von Luftflußmanagementsystemen sind verwendet worden, um diese Charakteristiken zu verbessern.

Ein wohlbekanntes Verfahren zur Verringerung des Brenn stoffverbrauches ist es, die Luftmenge im Zylinder zu steigern. Typischerweise ist dies durch Unterdrucksetzen der Luft durchgeführt worden, die in die Brennkammer ein geführt wird. Das Hauptziel dieses Unterdrucksetzens ist es, den zur Verbrennung verfügbaren Sauerstoff zu stei gern. Andere haben die Konzentration des Sauerstoffes in der Verbrennungsluft unter Verwendung von Lufttrenntech niken gesteigert. Es sei beispielsweise hingewiesen auf das US-Patent 5,649,517 (Poola und andere) ausgegeben am 22. Juli 1997, welches die Anwendung einer halbdurchläs sigen bzw. semi-permeablen Gasmembran offenbart, um einen Teil des Stickstoffes aus dem Einlaßluftfluß zu entfer nen, um eine sauerstoffangereicherte Luftversorgung zu erzeugen. Es sei auch hingewiesen auf das US-Patent 5,526,641 (Sekar und andere) und 5,640,845 (Ng und ande re) die ähnliche Lufttrennungstechniken zur Erzeugung von sauerstoffangereicherter Luft genauso wie von stick stoffangereicherter Luft offenbaren. Eine weitere Offen barung bezüglich damit verwandter Technik von Interesse ist das US-Patent 5,553,591 (Yi) ausgegeben am 10. Sep tember 1996, die ein Verwirbelungslufttrennsystem zur Er zeugung von sauerstoffangereicherter Einlaßluft zeigt, um die während der Verbrennung erzeugte Leistung zu stei gern. Die Einleitung von sauerstoffangereicherter Einlaß luft während des Einlaßhubes erleichtert die Verbrennung eines größeren Teils des eingespritzten verfügbaren Brennstoffes, was wiederum die Leistungsausgabe für jeden Verbrennungszyklus oder die Ladung steigert, und im all gemeinen den spezifischen Übergangs- bzw. Durchschnitts brennstoffverbrauch (BSFC = break specific fuel consump tion) verringert. Ein niedrigerer BSFC steht stark im Zu sammenhang mit der Verringerung von unverbranntem Brenn stoff.

Die Manipulation oder Steuerung des Luftflußsystems in nerhalb eines Motors ist auch zum Zwecke der Verringerung von Emissionen wie beispielsweise von Partikeln und NOx versucht worden. Die meisten während des Verbrennungszy kluses erzeugten Partikel bilden sich relativ früh im Verbrennungszyklus, jedoch verbrennen solche sich früh formenden Partikel gewöhnlicherweise, wenn die Temperatur und der Druck während des Verbrennungszykluses steigen. Die Partikel, die typischerweise in den Abgasstrom ein treten, tendieren dazu, sich im späteren Teil des Ver brennungszykluses zu bilden, wenn der Druck und die Tem peratur abnehmen. Zusätzlich zum sinkenden BSFC dient die Steigerung des Einlaßluftsauerstoffgehaltes dazu, die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu reduzieren, und zwar durch Steigerung der Wahrscheinlichkeit der vollständigen Verbrennung.

Die Nachbehandlung von Abgas ist bei der Verringerung der Menge von unverbranntem Kohlenwasserstoff nützlich. Nach behandlungsverfahren unternehmen Schritte, um die Oxida tion der unverbrannten Kohlenwasserstoffe fortzuführen. Eine Weise ist die Einleitung einer sekundären Luftver sorgung in den Abgasstrom. Dieser sekundäre Luftstrom liefert mehr Sauerstoff an das schon auf hoher Temperatur befindliche Abgas, was eine weitere Oxidation sicher stellt. Während die Anwendung von Sekundärluft bei der Eliminierung von Partikeln wirksam ist, erzeugt ein Se kundärluftsystem eine höhere Temperatur im Abgassystem. Die Auslegung des Abgassystems auf diese höheren Tempera turen erfordert, daß die Komponenten der heißeren Umge bung widerstehen können. Diese Komponenten sind oftmals schwerer, teurer oder erfordern häufigere Instandhaltung.

Während die Partikelerzeugung im allgemeinen zusammen mit dem Brennstoffverbrauch sinkt, steigt die NOx-Erzeugung im allgemeinen. NOx bildet sich, wenn sich Stickstoff bei einer hohen Temperatureinstellung mit übermäßigem Sauer stoff vermischt, welcher nicht im Verbrennungsprozeß ver wendet wurde. Während somit übermäßiger Sauerstoff und hohe Verbrennungstemperaturen bei der Verringerung des Brennstoffverbrauches nützlich sind, ist eine solche Kom bination schädlich bezüglich der gesteigerten NOx-Bil dung. Dieser Konflikt führt im allgemeinen dazu, daß Mo torhersteller genau die NOx-Erzeugung mit dem BSFC bzw. dem durchschnittlichen Brennstoffverbrauch und den Parti kelteilchen ausbalancieren, um die Emissionsregeln zu er füllen. Die vorliegende Erfindung löst zumindest teilwei se den fortgesetzten Konflikt zwischen der Verringerung der Partikel, der Verringerung von NOx und der Verringe rung des durchschnittlichen Verbrauches bzw. BSFC.

Die Abgasrückzirkulation (EGR = Exhaust Gas Recirculati on) ist eine Art des Luftflußmanagements, welches gegen wärtig im Gebrauch ist, um die NOx-Bildung innerhalb des Verbrennungszylinders zu verringern. Die Abgasrückzirku lation verringert die verfügbare Sauerstoffmenge zur Bil dung von NOx. Durch Verringerung der Sauerstoffmenge wird der Verbrennungsprozeß auch verlangsamt, wodurch die Spitzentemperaturen in der Brennkammer verringert werden. Abgasrückzirkulationssysteme verwenden typischerweise Ab gas, jedoch zeigt Poola die Verwendung einer angereicher ten Stickstoffquelle anstelle von Abgas, um Sauerstoff in der Brennkammer zu ersetzen. Der angereicherte Stickstoff ist sowohl reiner als auch kühler als Abgas.

Genauso wie die Verringerung der Partikelteilchen können NOx-Emissionen unter Verwendung von verschiedenen Nachbe handlungsverfahren verringert werden. Beispielsweise zei gen die Veröffentlichungen von Poola und anderen, Sekar und anderen und Ng. und anderen, alle ein Nachbehandlungs system, welches eine angereicherte Stickstoffversorgung zu Verringerung von NOx verwendet. Wie dort offenbart, ist die angereicherte Stickstoffversorgung einer Funken quelle zur Bildung von Stickstoffplasma ausgesetzt. Die Einleitung des Stickstoffplasmastroms in den Abgasstrom hat eine chemische Reaktion zur Folge, die Stickstoffgas und Sauerstoffgas bildet.

Aus der obigen Besprechung scheint es wohlbekannt, daß sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte Luft eine Anzahl von vorteilhaften Anwendungen in einem Verbrennungsmotor und insbesondere in einem Dieselmotor haben. Jedoch sind diese Anwendungen nicht immer gegen teilig. Auch die Erzeugung von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangereicherter Luft erfordert Energie. Diese Energieanforderungen setzen der Verfügbarkeit von angereicherter Luft eine Grenze. Genauso wie irgendeine begrenzte Quelle muß die angereicherte Luft wirkungsvoll eingeteilt werden. In diesem Fall muß das Luftflußmanage mentsystem Leistungsanforderungen, Partikelbildung und NOx-Erzeugung im Lichte der Emissionsregelungen und der Bedieneranforderung priorisieren. In den meisten Situa tionen kann ein Faktor (beispielsweise Leistung, Partikel oder NOx) über die anderen Faktoren dominieren. Was daher benötigt wird, ist ein Luftflußmanagementsystem, welches effektiv die Emissionen und die Brennstoffverbrauchsan forderungen eines Verbrennungsmotors wie beispielsweise eines Dieselmotors ausbalanciert. Beispielsweise können unter gewissen Betriebsumständen die NOx-Emissionen unter Verwendung von Stickstoff anstelle von Abgas in einem Ab gasrückführungssystem verringert werden, oder durch Ver wendung von Stickstoff innerhalb des Nachbehandlungsver fahrens, oder durch beides. Bei anderen Gelegenheiten könnte angereicherter Sauerstoff erforderlich sein, um entweder die Leistung zu steigern oder Partikel zu sen ken. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung kann als ein Luftflußmanage mentsystem für einen Verbrennungsmotor gekennzeichnet werden, welches eine Einlaßlufttrennvorrichtung aufweist, die innerhalb des Einlaßluftsystems angeordnet ist und geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaß luft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft zu trennen. Das Luftflußmanagementsystem weist auch eine Flußschal tung für sauerstoffangereicherte Luft auf, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem oder mehreren Sauerstoffeinleitungspunkten erstreckt, und eine Schal tung für stickstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem oder mehreren Stick stoffeinleitungspunkten erstreckt. Innerhalb der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft und der Fluß schaltung für stickstoffangereicherte Luft gibt es eine oder mehrere Flußsteuervorrichtungen, die geeignet sind, um die angereicherte Luft zu ausgewählten Einleitungs punkten zu leiten. Das Luftflußmanagementsystem weist auch eine Steuervorrichtung auf, die betriebsmäßig mit den Flußsteuervorrichtungen gekoppelt ist und geeignet ist, um die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangereicherter Luft ansprechend auf ausge wählte Motorbetriebszustände zu steuern.

In dem offenbarten Ausführungsbeispiel weist die Einlaß lufttrennvorrichtung eine selektiv permeable Membranvor richtung auf, die geeignet ist, um Stickstoff von der Einlaßluft zu trennen, und stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Auslaß und sauerstoffangereicherte Luft bei einem zweiten Auslaß zu erzeugen. Die Einlaßluft trennvorrichtung weist auch einen Einlaßluftantrieb auf, der geeignet ist, um die Einlaßluft durch die selektiv durchlässige Membranvorrichtung zu drücken.

Die verschiedenen Anwendungen von sauerstoffangereicher ter Luft innerhalb des Luftflußmanagementsystems weisen die Einleitung der sauerstoffangereicherten Luft in die Brennkammer während des Expansionshubes auf, die Einlei tung von sauerstoffangereicherter Luft in eine Partikel teilchenregenerierungsfalle, und die Einleitung von sau erstoffangereicherter Luft zurück in das Einlaßluftsy stem. Genauso weisen die verschiedenen Anwendungen von stickstoffangereicherter Luft innerhalb des Luftflußmana gementsystem die Einleitung von stickstoffangereicherter Luft in das Lufteinlaßsystem anstelle der Rezirkulation von Abgasen auf, und die Einleitung von stickstoffange reicherter Luft in ein Nachbehandlungsuntersystem.

Die Erfindung kann auch als ein Verfahren zur Steuerung des Luftflusses in einem Verbrennungsmotor charakteri siert werden, welches folgende Schritte aufweist: (a) Auftrennen eines Teils der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stick stoffangereicherter Luft; (b) Leiten der sauerstoffange reicherten Luft zu ausgewählten Sauerstoffeinleitungs punkten; (c) Leiten der stickstoffangereicherten Luft zu ausgewählten Stickstoffeinleitungspunkten; und (d) Steue rung des Flusses der sauerstoffangereicherten Luft zu den ausgewählten Sauerstoffeinleitungspunkten und des Flusses von stickstoffangereicherter Luft zu den ausgewählten Stickstoffeinleitungspunkten ansprechend auf ausgewählte Motorbetriebsparameter.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden speziel leren Beschreibung davon offensichtlich, die in Verbin dung mit den beigefügten Zeichnungen dargelegt wird, wo bei die Figuren folgendes abbilden:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungs motors, der das Luftflußmanagementsystem gemäß der vorliegenden Erfindung vorsieht;

Fig. 2 eine detailliertere Ansicht einer Brennkammer und eines Luftflußmanagementsystems des Motors der Fig. 1 und die Einleitung von sauer stoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät im Verbrennungszyklus.

Fig. 3 eine Kurvendarstellung eines typischen Zylin derdruckes gegenüber der Zylinderlage für den Motor der Fig. 1, die weiter graphisch die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbrennungszyklus abbildet;

Fig. 4 eine Kurvendarstellung einer typischen Zylin dertemperatur gegenüber der Kolbenlage für den Motor der Fig. 1, die weiter graphisch die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbrennungszyklus abbildet;

Fig. 5 eine graphische Simulation des NOx-Gehaltes in nerhalb eines Zylinders gegenüber der Kolbenla ge, die weiter die Effekte der Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbren nungszyklus abbilden;

Fig. 6 eine graphische Simulation des Rußgehaltes in nerhalb eines Zylinders gegenüber der Kolbenla ge, die weiter die Effekte der Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbren nungszyklus abbildet; und

Fig. 7 eine graphische Simulation des in einen Zylin der eingespritzten und verbrannten Brennstoffes gegenüber der Kolbenlage, die weiter die Effek te der Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbrennungszyklus abbildet.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Kom ponenten in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung

Die vorliegende Beschreibung handelt vom besten Weg, der gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung in Betracht ge zogen wird. Diese Beschreibung soll nicht im einschrän kenden Sinne aufgenommen werden sondern ist nur zum Zwecke der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfin dung gedacht. Der Umfang und die Breite der Erfindung sollten mit Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Luftflußmanage mentsystems 10 für einen Verbrennungsmotor gezeigt, der ein Lufteinlaßsystem besitzt, welches eine Einlaßluftlei tung 12, eine Einlaßsammelleitung 14, einen Abgas getrie benen Turbolader 16, einen Luft-Luft-Nachkühler (ATAAC = air to air aftercooler) 18 aufweist, weiter ein Abgassy stem, welches eine Abgassammelleitung 20 aufweist, eine primäre Abgasleitung 22 und optional eine Abgasrückzirku lations- (EGR-) Leitung 24, einen EGR-Kühler 26, eine Partikelfalle 28 und ein Nachbehandlungsuntersystem 30; und einen Hauptverbrennungsabschnitt 32, der unter ande ren Elementen eine Vielzahl von Verbrennungszylindern aufweist, die jeweils eine (nicht gezeigte) damit assozi ierte Brennstoffeinspritzvorrichtung besitzen, einen Ein laßanschluß, ein Einlaßventil, einen Auslaßanschluß, ein Auslaßventil und einen hin und her beweglichen Kolben, der innerhalb des Zylinders bewegbar ist, um die Brenn kammer 34 zu definieren. Der Motor weist auch ein Motor steuermodul (ECM = engine control module) 36 auf, um be triebsmäßig die Brennstoffeinspritzung und die Luftsy stemventilvorgänge zu steuern, und zwar ansprechend auf einen oder mehrere gemessene Motorbetriebsparameter, die als Eingangsgrößen für das elektronische Steuermodul 36 verwendet werden. Ein Verbrennungsmotor kann in einer An zahl von unterschiedlichen Motorkonfigurationen erschei nen, wie beispielsweise "Reihenmotoren" und "V-Motoren". Das offenbarte Einlaßluftmanagementsystem ist ungeachtet der Motorkonfiguration betreibbar.

Wie in Fig. 1 zu sehen, ist die Einlaßluftleitung 12 in Flußverbindung mit dem Einlaßlufteingang 40, dem Kompres sor 42 des abgasbetriebenen Turboladers 16 und dem ATAAC 18. obwohl das vorhandene Einlaßluftflußmanagementsystem 10 in Verbindung mit einem turbogeladenen Dieselmotor ge zeigt ist, ist das offenbarte System gleichfalls bei an deren supergeladenen bzw. überladenen Motoren nützlich, wie beispielsweise COMPREX-Motoren. Die Einlaßsammellei tung 14 ist mit einem Ende der Einlaßluftleitung 12 und einer Abgasrückführungsleitung 24 verbunden. Ein Einlaß drucksensor 50 ist in der Einlaßsammelleitung gelegen und liefert Druckdaten an das elektronische Steuermodul 36. Andere Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren und (nicht gezeigte) Sauerstoffsensoren können auch in nerhalb des Einlaßluftsystems vorgesehen werden und ge nauso mit dem elektronischen Steuermodul 36 gekoppelt werden. Zusätzlich können verschiedene andere Vorrichtun gen wie beispielsweise Filter, Ventile, Betätigungsvor richtungen, Bypass- bzw. Umgehungsleitungen usw. inner halb des Einlaßluftsystems vorgesehen werden, obwohl die se nicht gezeigt sind. Irgendwelche solche Betriebskompo nenten, wie beispielsweise Ventile und Betätigungsvor richtungen werden vorzugsweise mit dem elektronischen Steuermodul 36 gekoppelt und arbeiten ansprechend auf ausgewählte Motorbetriebsparameter oder -zustände.

Das Abgassystem weist eine Abgassammelleitung 20 auf, die geeignet ist, um Abgase aufzunehmen, die aus jeder der Brennkammern 34 herausgetrieben werden, und es kann wie in Fig. 1 veranschaulicht ein Abgasrückführungssystem aufweisen, welches die Abgasrückführungsleitung 24 auf weist, die mit dem Abgassystem über das Einlaßluftsystem des Motors verbunden ist, ein Abgasrückführungsventil 52, einen Abgasnickführungskühler 26 und andere Elemente, die gewöhnlicherweise bei Abgasrückführungssystemen zu finden sind, wie beispielsweise Fallen, Filter, Umgehungsleitun gen usw. Genauso weist das veranschaulichte Ausführungs beispiel ein Nachbehandlungsuntersystem 30 auf, wie bei spielsweise ein Plasmakathalysesystem zur Verringerung von NOx-Emissionen.

Das Luftflußmanagementsystem 10 weist eine Einlaßluft trennvorrichtung 60 auf, die innerhalb des Einlaßluftsy stems des Motors angeordnet ist, welches zur Trennung ei nes Teils der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffan gereicherter Luft 62 und einen Fluß von stickstoffange reicherter Luft 64 geeignet ist. Das Luftflußmanagement system 10 weist weiter eine Leitung 60 für sauerstoffan gereicherte Luft auf, über eine Schaltung, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung 60 zu verschiedenen Sauer stoffeinleitungsstellen erstreckt, wie beispielsweise die Brennkammer 34, während die Einlaßsammelleitung 14 umlüf tet wird. Leitungen 67, für sauerstoffangereicherte Luft können sich auch von der Einlaßlufttrennvorrichtung 60 zum Einlaßluftsystem (für zusätzlichen Sauerstoff) oder zum Auslaßsystem (zur Regeneration von Partikelfallen) erstrecken. Zusätzlich könnten Leitungen 68 für stick stoffangereicherte Luft oder Schaltungen, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung 60 zum Einlaßluftsystem (anstelle des Abgasrückführungs- bzw. EGR-Gases) und/oder zum Nachbehandlungssystem 30 erstrecken, vorgesehen wer den. Eine oder beide der Schaltungen für angereicherte Luft kann auch einen Luftraum 70 aufweisen oder eine an dere Ansammlungsvorrichtung, so daß die sauerstoffange reicherte Einlaßluft oder die stickstoffangereicherte Luft auf Verlangen zur entsprechenden Stelle eingespritzt werden kann. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist die Schaltung 66 für sauerstoffangereicherte Luft, die zu den Brennkam mern führt, in Flußverbindung mit einem sauerstoffange reicherten Luftraum 70. Zusätzlich weisen sowohl die Schaltungen 66, 67 für sauerstoffangereicherte Luft ge nauso wie die Schaltungen 68 für stickstoffangereicherte Luft eine oder mehrere Flußsteuervorrichtungen oder Ven tile 72, 74 auf, die ansprechend auf die vom elektroni schen Steuermodul 36 empfangenen Signale betätigt werden. Die innerhalb der Schaltung für sauerstoffangereicherte Luft gelegenen Ventile 72 steuern den Fluß von sauer stoffangereicherter Luft in die Brennkammer. Genauso steuern die innerhalb der Schaltungen für stickstoffange reicherte Luft gelegenen Steuerventile 74 den Fluß von stickstoffangereicherter Luft in die Abgasrückführungs leitung, das Nachbehandlungssystem oder beides. Jedes der Flußsteuerventile 72, 74, welches innerhalb der Schaltung für sauerstoffangereicherte Luft und der Schaltung für stickstoffangereicherte Luft gelegen ist, wird betriebs mäßig durch das elektronische Steuermodul 36 ansprechend auf ausgewählte Motorbetriebsparameter oder -zustände ge steuert.

Insbesondere wird Einlaßluft, die durch die Einlaßluft leitung 12 läuft durch eine Luftleitung 80 in eine Lufttrennvorrichtung 60 aufgeteilt. Die Lufttrennvorrich tung 60 hat eine Sauerstoffseite und eine Stickstoffsei te. In Fig. 1 verwendet die Lufttrennvorrichtung vor zugsweise eine selektiv durchlässige Trennmembran 82, wie in den US-Patenten 5,649,517 (Poola und andere); 5,526,641 (Sekar und andere); 5,640,845 (Ng und andere) und 5,147,417 (Nemser) offenbart, um die Einlaßluft in getrennte Flüsse von sauerstoffangereicherter Luft (von der Sauerstoffseite) und stickstoffangereicherter Luft (von der Stickstoffseite) zu trennen. Alternativ wird in Betracht gezogen, daß die Lufttrennvorrichtung 60 einen Verwirbelungsseparator oder andere Lufttrennungsmittel aufweisen könnte.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Gebläse 86 in der Lufttrennleitung 80 angeschlossen, und zwar zwischen der Einlaßluftleitung 12, und dem Einlaß der Lufttrenn vorrichtung 60, um durch Kraft die Einlaßluft zur Luft trennvorrichtung 60 zu bewegen. Das elektronische Steuer modul 36 steuert betriebsmäßig das Gebläse. Eine Leitung 66, 67 für sauerstoffangereicherte Luft tritt aus der Sauerstoffseite der Lufttrennvorrichtung aus und tritt optional in eine Vakuumpumpe 90 ein. Das elektronische Steuermodul 36 steuert auch betriebsmäßig die Vakuumpumpe 90, falls sie verwendet wird. Ein optionaler Sauer stoffsensor ist in der Leitung für sauerstoffangereicher te Luft angeordnet, und zwar zwischen der Vakuumpumpe und der Lufttrennvorrichtung. Obwohl hier veranschaulicht wird, daß man ein Gebläse 86 und eine Vakuumpumpe 90 ver wendet, wird in Betracht gezogen, daß das hier offenbarte Luftflußmanagementsystem einen Turboladerkompressor oder andere Antriebsmittel verwenden könnte, um die notwendige Druckdifferenz zu erzeugen, die gegenwärtig durch die Kombination des Gebläses 86 und der Vakuumpumpe 90 er zeugt wird.

Nach dem Austritt aus der Vakuumpumpe 90 steht die Lei tung 66 für sauerstoffangereicherte Luft mit einer Sauer stoffsammelleitung oder einem Luftraum 70 in Verbindung. Ein Entlastungsventil 73 ist in oder nahe der Sauer stoffsammelleitung angeordnet, um ein übermäßiges Unter drucksetzen zu verhindern. Jede Brennkammer 34 ist mit dem Sauerstoffluftraum 70 über eine Leitung 66 für sauer stoffangereicherte Luft verbunden. Der Fluß der sauer stoffangereicherten Luft zu jeder Brennkammer 34 wird mittels einem oder mehreren Sauerstoffschubventilen 92 oder ähnlichen solchen Flußsteuervorrichtungen gesteuert, wie die anderen Flußsteuervorrichtungen innerhalb des Sy stems betriebsmäßig durch das elektronische Steuermodul 36 gesteuert werden. Der auf die sauerstoffangereicherte Luft aufgebrachte Boost- bzw. Schubdruck muß ausreichend sein, um ein vorgeschriebenes Volumen von sauerstoffange reicherter Luft in jede Brennkammer 34 vorzugsweise spät im Verbrennungszyklus einzuspritzen.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer Brennkammer 34 und eines Luftflußmanagementsystems 10 des oben beschriebenen und in Fig. 1 gezeigten Motors. Das offenbarte Ausführungs beispiel zeigt einen Auslaßanschluß 93, ein Auslaßventil 94, einen Einlaßanschluß 95 und ein Einlaßventil 96 in einem Zylinderkopf 97 und einem Kolben 98. Zusätzlich hat der Zylinderkopf 97 einen Sauerstoffanschluß 99, um sau erstoffangereicherte Luft 62 entweder während des Einlaß hubes oder vorzugsweise spät im Verbrennungszyklus zu liefern. Der Sauerstoffanschluß 99 ist mit den Leitungen 66 für sauerstoffangereicherte Luft und mit der Sauer stoffseite der Luftflußtrennvorrichtung 60 gekoppelt. Die Leitungen 66 für sauerstoffangereicherte Luft, die mit jedem Zylinder assoziiert sind, weisen vorzugsweise Sau erstoffboost- bzw. Sauerstoffschubventile 92 auf, die zwischen dem Luftraum 70 und dem Sauerstoffanschluß in dem jeweiligen Zylinderkopf der Brennkammer 34 angeordnet sind. Während das vorliegende Ausführungsbeispiel den Sauerstoffanschluß 99 oben auf dem Zylinder zeigt, kann der Sauerstoffanschluß weiter unten an der Brennkammer wand 100 gelegen sein, um den Einfluß von den höheren Zy linderdrücken und -temperaturen zu erleichtern. Jedes Sauerstoffschubventil 92 wird von dem (nicht gezeigten) elektronischen Steuermodul 36 gesteuert und ist damit verbunden.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist die Stickstoffseite der Lufttrennvorrichtung 60 mit dem Einlaßluftsystem und/oder der Einlaßsammelleitung 14 durch eine Leitung 68 für stickstoffangereicherte Luft verbunden. Ein (nicht ge zeigter) optionaler Sauerstoffsensor ist in der Leitung 68 für stickstoffangereicherte Luft angeordnet. Der (nicht gezeigte) Sauerstoffsensor kann verwendet werden, um eine Eingangsgröße an das elektronische Steuermodul 36 zu liefern, um optional das Luftflußmanagementsystem 10 zu steuern. Eine zweite Leitung 68 für stickstoffangerei cherte Luft verbindet die Stickstoffseite der Lufttrenn vorrichtung 60 mit einer vorgeschriebenen Stelle in der Abgasleitung 22, um die Anwendung von stickstoffangerei cherter Luft 64 innerhalb eines Nachbehandlungsuntersy stems 30 zu gestatten. Ein Stickstoffsteuerventil 74 ist in einer oder beiden der Leitungen 68 für stickstoffange reicherte Luft angeordnet, und ist betriebsmäßig mit dem elektronischen Steuermodul 36 verbunden und wird dadurch unter Verwendung von verschiedenen Steuerstrategien ge steuert.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung ist ein Luftflußmanagementsy stem, welches wirkungsvoll die Anwendung von Sauerstoff und Stickstoff steuert, die in der Einlaßluft verfügbar sind. Das elektronische Steuermodul verwendet verschiede ne Motorbetriebsparameter und wahlweise Sauerstoffkonzen trationen in der Einlaßluftleitung, in der Leitung für sauerstoffangereicherte Luft und den Leitungen für stick stoffangereicherte Luft, um die Verwendung von Sauerstoff und Stickstoff anzuordnen. Die Verwendung von sauer stoffangereicherter Luft sieht die Einleitung in den Mo tor als Verbrennungsluft für gesteigerte Leistung vor, die Einleitung in die Brennkammer spät im Verbrennungszy klus, um Partikelteilchen zu verringern, um Fallen für Partikelteilchen zu regenerieren, und für die Speicherung von sauerstoffangereicherter Luft in dem Luftraum für sauerstoffangereicherte Luft. Die Anwendungen von stick stoffangereicherter Luft sind beispielsweise die Einlei tung in die Abgasleitung, die Einleitung in die Abgas rückführungsleitung oder die Einlaßsammelleitung, um als EGR-Gas bzw. Rückführungsabgas zu wirken, und die Einlei tung in die Nachbehandlungsuntersysteme, wie beispiels weise ein nicht-thermisches Plasmakathalysesystem zur Verringerung von NOx-Emissionen.

Mit Bezug auf die Fig. 3 bis 7 sind verschiedene KIVA- Simulationen der Sauerstoffeinspritzung spät im Zyklus gezeigt. Insbesondere veranschaulicht Fig. 3 einen typi schen Zylinderdruck gegenüber der Kurbelwellenwinkelposi tion zusammen mit der bevorzugten Region der Sauerstoff einspritzung. Die Regel der Sauerstoffeinspritzung spät im Zyklus liegt vorzugsweise zwischen einer Kurbelwellen winkelposition von 20° und 50° (wobei 0° der obere Tot punkt ist) und vorzugsweise bei einer Kurbelwellenwinkel position von 25° und 40°. Genauso veranschaulicht Fig. 4 eine typische Zylindertemperatur gegenüber der Kurbelwel lenwinkelposition, die das gleiche Sauerstoffeinspritz profil spät im Zyklus veranschaulicht. Wie dort zu sehen ist die Dauer der Sauerstoffeinspritzung zwischen unge fähr 5° und 20° der Kurbelwellenwinkelbewegung und insbe sondere vorzugsweise ungefähr bei 15° der Kurbelwellen winkelbewegung. Betrachtungen im Betrieb schlagen vor, daß die Sauerstoffeinspritzung auftritt, wenn die Zylin derdrücke bei ungefähr 10 MPa oder weniger sind, obwohl es durchführbar sein mag, den Sauerstoff bei höheren Drücken mit einer geeigneten Einspritzvorrichtung einzu spritzen, wie beispielsweise einer Einspritzvorrichtung, die zur getrennten Einspritzung von Hochdruckbrennstoff und sauerstoffangereicherter Luft spät im Zyklus fähig ist.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des NOx-Gehaltes innerhalb eines Zylinders gegenüber der Kurbelwellenwin kelposition, die die allgemeine Bildung von NOx innerhalb des Zylinders veranschaulicht. In ähnlicher Weise ist Fig. 6 eine graphische Simulation des Rußgehaltes inner halb des Zylinders gegenüber der Kurbelwellenwinkelposi tion, und Fig. 7 ist eine graphische Simulation des Brennstoffes, der in den Zylinder eingespritzt und darin verbrannt wird gegenüber der Kurbelwellenwinkelposition. Diese letzteren Kurvendarstellungen zeigen, daß der Ruß gehalt insbesondere merklich bei der Einspritzung von sauerstoffangereicherter Luft während eines späteren Teils des Verbrennungszykluses sinkt. Zusätzlich nähert sich die innerhalb des Zylinders verbrannte Brennstoff menge nahe der Brennstoffmenge, die nach der zusätzlichen Einspritzung von sauerstoffangereicherter Luft innerhalb des Zylinders zur vorgeschriebenen Zeit und für eine vor geschriebene Dauer eingespritzt wird.

Genau gesagt ist die Anwendung von sauerstoffangereicher ter Luft, die in den Zylinder während des Expansionshubes eingespritzt oder anders eingeleitet wird, vorteilhaft während Motorbetriebszuständen, die typisch für einen ho hen Ausstoß von Partikelteilchen und Ruß sind. In ähnli cher Weise ist die Einleitung von sauerstoffangereicher ter Luft in die Einlaßsammelleitung oder den Einlaßluft kreis oder auch als Anwendung zur Regenerierung der Par tikelteilchenfallen insbesondere von Vorteil während aus gewählter Bereiche des Motorbetriebs. Die Verwendung von stickstoffangereicherter Luft als ein inertes Gas im Ein laß oder als eine Nachbehandlungshilfe ist auch insbeson dere vorteilhaft bei ausgewählten Betriebszuständen (d. h. Motordrehzahlen, Motorbelastung, Abgastemperaturen, usw.).

Aus dem Vorangegangenen ist zu sehen, daß die offenbarte Erfindung ein Luftflußmanagementsystem für einen Verbren nungsmotor ist, welches die Erzeugung und die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangerei cherter Luft vorsieht, um Motorpartikelteilchen und NOx zu verringern, und für eine gesteigerte Motorleistung. Von spezieller Wichtigkeit ist die Einleitung von sauer stoffangereicherter Luft in die Brennkammer während der späteren Stufen des Verbrennungszykluses. Während die hier offenbarte Erfindung mittels spezieller Ausführungs beispiele und Prozesse beschrieben worden ist, die damit assoziiert sind, könnten zahlreiche Modifikationen und Variationen daran vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den An sprüchen dargelegt wird.

Claims

1. Luftflußmanagementsystem für einen Verbrennungsmo tor, wobei der Motor eine Einlaßsammelleitung und mindestens eine Brennkammer hat, ein Einlaßluftsy stem, welches zur Lieferung von Einlaßluft an die Einlaßsammelleitung und die Brennkammer geeignet ist, und ein Auslaßsystem geeignet zum Transport von Abgasen aus der Brennkammer, wobei das Luftflußmana gementsystem folgendes aufweist:
eine Einlaßlufttrennvorrichtung, die innerhalb des Einlaßluftsystems angeordnet ist und geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaßluft in ei nen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft zu trennen;
eine Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem oder mehreren Sauerstoffeinleitungspunkten er streckt;
eine Flußschaltung für stickstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem oder mehreren Stickstoffeinleitungspunkten er streckt;
eine erste Flußsteuervorrichtung, die entlang der Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft ange ordnet ist, wobei die Flußsteuervorrichtung geeignet ist, um sauerstoffangereicherte Luft von der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft zu ausge wählten Sauerstoffeinleitungspunkten zu leiten;
eine zweite Flußsteuervorrichtung, die entlang der Flußschaltung für stickstoffangereicherte Luft ange ordnet ist, wobei die zweite Flußsteuervorrichtung geeignet ist, um die stickstoffangereicherte Luft von der Flußschaltung für stickstoffangereicherte Luft zu ausgewählten Stickstoffeinleitungspunkten zu leiten; und
eine Steuervorrichtung, die betriebsmäßig mit den Flußsteuervorrichtungen gekoppelt ist und geeignet ist, um die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft und von stickstoffangereicherter Luft anspre chend auf ausgewählte Motorbetriebszustände zu steu ern.

2. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Einlaßlufttrennvorrichtung weiter folgendes auf weist:
einen Einlaßlufteinlaß;
eine selektiv permeable bzw. durchlässige Membran vorrichtung in Flußverbindung mit dem Einlaßluftein laß, wobei die selektiv durchlässige Membran geeig net ist, um Stickstoff von der Einlaßluft abzutren nen, die beim Einlaßlufteinlaß aufgenommen wird, und stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Auslaß zu erzeugen und sauerstoffangereicherte Luft bei ei nem zweiten Auslaß zu erzeugen;
einen Einlaßluftantrieb, der betriebsmäßig mit der selektiv durchlässigen Membranvorrichtung verbunden ist und geeignet ist, um kräftig die beim Einlaß lufteinlaß aufgenommene Einlaßluft durch die selek tiv durchlässige Membranvorrichtung zu leiten.

3. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft wei ter einen Sauerstoffluftraum aufweist, der entlang der Flußleitung für sauerstoffangereicherte Luft an geordnet ist, wobei der Luftraum geeignet ist, um eine vorgeschriebene Menge von sauerstoffangerei cherter Luft aufzunehmen.

4. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer während des Expansionshubes bei ausgewählten Motor betriebszuständen zu steuern.

5. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer zu steuern, und zwar bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen ungefähr 20° und 50° nach dem oberen Tot punkt.

6. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, um die Dauer, für die die sauerstoffangereicherter Luft in die Brenn kammer eingeleitet wird, zwischen ungefähr 5° und 20° der Kurbelwellenwinkelbewegung zu steuern.

7. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in eine Partikel teilchenregenerierungsfalle bei ausgewählten Motorbe triebszuständen zu steuern.

8. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in ein Einlaßluft system bei ausgewählten Motorbetriebszuständen zu steuern.

9. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Flußschaltung für stickstoffangereicherte Luft sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem Einlaß luftsystem des Motors erstreckt, wobei die Einlei tung des Stickstoffes in das Einlaßluftsystem bei ausgewählten Motorbetriebszuständen auftritt und statt der Rezirkulation von Abgasen auftritt.

10. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die Flußschaltung für stickstoffangereicherte Luft sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einem Nachbe handlungsuntersystem erstreckt, um die Einleitung von stickstoffangereicherter Luft in die Nachbehand lungsprozesse bei ausgewählten Motorbetriebszustän den zu erleichtern.

11. Verfahren zur Steuerung des Luftflusses in einem Verbrennungsmotor, wobei der Motor ein Einlaßluftsy stem besitzt, welches geeignet ist, um Einlaßluft zu einer Einlaßsammelleitung und einer oder mehreren Brennkammern zu liefern, und ein Abgas- bzw. Auslaß system, welches geeignet ist, um Abgase von den Brennkammern abzutransportieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Trennung eines Teils der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft;
Leiten der sauerstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Sauerstoffeinleitungspunkten;
Leiten der stickstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Stickstoffeinleitungspunkten; und
Steuerung des Flusses von sauerstoffangereicherter Luft zu den ausgewählten Sauerstoffeinleitungspunk ten und des Flusses von stickstoffangereicherter Luft zu den ausgewählten Stickstoffeinleitungspunk ten ansprechend auf ausgewählte Motorbetriebsparame ter.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt der Auftrennung eines Teils der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft weiter folgendes auf weist:
Ableitung eines Teils der Einlaßluft weg von der Einlaßsammelleitung; und
Leiten des Teils der Einlaßluft durch eine selektiv permeable Membran, die geeignet ist, um die Einlaß luft aufzutrennen, um stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Auslaß zu erzeugen, und sauer stoffangereicherte Luft bei einem zweiten Auslaß.

13. Verfahren nach Anspruch 12, welches weiter den Schritt aufweist, ein Volumen bzw. eine Menge von sauerstoffangereicherter Luft in einem Sauer stoffluftraum zu speichern.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Leitens der sauerstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Sauerstoffeinleitungspunkten weiter die Ein leitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer während des Expansionshubes aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Leitens der sauerstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Sauerstoffeinleitungspunkten weiter die Ein leitung von sauerstoffangereicherter Luft in eine Partikelteilchenregenerierungsfalle aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Leitens der sauerstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Sauerstoffeinleitungspunkten weiter die Ein leitung von sauerstoffangereicherter Luft in das Einlaßluftsystem aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Leitens der stickstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Stickstoffeinleitungspunkten weiter die Ein leitung von stickstoffangereicherter Luft in das Nachbehandlungsuntersystem aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Leitens der stickstoffangereicherten Luft zu ausge wählten Stickstoffeinleitungspunkten weiter die Ein leitung von stickstoffangereicherter Luft in das Einlaßluftsystem des Motors aufweist.