DE60115926T2

DE60115926T2 - Verfahren und vorrichtung für flüssiggasbrennstoffeinführung und steuerung der verbrennung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60115926T2
Application number: DE60115926T
Authority: DE
Inventors: Richard Ancimer; Sandeep Munshi; Patric Ouellette; Konstantin Tanin; A. David RUTHMANSDORFER
Original assignee: Westport Research Inc; Cummins Inc
Current assignee: Westport Power Inc; Cummins Inc
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: EP1320675A2; WO2001059285A3; BR0108255B1; DE60115926D1; EP1559886A2; EP1559886B1; AU2001233532A1; WO2001059285A2; CA2398146A1; JP2004500514A; EP1559886A3; BR0108255A; EP1320675B1; CN1460149A; CN100416065C; CA2398146C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einführung von gasförmigem Brennstoff in einen Zylinder eines Verbrennungskraftmotors. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zweistufigen Einspritzung von gasförmigem Brennstoff in den Zylinder des Motors, um die Verbrennungsart des gasförmigen Brennstoffs zu steuern, der in zwei Stufen eingeführt wird.
Allgemeiner Stand der Technik
Die Verbrennungskraftmotorbranche steht unter stetig steigendem Druck, die Verschmutzung der Umwelt durch die Verringerung schädlicher Motoremissionen zu reduzieren. Eine Antwort auf diesen Druck führte zu Forschung dahingehend, kompressionsgezündete(CI) Motoren (auch als „Diesel"-Motoren bekannt) so anzupassen, dass sie Erdgas anstelle von Brennstoff verbrennen. Verglichen mit Dieselbrennstoff ist Erdgas ein relativ sauberer Verbrennungskraftstoff und der Ersatz von Dieselbrennstoff durch Erdgas kann die Emissionswerte sowohl von Stickstoffoxiden (NOx) als auch von Feststoffpartikeln (PM) reduzieren. Eine bekannte Technik zum Ersatz von Dieselbrennstoff durch Erdgas wird Zweistoffbetrieb genannt. Bei diesem Verfahren wird Erdgas vor der Einführung des Luft-Erdgas-Gemischs in den Motorzylinder mit Ansaugluft gemischt (ein Vorgang, der dem Fachmann als Fumigation bekannt ist). Die Mischung wird dann während des Ansaugtakts in den Kolbenzylinder eingeführt. Während des Kompressionstakts werden Druck und Temperatur der Mischung erhöht. Gegen Ende des Kompressionstakts, spritzen Zweistoffmotoren eine geringe Menge an Dieselzündkraftstoff ein, um die Mischung aus Luft und Erdgas zu entflammen. Die Verbrennung wird ausgelöst durch die Selbstzündung des Dieselbrennstoffs und es wird angenommen, dass unter diesen Bedingungen eine Ausbreitungs-Verbrennungsart auftritt. Ein Vorteil der Verwendung einer vorgemischten Ladung von Luft und Erdgas ist, dass das Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft mager sein kann. Mit Fumigation ist es möglich, die Vorteile eines „Magermotor"-Betriebs zu realisieren, welche geringere NOx-Emissionen, geringere Feststoffpartikel und einen potentiell höheren Kreislaufwirkungsgrad umfassen.
Die Patentschriften DE 19 854 776 und US 5,450,829 beschreiben beide Motoren, wobei ein Zündkraftstoff direkt in den Verbrennungszylinder eingespritzt wird, um die Zündung eines ersten homogenen Brennstoffs zu optimieren.
Bekannte Zweistoffverfahren haben jedoch mindestens zwei Nachteile. Ein Nachteil tritt unter Betriebsbedingungen höherer Last auf, wenn die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck im Kolbenzylinder während des Kompressionstakts das Luft-Erdgas-Mischung anfällig für "Klopfen" macht. Klopfen ist die unkontrollierte Selbstzündung einer vorgemischten Brennstoff-Luft-Ladung. Klopfen führt zu einer schnellen Brennstoffenergiefreigaberate, die Motoren schädigen kann. Maßnahmen zur Reduzierung des Klopfrisikos umfassen die Verringerung des Kompressionsverhältnisses des Kolbenhubs oder die Begrenzung der Abgabeleistung und des Drehmoments. Diese Maßnahmen verursachen jedoch eine entsprechende Verringerung des Kreislaufwirkungsgrads des Motors das heißt, es ist nicht so viel Leistung aus jedem Kolbenhub verfügbar).
Ein zweiter Nachteil von bekannten Zweistoffverfahren ist, dass unter Betriebsbedingungen niedrigerer Last, die Mischung von Brennstoff und Luft zu mager wird, um die vorgemischte Verbrennung stabil zu tragen, was zu einer unvollständigen Verbrennung oder Fehlzündung führt. Der Ansaugluftstrom kann gedrosselt werden, um eine Mischung zu erhalten, die die vorgemischte Verbrennung tragen kann, wobei aber die Drosselung den Wirkungsgrad des Motors negativ beeinflusst.
Kurzdarstellung der Erfindung
Verfahren zur Einführung von gasförmigem Brennstoff in einen Zylinder eines laufenden Verbrennungskraftmotors, der einen Kolben aufweist, der im Zylinder angeordnet ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

(a) Anzeigen eines Motorparametersatzes;
(b) Festlegen von Motorlast und Motordrehzahl des Motorparametersatzes;
c) in einem ersten Schritt, Einführung eines ersten gasförmigen Brennstoffes in den Zylinder, wobei der erste gasförmige Brennstoff ein im Wesentlichen homogenes Gemisch bildet, welches den ersten gasförmigen Brennstoff und die Ansaugluft vor der Verbrennung umfasst, und
(d) in einem zweiten Schritt, der auf den ersten Schritt folgt, Einführung eines zweiten gasförmigen Brennstoffs in den Zylinder;

In einem bevorzugten Verfahren innerhalb desselben Motorzyklus, brennt der erste gasförmige Brennstoff gemäß einer vorgemischten Verbrennungsart und der zweite gasförmige Brennstoff brennt im Wesentlichen gemäß einer Diffusionsverbrennungsart. Für einen verbesserten Wirkungsgrad und verringerte Emissionen ist die vorgemischte Verbrennungsart vorzugsweise eine homogene kompressionsgezündete Verbrennungsart.
Der Motor kann ein Zweitaktmotor sein, ist aber vorzugsweise ein Viertaktmotor, um die Spülungsverluste des Luft-Brennstoff-Gemisches zu reduzieren.
Der erste Schritt wird initiiert, so dass der erste gasförmige Brennstoff Zeit hat, sich mit der Ansaugluft zu mischen, um eine homogene Ladung zu bilden. Wenn zum Beispiel der erste Schritt während des Ansaugtakts beginnt, kann der erste gasförmige Brennstoff direkt in den Motorzylinder oder in den Ansaugkanal eingeführt werden, so dass er mit der Ansaugluft in den Zylinder eintritt. Wenn der erste gasförmige Brennstoff während des Ansaugtakts eingeführt wird, sollte der erste Schritt vorzugsweise früh in diesem Takt beginnen, zum Beispiel, ganz am Beginn des Ansaugtakts, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt des Kompressionstaktes ist, um dem ersten gasförmigen Brennstoff mehr Zeit zu geben, um sich mit der Ansaugluft zu mischen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der erste gasförmige Brennstoff mit Ansaugluft vorgemischt, bevor er in den Zylinder eingeführt wird. Zum Beispiel kann der erste gasförmige Brennstoff vor einem Turbolader oder einem Auflader mit Ansaugluft vorgemischt werden.
Der Motorparametersatz umfasst vorzugsweise mindestens einen von Motordrehzahl, Motordrosselklappenposition, Ansaugkrümmertemperatur, Ansaugkrümmerdruck, Abgasrückführungsmenge und -temperatur, Luftdurchsatz in den Zylinder, Kompressionsverhältnis, Ansaug- und Abgasventileinstellung und die Anwesenheit oder Abwesenheit von Klopfen im Zylinder. Die Motordrehzahl kann direkt gemessen werden und ist ein Parameter, der zum Beispiel verwendet wird, um die erste und zweite Schritteinstellung zu steuern. Im Allgemeinen wird die Einstellung mit Erhöhung der Motordrehzahl vorgeschoben. Die Motordrosselklappenposition ist eine Indikation der Motorlast, die verwendet werden kann, um die Menge des ersten und zweiten gasförmigen Brennstoffs zu steuern. Andere Parameter können als Indikatoren der Bedingungen im Zylinder angezeigt werden, die vorzugsweise so gesteuert werden, dass sie der Verbrennung des Brennstoffs im ersten Schritt in einer HCCI-Verbrennungsart förderlich sind.
Die Einstellung und die Brennstoffmenge des zweiten Schritts kann manipuliert werden, um auf die Bedingungen im Zylinder in folgenden Motorzyklen einzuwirken. Zum Beispiel kann mindestens eine von gasförmiger Brennstoffmenge des zweiten Schritts, Initiierung des zweiten Schritts und/oder zweite Schrittdauer variiert werden, als Antwort auf Veränderungen des Werts von mindestens einem Parameter eines Motorparametersatzes, um die Bedingungen im Zylinder zu erhalten, die für die HCCI-Verbrennung des ersten gasförmigen Brennstoffs förderlich sind. Die Steuerung der Initiierung und/oder Dauer und/oder Brennstoffmenge des zweiten Schritts wird vorzugsweise als ein zusätzliches Mittel zur Steuerung der Bedingungen im Zylinder verwendet, welche in Verbindung mit herkömmlicheren Steuerungsmitteln, wie etwa Steuerung der AGR-Menge oder des Ansaugluft/Brennstoff Äquivalenzverhältnisses, verwendet werden können. Ein elektronisches Steuergerät steuert vorzugsweise die Initiierung, Dauer und Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffs, unter Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle, um mehrere Steuerungseinstellungen für eine gegebene Motorlast und Drehzahlbedingung festzulegen.
Der zweite gasförmige Brennstoff wird vorzugsweise verwendet, um den ersten gasförmigen Brennstoff zu ergänzen, wenn die Menge des ersten gasförmigen Brennstoffs klopfbegrenzt ist. Das erlaubt es dem Motor, bei höheren Lastbedingen zu laufen. Dementsprechend ist die Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffs variabel, und die Menge steigt, wenn die Motorlast steigt.
Bei turboaufgeladenen Motoren ist der Ansaugkrümmerdruck durch Abgasdruck und -temperatur beeinflusst, da das Abgas den Turbolader auflädt. Daher kann der Ansaugkrümmerdruck zumindest teilweise gesteuert werden, indem mindestens eines von (a) der Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffs und (b) der Zeit in der der zweite gasförmige Brennstoff, in den Zylinder eingeführt wird, da diese Variablen steuerbar sind, um den Abgasdruck und die -temperatur zu verändern. Wenn zum Beispiel Klopfen erkannt wird, wird der Ansaugkrümmerdruck erhöht ohne den Durchsatz des ersten gasförmigen Brennstoffs zu erhöhen, wird die Ladung des ersten Schritts magerer sein und weniger wahrscheinlich zum Klopfen führen. Dementsprechend kann die Initiierung, Dauer und Brennstoffmenge des zweiten Schritts manipuliert werden, um den Ansaugkrümmerdruck zu erhöhen, um das Ansauglast-Äquivalenzverhältnis in folgenden Motorzyklen zu reduzieren, wenn Klopfen erkannt wird.
Bei Motoren, die turbogeladen sind und/oder die Abgasrückführung verwenden, hat die Abgastemperatur eine Wirkung auf die Ansaugkrümmertemperatur. Dementsprechend kann die Ansaugkrümmertemperatur in folgenden Motorzyklen beeinflusst werden, indem mindestens einer der folgenden Punkte gesteuert wird:

(a) die Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffs; und
(b) die Zeit, in der der zweite gasförmige Brennstoff in den Zylinder eingeführt wird.

Die Ansaugkrümmertemperatur hat eine signifikante Wirkung auf Klopfen und HCCI-Verbrennung. Wenn zum Beispiel Klopfen erkannt wird, ist eine Gegenmaßnahme gegen das Klopfen, die Ansaugkrümmertemperatur zu verringern. Die Initiierung, Dauer und Brennstoffmenge des zweiten Schritts kann verwendet werden, um die Ansaugkrümmertemperatur in Verbindung mit herkömmlichen Temperaturmitteln, wie zum Beispiel Zwischenkühler und Nachkühler, zu steuern.
In einem bevorzugten Verfahren umfasst der zweite Schritt mehrere Kraftstoffeinspritzimpulse. Mehrere Einspritzimpulse oder ein geformter Einspritzimpuls führen zusätzlich zu höherer Flexibilität. Zum Beispiel kann die Initiierung und/oder Dauer und/oder Brennstoffmenge für einen Impuls als Antwort auf Motorlast, und Initiierung und/oder Dauer und/oder Menge eines anderen Impulses gesteuert werden, um die Ansaugkrümmertemperatur und/oder den -druck in den folgenden Motorzyklen zu beeinflussen. Das heißt, der Anteil des zweiten gasförmigen Brennstoffs, der in einem ersten Einspritzimpuls eingeführt wird, kann als Antwort auf eine Erhöhung der Motorlast erhöht werden. Überdies ist die Initiierung und/oder Dauer und/oder Brennstoffmenge in einem zweiten Einspritzimpuls steuerbar, um mindestens eines von Ansaugkrümmertemperatur und Ansaugkrümmerdruck zu beeinflussen, wobei die zweite Einspritzimpulseinstellung vorgeschoben wird, um die Ansaugkrümmertemperatur und/oder den -druck zu reduzieren, und/oder die Brennstoffmenge wird reduziert, um die Ansaugkrümmertemperatur und/oder den -druck zu reduzieren. Die Ansaugkrümmertemperatur wird vorzugsweise reduziert, wenn Klopfen erkannt wird.
Die Initiierung und/oder die Dauer und/oder die Brennstoffmenge für verschiedene Einspritzimpulse kann unabhängig gesteuert werden und mindestens einer des ersten und zweiten Einspritzimpulses wird als Antwort auf mindestens eines von Motorlast und Motordrehzahl gesteuert. Vorzugsweise kann die Gesamtmenge des Brennstoffs, der im zweiten Schritt eingeführt wird, durch die Motorlast festgelegt werden, aber das elektronische Steuergerät (ECU) kann unter Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle diese Gesamtmenge an Brennstoff zwischen mehreren Einspritzimpulsen aufteilen, wobei das ECU den Kraftstoffumwandlungswirkungsgrad berücksichtigt, der der Einstellung der Einspritzimpulse entspricht.
Das Verfahren kann ferner das Einführen eines Zündkraftstoffes in den Zylinder umfassen, so dass es entflammt, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt des Kompressionstaktes ist. Um die NOx-Emissionen zu reduzieren, wird die Zündkraftstoff-Einspritzeinstellung und Zündkraftstoffmenge gesteuert, um eine im Wesentlichen magere Schichtladung vor der Zündung des Zündkraftstoffes zu bilden. Um eine im Wesentlichen magere Schichtladung zu bilden, wird der Zündkraftstoff vorzugsweise in den Zylinder eingeführt, wenn der Kolben zwischen 120 und 20 Kurbelwinkelgrad vor dem oberen Totpunkt ist. Die Einstellung und die Menge an gasförmigem Brennstoff und Zündkraftstoff, die in den Zylinder eingeführt werden, werden vorzugsweise elektronisch gesteuert.
Zusätzlich zu anderen Maßnahmen, die ergriffen werden können, wenn Klopfen erkannt wird, kann auch die Zündkraftstoffmenge und -einstellung variiert werden, wenn Klopfen erkannt wird. Ob die Zündkraftstoffeinstellung als Antwort auf erkanntes Klopfen vorgeschoben oder verzögert wird, hängt von verschiedenen Variablen ab, aber das ECU legt vorzugsweise die geeignete Handlung fest, indem es sich auf eine Nachschlagetabelle bezieht. Einige dieser Variablen umfassen zum Beispiel die aktuelle Initiierung der Zündkraftstoffeinspritzung, die Brennstoffeinspritzdauer, die Motordrehzahl und die aktuelle Ansaugkrümmertemperatur und den aktuellen Ansaugkrümmerdruck.
Bevorzugte Zündkraftstoffe umfassen Dieselkraftstoff und Dimethylether. Die ersten und zweiten gasförmigen Brennstoffe können unterschiedliche Brennstoffe sein, vorzugsweise sind sie aber der gleiche gasförmige Brennstoff. Der gasförmige Brennstoff für einen der Schritte kann jedoch mit dem Zündkraftstoff vorgemischt werden, so dass der Zündkraftstoff und der gasförmige Brennstoff gemeinsam eingeführt werden. Der erste gasförmige Brennstoff und der zweite gasförmige Brennstoff werden vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Erdgas, flüssigem Propangas, Biogas, Deponiegas und Wasserstoffgas besteht.
Anstelle der Verwendung eines Zündkraftstoffs kann der Motor mit einer Zündkerze oder Glühkerze ausgestattet sein, um die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs zu entflammen.
In einem bevorzugten Verfahren zur Einführung von Brennstoff in einen Zylinder eines laufenden Verbrennungskraftmotors, der einen Kolben aufweist, der im Zylinder angeordnet ist, wobei der Brennstoff einen Hauptbrennstoff und einen Zündkraftstoff umfasst, der in einem höheren Grad selbstzündbar ist als der Hauptbrennstoff. Das Verfahren umfasst die Einführung von Brennstoff in einen Zylinder in drei Schritten, wobei,

(a) ein erster Anteil des Hauptbrennstoffs in einem ersten Hauptbrennstoffschritt eingeführt wird, so eingestellt, dass der erste Anteil ausreichend Zeit hat, sich mit einer Ansaugluft zu vermischen, so dass der erste Anteil in einer vorgemischten Verbrennungsart verbrennt;
(b) der Zündkraftstoff wird in einem Zündschritt eingeführt, so dass der Zündkraftstoff sich selbst entzündet, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt ist; und
(c) ein zweiter Anteil des Hauptbrennstoffs wird in einem zweiten Hauptbrennstoffschritt eingeführt, so dass der zweite Anteil in einer Diffusionsverbrennungsart verbrennt;

In diesem bevorzugten Verfahren kann der zweite Anteil in mehrere Einspritzimpulse eingeführt werden, wobei der erste der mehreren Einspritzimpulse eingestellt ist, dass er mit dem Zündkraftstoff entflammt, um die Zündung des ersten Anteils des Hauptbrennstoffs zu unterstützen. Das heißt, dass ein Teil des zweiten Anteils des Hauptbrennstoffs entflammt werden kann, um die Verbrennung des ersten Anteils des Hauptbrennstoffs zu unterstützen.
Der erste Anteil des Hauptbrennstoffs wird vorzugsweise durch ein Hilfseinspritzventil in einen Ansaugluftdurchgang vor dem Zylinder eingeführt.
Der Zündschritt beginnt vorzugsweise während eines Kompressionstakts. Genauer gesagt beginnt der Zündschritt vorzugsweise, wenn der Kolben zwischen 120 und 20 Kurbelwinkelgrad vor dem oberen Totpunkt ist, so dass der Zündkraftstoff Zeit hat, eine im Wesentlichen magere Schichtladung vor der Verbrennung zu bilden.
Der zweite Hauptbrennstoffschritt beginnt vorzugsweise, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt eines Kompressionstakt ist.
Eine Vorrichtung zur Einleitung von Brennstoff in den Zylinder eines laufenden Verbrennungskraftmotors wird bereitgestellt, der mindestens einen Zylinder aufweist, in dessen Inneren ein Kolben angeordnet ist. Der Brennstoff umfasst einen Hauptbrennstoff und eines Zündkraftstoffs, der in einem Grad selbstzündbar ist, der größer ist als der des Hauptbrennstoffs. Die Vorrichtung umfasst:

(a) Messungseinheiten zum Sammeln von Betriebsdaten des Motors, wobei die Messungseinheiten ein Tachometer zum Messen der Motordrehzahl und einen Sensor zum Festlegen der Drosselklappenposition umfassen;
(b) ein elektronisches Steuergerät, das die Betriebsdaten empfängt und die Daten verarbeitet, um einen Lastbedingungssatz zu berechnen, wobei das elektronische Steuergerät einen Speicher umfasst, um Lastbedingungs-Steuersätze und vorbestimmte Betriebsarten für die Lastbedingungs-Steuersätze zu speichern, wobei das elektronische Steuergerät den berechneten Lastbedingungssatz mit dem Lastbedingungs-Steuersatz vergleicht, um eine von den mehreren vorbestimmten Betriebsarten auszuwählen;
(c) ein Hautbrennstoff-Einspritzventil, das vom elektronischen Steuergerät gesteuert wird, um den Hauptbrennstoff in den Zylinder in einer Einstellung und in Mengen einzuführen, die vom elektronischen Steuergerät im Einklang mit den vorbestimmten Betriebsarten und dem Lastbedingungsatz festgelegt werden;
(c) ein Zündkraftstoff-Einspritzventil, das vom elektronischen Steuergerät gesteuert wird, um den Zündkraftstoff in den Zylinder in einer Einstellung und in Mengen einzuführen, die vom elektronischen Steuergerät mit den vorbestimmten Betriebsarten und dem Lastbedingungsatz festgelegt werden;

Das Hauptbrennstoff-Einspritzventil und das Zündkraftstoff-Einspritzventil sind vorzugsweise in ein Zweistoff-Einspritzventil integriert, das in der Lage ist, sowohl den Hauptbrennstoff als auch den Zündkraftstoff unabhängig vom jeweils anderen einzuspritzen. Ein Vorteil des Zweistoff-Einspritzventils ist, dass weniger Veränderungen an herkömmlichen Dieselmotoren erforderlich sind, die nur eine Einspritzpumpe haben.
Die Vorrichtung kann ferner ein Hilfseinspritzventil umfassen, in Verbindung mit einem Luftansaugsystem, um den Hauptbrennstoff in einen Ansaugluftdurchgang einzuführen. Unter Verwendung eines Hilfseinspritzventils kann der Hauptbrennstoff mit Ansaugluft vermischt werden, bevor er in den Zylinder eingeführt wird. Der Ansaugluftdurchgang kann, zum Beispiel ein Luftansaugkrümmer sein, und ist vorzugsweise vor einem Turbolader oder Aufladen. Wenn das Hilfsein spritzventil im Ansaugkanal des Motors angeordnet ist, und der Motor mehrere Zylinder umfasst, wird für jeden einzelnen Zylinder ein Hilfseinspritzventil bereitgestellt.
Weitere Vorteile der vorliegenden Zweistoff-Einspritztechnik werden deutlich, wenn die Zeichnungen in Verbindung mit der genauen Beschreibung berücksichtigt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1, welche 1a und 1b umfasst, stellt teilweise Querschnittsansichten eines Motorzylinders dar, die die sequentielle Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder ohne Zündkraftstoff zeigen. 1a stellt einen Anteil des Hauptbrennstoffs dar, der während des Ansaugtakts in den Zylinder eingespritzt wird, und 1b stellt den Rest des Hauptbrennstoffs dar, der dicht des Beginns des Arbeitstakts eingespritzt wird.
2, welche 2a, 2b und 2c umfasst, stellt teilweise Querschnittsansichten eines Motorzylinders dar, die die sequentielle Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder mit Zündkraftstoff zeigen. 2a stellt einen Anteil des Hauptbrennstoffs dar, der während des Ansaugtakts in den Zylinder eingespritzt wird, 2b stellt die Einspritzung eines Zündkraftstoffs während des Kompressionstakts dar, und 2c stellt den Rest des Hauptbrennstoffs dar, der dicht am oberen Totpunkt des Kompressionstakts eingespritzt wird.
3 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Zylinders, die eine alternative Anordnung für das Mischen des Hauptbrennstoffs mit der Ansaugluft darstellt. In dieser Anordnung werden, anstelle der Mischung des Hauptbrennstoffs und der Ansaugluft in dem Zylinder, diese außerhalb des Zylinders vorgemischt (das heißt, bevor sie in den Zylinder eingeführt werden).
4 und 5 sind Funktionsplandiagramme, welche ein Beispiel der Steuerlogik bereitstellen, das von einem elektronische Steuergerät verwendet werden könnte, um das offenbarte Verfahren zu implementieren.
6, welche 6a und 6b umfasst, stellt die Brennverlaufskurven, verbunden mit den HCCI- und den Diffusionsverbrennungsartvorgängen dar. 6a stellt die Brennverlaufskurve für Magermotor verbrennungsart (HCCI-Art) und Diffusionverbrennungsart ohne Zündkraftstoff dar. 6a stellt die Brennverlaufskurve für die Zündfahne, Magermotorverbrennungsart (HCCI- oder Flammenausbreitungsart) und Diffusionverbrennungsart mit Zündkraftstoff dar.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
In einem bevorzugten Verfahren wird Brennstoff in den Zylinder eines Viertakt-Verbrennungskraftmotors eingespritzt, der mit mindestens einem Hubkolben und einer Kurbelwelle, die mit dem Kolben verbunden ist, ausgestattet ist. In dieser Offenbarung wird die Position des Kolbens innerhalb des Zylinders unter Bezugnahme auf Kurbelwinkelgrade vor oder nach dem oberen Totpunkt (TDC) beschrieben. Der Kolben ist am TDC, wenn der Kolben das Ende eines Aufwärtshubs erreicht hat, und kurz davor ist, den Abwärtshub zu beginnen (dass heißt, der Punkt, an dem der Kolben dem Zylinderkopf am nächsten ist).
Das Verfahren schließt einen Hauptbrennstoff ein, welcher vorzugsweise ein gasförmiger Brennstoff ist, wie zum Beispiel Erdgas, Propan, Biogas, Deponiegas oder Wasserstoffgas. Das Verfahren kann ferner die Verwendung einer Zündquelle umfassen, um die Verbrennungseinstellung des Hauptbrennstoffs zu steuern. Die Zündquelle kann zum Beispiel ein Zündkraftstoff sein, der schneller selbstzündend ist als der Hauptbrennstoff, eine Glühflächen-Zündquelle, wie etwa eine Glühkerze, eine Zündkerze oder ein anderes bekanntes Zündgerät. Wenn ein Zündkraftstoff verwendet wird, sind bevorzugte Brennstoffe herkömmlicher Diesel oder Dimethylether.
1 veranschaulicht ein bevorzugtes Verfahren zur Einführung von Brennstoff in Zylinder 110 in zwei getrennten Schritten. In der Ausführungsform von 1, entzündet sich der Brennstoff in Zylinder 110 selbst mit dem Brennstoff, der während des ersten Schritts eingeführt wird, wobei er im Wesentlichen in einer vorgemischten Magermotorverbrennungsart brennt und der Brennstoff, der während des zweiten Schrittes eingeführt wird, im Wesentlichen in einer Diffusionsverbrennungsart brennt.
In dem ersten Schritt, der in 1a dargestellt ist, bewegt sich Kolben 113 während des Ansaugtakts von dem Einspritzventil 115 weg. Ansaugluft wird durch das offene Ansaugventil 111 in den Zylinder 110 gesogen. Das Auslassventil 112 ist geschlossen. In dem ersten Schritt wird auch der Hauptbrennstoff 117a in den Zylinder 110 eingeführt, wo er mit der Ansaugluft vermischt wird. In alternativen Ausführungsformen (nicht gezeigt), kann die Einführung des Hauptbrennstoffs im ersten Schritt so eingestellt werden, dass sie geschieht, wenn der Kolben 113 am unteren Totpunkt ist, oder während des Kompressionstakts, wenn der Kolben 113 sich auf das Einspritzventil 115 zubewegt und das Ansaugventil 111 geschlossen ist. Die Verzögerung der Einführung des Hauptbrennstoffs im ersten Schritt reduziert jedoch die Möglichkeit des Hauptbrennstoffs 117a, sich mit der Ansaugluft zu vermischen. Dementsprechend, wenn der erste Schritt so eingestellt ist, dass er während des Kompressionstakts geschieht, ist es für ihn bevorzugt, wenn er während des frühen Teils des Kompressionstakts geschieht, wenn der Kolben 113 dicht am unteren Totpunkt ist.
Die Menge des Hauptbrennstoffs, die während des ersten Schritts eingeführt wird, ist beschränkt, um die Wahrscheinlichkeit des Klopfens zu reduzieren. Weil die Menge des Hauptbrennstoffs, der während des ersten Schritts eingeführt wird, auf sehr magere Bedingungen beschränkt ist (das heißt, Äquivalenzverhältnisse zwischen 0,10 und 0,50), wird erwartet, dass die Verbrennung mittels HCCI-Verbrennungsart schnell geschieht. Die Zündung der vorgemischten Ladung dicht am oberen Totpunkt des Kompressionstakts führt zu hohen thermischen Wirkungsgraden. Die Steuerung des Starts und der Verbrennungsrate wird durch die Steuerung von mindestens einem von Ansaugkrümmertemperatur, Ansaugkrümmerdruck, AGR-Menge, AGR-Temperatur, Restgaseinschlussfraktion und Kompressionsverhältnis erreicht. In einem bevorzugten Verfahren werden die meisten oder alle diese Parameter gesteuert, um die Einstellung der Selbstzündung der vorgemischten Ladung mittels HCCI-Verbrennungsart zu steuern. Da der vorgemischte Brennstoff und die Luft unter sehr mageren Bedingungen brennen, sind die NOx-Bildungsraten sehr klein.
Da die Menge an Hauptbrennstoff, der im ersten Schritt eingeführt wird, beschränkt ist, um dem Klopfen vorzubeugen, wird eine zusätzliche Menge an Hauptbrennstoff während des zweiten Schritts eingeführt, um die Motorlastanforderungen zufrieden zu stellen. Vorzugsweise geschieht die Einspritzung des Hauptbrennstoffs des zweiten Schritts, wie in 1b gezeigt, dicht am oberen Totpunkt. In 1b bewegt sich der Kolben 113 vom Einspritzventil 115 weg, angetrieben durch die Verbrennung von Brennstoff innerhalb des Zylinders 110 Das Ansaugventil 111 und das Auslassventil 112 sind beide während der sequentiellen Kompression und während der Arbeitstakte geschlossen. Vorzugsweise geschieht der zweite Schritt spät im Kompressionstakt oder während des frühen Teils des Arbeitstakts, da die Einführung von zusätzlichem Brennstoff spät im Arbeitstakt weniger zur Motorleistung beiträgt als wenn er früher hinzugefügt wird. Die Einführung des Hauptbrennstoffs in der zweiten Stufe ist vorzugsweise abgeschlossen, bevor die Kurbelwelle, die mit dem Kolben 113 verbunden ist, um mehr als 50 Grad über den Punkt hinaus rotiert ist, an dem der Kolben 113 am Beginn des Arbeitstaktes am TDC war.
Weil der Hauptbrennstoff 117b des zweiten Schritts dicht am Ende des Kompressionstakts oder während des frühen Teils des Arbeitstaktes eingeführt wird, hat er vor der Zündung keine Gelegenheit, sich gründlich mit der Luft im Zylinder 110 zu vermischen. In der Folge brennt der Hauptbrennstoff 117b des zweiten Schritts im Wesentlichen in einer Diffusionverbrennungsart. Da die Menge an Hauptbrennstoff 117a des ersten Schritts durch die Klopfgrenze des Motors beschränkt ist, wird die Motorleistung unter hohen Lastbedingungen gesteuert, indem die Menge des Hauptbrennstoffs 117b, der während des zweiten Schritts eingeführt wird, angepasst wird.
In einem Motor, der AGR und/oder Turboladung verwendet ist die Menge und/oder Einstellung für das Einführen des Hauptbrennstoffs 117b des zweiten Schritts steuerbar, um die Ansaugkrümmertemperatur und den Ansaugkrümmerdruck in den folgenden Motorzyklen zu beeinflussen. In einem bevorzugten Verfahren ist die Menge des Hauptbrennstoffs 117b des zweiten Schritts primär durch die Motorlast festgelegt, da die Brennstoffmenge des zweiten Schritts den Brennstoffmangel aus dem ersten Schritt ausgleicht, der durch die Klopfgrenze auferlegt ist. Die Einstellung des zweiten Schritts kann jedoch manipuliert werden, um zur Steuerung der Ansaugkrümmertemperatur und des Ansaugkrümmerdrucks beizutragen. Indem zum Beispiel die Einführung des Hauptbrennstoffs 117b verzögert, oder die Menge des Hauptbrennstoffs des zweiten Schritts erhöht wird, steigen normalerweise Abgastemperatur und Abgasdruck. Höhere Abgastemperatur und höherer Abgasdruck können verwendet werden, um die Turboladerleistung zu erhöhen, um den Ansaugkrümmerdruck zu erhöhen. Es kann ein Zwischenkühler verwendet werden, um die Ansaugkrümmertemperatur noch zusätzlich zu steuern. Die Abgastemperatur kann die Ansaugkrümmertemperatur ebenfalls direkt beeinflussen, wenn der Motor AGR verwendet. In einem bevorzugten Verfahren wird ein elektronisches Steuergerät verwendet, um die Brennstoffmenge und die Einstellung für die Einführung des Hauptbrennstoffs der zweiten Stufe zu steuern. Das elektronische Steuergerät erhält Informationen zur Motorlast und zur Motordrehzahl (oder Motorparameter aus denen das elektronische Steuergerät die Motorlast und -drehzahl errechnen kann). Das elektronische Steuergerät verwendet diese Informationen, um die Brennstoffmenge und die Einstellung unter Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle festzulegen, die kalibrierte Werte über die Brennstoffmenge und die Einstellung für gegebene Motorbetriebsbedingungen auf der Basis von Motorlast und – drehzahl enthält.
Wenn Klopfen erkannt wird, ist eine Option zur Vorbeugung weiteren Klopfens die Reduzierung der Menge an Hauptbrennstoff, der im ersten Schritt eingeführt wird, und die Erhöhung der Brennstoffmenge, die im zweiten Schritt eingeführt wird. Eine weitere Option zur Vorbeugung des Klopfens ist die Steuerung der Einstellung des zweiten Schritts. Zum Beispiel kann die zweite Schritteinstellung verzögert werden, um den Ansaugkrümmerdruck zu steigern, indem die Turboladerleistung verstärkt wird. Die höhere Temperatur des Abgases kann durch die Verwendung eines Zwischenkühlers und/oder eines Nachkühlers ausgeglichen werden. Eine Erhöhung des Ansaugkrümmerdrucks auf diese Weise, führt dazu, dass mehr Luft in den Zylinder eingeleitet wird, wodurch sich eine magerere homogene Ladung bildet, die dem Klopfen vorbeugt. Alternativ kann die zweite Schritteinstellung vorgeschoben werden, um die Abgastemperatur abzukühlen und damit auch die Ansaugkrümmertemperatur zu abzukühlen. Auch ein Zwischenkühler und/oder ein Nachkühler können in Kombination mit der verschobenen zweiten Schritteinstellung verwendet werden. Ob die zweite Schritteinstellung vorgeschoben oder verzögert wird, hängt von der aktuellen Einstellung des zweiten Schritts ab, wenn Klopfen erkannt wird. Diese Technik der Manipulation der zweiten Schritteinstellung kann auch in Kombination mit der Neuaufteilung der Brennstoffmengen verwendet werden, die in den ersten und zweiten Schritten eingeführt werden.
Das elektronische Steuergerät kann auch die Nachschlagetabelle neu kalibrieren, um einem Widerauftreten des Klopfens unter den gleichen Betriebsbedingungen vorzubeugen.
In einer Ausführungsform wird der Hauptbrennstoff 117b in mehreren Einspritzimpulsen eingeführt. Zum Beispiel kann Brennstoff, der in einem ersten Einspritzimpuls eingeführt wird, verwendet werden, um die Lastanforderungen zufrieden zu stellen, und Brennstoff, der in einem zweiten Einspritzimpuls eingeführt wird, kann verwendet werden, um die Abgastemperatur und den Abgasdruck zu steuern, was im Gegenzug dazu beitragen kann, die Ansaugkrümmertemperatur und/oder den Ansaugkrümmerdruck in folgenden Motorzyklen zu steuern.
2 veranschaulicht ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Einführung eines Hauptbrennstoffs in den Zylinder 210 in zwei getrennten Schritten, welche ferner die Einführung eines Zündkraftstoffes umfassen, um die Verbrennung des Hauptbrennstoffs zu entflammen. Ähnlich wie in der Ausführungsform von 1, vermischt sich in der Ausführungsform der 2 der Hauptbrennstoff, der während des ersten Schritts eingeführt wird, mit der Ansaugluft und verbrennt im Wesentlichen in einer homogenen Magermotorverbrennungsart, und der Hauptbrennstoff, der während des zweiten Schritts eingeführt wird, verbrennt im Wesentlichen in einer Diffusionverbrennungsart.
2a zeigt die Einführung des Hauptbrennstoffs 217a des ersten Schritts in den Zylinder 210 durch das Einspritzventil 215 während des Ansaugtakts, wenn das Ansaugventil 211 offen und das Auslassventil 212 geschlossen ist. In 2a befindet sich der Kolben 213 am unteren Totpunkt oder er bewegt sich vom Einspritzventil 215 weg. Das Verfahren zur Einführung des Hauptbrennstoff 217a des ersten Schritts ist ähnlich dem Verfahren der Einführung des Hauptbrennstoffs 117a des ersten Schritts, der zuvor beschriebenen Ausführungsform und alle anderen alternativen Verfahren zur Einführung des Hauptbrennstoffs im ersten Schritt sind für diese Ausführungsform ebenfalls anwendbar.
2b stellt die Einführung von Zündkraftstoff 218 dar, wenn sich der Kolben 213 während des Kompressionstakts in Richtung des Einspritzventils 215 bewegt. Ansaugventil 211 und Auslassventil 212 sind beide geschlossen. Die Menge an Zündkraftstoff 218 und die Zündkraftstoff-Einspritzeinstellung sind so eingestellt, dass eine vorgemischte Schichtladung an Zündkraftstoff, Hauptbrennstoff und Luft innerhalb des Zylinders 210 gebildet wird. In einem bevorzugten Verfahren ist die Schichtladung insgesamt mager im Hinblick auf die Mengen an Zündkraftstoff und Hauptbrennstoff innerhalb der Zündfahne. Vorzugsweise wird die Zündung der Schichtladung koordiniert mit etwa der Zeit, wenn der Kolben 213 den oberen Totpunkt des Kompressionstakts erreicht. Wenn sich die Zündkraftstoffahne entzündet, verbrennen sowohl der Zündkraftstoff 218 als auch der Hauptbrennstoff, die innerhalb der Zündfahne eingeschlossen sind. Da die Zündfahne insgesamt mager ist, werden die positiven Auswirkungen der Magermotorverbrennung auf die NOx-Bildungsraten in der Zündfahne realisiert.
In einer anderen Ausführungsform kann der Zündkraftstoff in den Zylinder 210 eingeführt werden, wenn der Kolben 213 dicht am TDC ist. In dieser Ausführungsform verbrennt der Zündkraftstoff im Wesentlichen in einer Diffusionsverbrennungsart, welche zu höheren NOx-Bildungsraten führt. Dementsprechend ist es bevorzugt, den Zündkraftstoff früh in den Kompressionstakt einzuspritzen, wie in 2b veranschaulicht, so dass sich eine geschichtete Zündfahne innerhalb des Zylinders 210 bildet. Der Zündkraftstoff 218 darf jedoch nicht zu früh eingespritzt werden, weil dies zu einer zu mageren Schichtladung führen würde, die sich von einem Zyklus zum nächsten nicht wiederholt selbst entzündet. Der Zündkraftstoff wird bevorzugt in den Zylinder 210 eingeführt, zwischen 120 und 20 Kurbelwinkelgraden vor dem TDC. Die optimale Zündkraftstoff-Einspritzeinstellung kann je nach Motordrehzahl und Lastbedingungen variieren. Zündkraftstoffmenge und – einstellung können auch angepasst werden, wenn Klopfen erkannt wird.
Wie in 2c gezeigt, geschieht die Einspritzung des Hauptbrennstoffs 217b des zweiten Schritts, wenn der Kolben 213 dicht am oberen Totpunkt ist, ähnlich der vorherigen Ausführungsform, die in 1b gezeigt wird. Weil der Hauptbrennstoff 217b am Ende des Kompressionstakts oder früh im Arbeitstakt eingeführt wird, hat er keine Möglichkeit, sich gründlich mit der Luft im Zylinder 210 zu vermischen. Dementsprechend verbrennt der Hauptbrennstoff 217b des zweiten Schritts im Wesentlichen in einer Diffusionsart der Verbrennung. Da ein Großteil des Brennstoffs in der Zündfahne und ein Anteil der vorgemischten Ladung zum Zeitpunkt der Einführung des Hauptbrennstoffs des zweiten Schritts verbrannt sind, vermischt sich der eingeführte Hauptbrennstoff 217b mit Luft und erhöht die Menge an Verbrennungsprodukten signifikant. Die NOx-Bildungsraten werden aufgrund des geringeren Sauerstoffpotentials potentiell reduziert.
Da die Menge an Hauptbrennstoff 217a des ersten Schritts durch die Klopfgrenze des Motors beschränkt ist, wird die Motorleistung unter hohen Lastbedingungen gesteuert, indem die Menge des Hauptbrennstoffs 217b des zweiten Schritts angepasst wird.
Wie in der Ausführungsform von 1, kann die zweite Schritteinstellung und Menge an Brennstoff 217b des zweiten Schritts gesteuert werden, um die Ansaugkrümmertemperatur und den Ansaugkrümmerdruck in den folgenden Motorzyklen zu beeinflussen. Der Brennstoff 217b des zweiten Schritts kann in mehreren Einspritzimpulsen eingespritzt werden. Wenn ein Zündkraftstoff verwendet wird, kann ein Anteil an Brennstoff 217b des zweiten Schritts in den Zylinder 210 eingespritzt werden, so dass er mit dem Zündkraftstoff 218 verbrennt, um die Zündung der homogenen Ladung zu unterstützen. Ähnlich dem Verfahren, das in 1 veranschaulicht ist, kann die zweite Schritteinstellung und Menge des zweiten Schritts manipuliert werden, um die Ansaugkrümmertemperatur und den -druck zu beeinflussen, um dem Klopfen vorzubeugen oder um zu Bedingungen beizutragen, die der HCCI-Verbrennung förderlich sind.
Zündkraftstoffdurchsatz und Einspritzeinstellung werden zusätzlich verwendet, um die Parameter zu steuern, die in der ersten Ausführungsform diskutiert wurden, um den Motorbetrieb im Sinne des Erhalts einer hohen Kreislaufwirkungsgrads zu optimieren, und dabei gleichzeitig das Niveau an NOx und PM so niedrig wie möglich zu halten, während gleichzeitig dem Auftreten von Klopfen vorgebeugt wird. Das heißt, durch die Verwendung von Zündkraftstoff kann der Start der Verbrennung der vorgemischten Ladung zusätzlich gesteuert werden. Die Steuerung wird erreicht durch Kompressionserhitzung der vorgemischten Ladung außerhalb der Zündfahne durch die Ausdehnung der verbrannten Ladung in der Zündfahne (das Dichteverhältnis von verbrannter zu unverbrannter Ladung liegt bei ungefähr 4). Diese Ausdehnung verdichtet die unverbrannte vorgemischte Ladung außerhalb der Zündfahne. Die Kompression führt zur Erhöhung der Temperatur der unverbrannten vorgemischten Ladung, was zur Selbstentzündung führt (ähnlich den Kompressionswirkungen, die zur Endgaszündung in Motoren mit elektrischer Zündung führt).
Die Menge an Zündkraftstoff und das vorgemischte Brennstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis legen zusammen die Höhe des Temperaturanstiegs fest. Früh eingespritzter Zündkraftstoff bildet eine im Wesentlichen magere geschichtete Fahne innerhalb eines Zylinders, der vorgemischt mit Brennstoff und Luft gefüllt ist. Die Entwicklung oder Zündkraftstoffahne hängt von der Zündkraftstoffeinspritzungseinstellung und der Zündkraftstoffmenge sowie von den Bedingungen innerhalb des Zylinders ab. Vorzugsweise ist der Anstieg der Kompression und der Temperatur, die von der Verbrennung der Zündfahne verursacht wird, die Ursache dafür, dass der vorgemischte Brennstoff und Luft in einer HCCI-Verbrennungsart verbrennen. Alternativ ist es möglich, dass der Temperaturanstieg, der von der Verbrennung der Zündfahne verursacht wird, im Gegenzug die Ursache für eine Flamme ist, sich durch die magere vorgemischte Ladung auszubreiten (die Flammenausbreitung durch die vorgemischte Ladung wird jedoch nicht erwartet, da erwartet wird, dass das Äquivalenzverhältnis der vorgemischten Ladung zu niedrig ist, um eine Flammenausbreitung zu unterhalten). In jedem Fall kann die Steuerung des Beginns der Verbrennung der vorgemischten Ladung gesteuert werden, indem eine geschichtete Zündkraftstoffahne verbrannt wird. Die positiven Auswirkungen einer Magermotorverbrennung auf die Reduzierung der NOx-Bildungsraten, werden in jedem Fall realisiert.
Es gibt den Nachteil einer höheren NOx-Bildung in der Zündfahne verglichen mit sehr magerer Fumigationsverbrennung, weil die geschichtete Zündfahne kraftstoffreicher ist (wenn sowohl der Hauptbrennstoff als auch der Zündkraftstoff berücksichtigt werden). Wenn der Hauptbrennstoff ein gasförmiger Brennstoff ist, wie etwa Erdgas oder Wasserstoff, und der Zündkraftstoff Dieselbrennstoff ist, erhöht die Einführung des Hauptbrennstoffs in der zweiten Stufe den Anteil an Hauptbrennstoff, der verwendet werden kann, um die Motoranforderungen unter hohen Lastbedingungen zufrieden zu stellen. Eine Erhöhung des Anteils an Hauptbrennstoff, reduziert die Menge an verbrauchten Dieselbrennstoff, wodurch die NOx-Emissionen reduziert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform repräsentiert die Menge an Zündkraftstoff 218 im Allgemeinen einen Durchschnitt von weniger als 10 % der Gesamtmenge an Brennstoff auf einer Energiebasis, wobei der Hauptbrennstoff 217a und 217b für den Ausgleich sorgen. Unter speziellen Betriebsbedingungen kann die Menge an Zündkraftstoff 218 höher oder niedriger als 10 % der gesamten Brennstoffmenge sein.
3 stellt eine alternative Anordnung zur Einführung des Hauptbrennstoffs 317a des ersten Schritts in den Zylinder 310 während des Ansaugtakts dar. In 3 ist das Ansauventil 311 offen und das Auslassventil 312 geschlossen. Kolben 313 bewegt sich vom Einspritzventil 315 weg und saugt eine Mischung aus Ansaugluft und Hauptbrennstoff des ersten Schritts in den Zylinder 310. Anstatt mit dem Mischen des gasförmigen Hauptbrennstoffs 317a und der Luft 320 innerhalb des Zylinder 314 zu beginnen, führt ein Hilfseinspritzventil 325 Hauptbrennstoff 317a in ein Luftansaugsystem, so dass der Hauptbrennstoff 317a sich mit der Luft in dem Ansaugluftdurchgang 320 mischt, bevor er in den Zylinder 310 gesogen wird. Der Ansaugdurchgang 320 kann zum Beispiel ein Ansaugluftkrümmer oder ein Ansaugdurchgang weiter oberhalb im Luftansaugsystem sein. Fachleute werden schätzen, dass das Hilfseinspritzventil 325 zum Beispiel vor einem Turbolader angeordnet sein kann, so dass der Luftdruck am Einspritzpunkt niedriger ist und die Luft und der Brennstoff länger Zeit haben, sich zu mischen, bevor sie in den Zylinder 310 eingeführt werden.
Die Vormischung von Brennstoff und Luft vor der Einführung in den Zylinder 310 gibt der Mischung mehr Zeit, vor der Verbrennung homogen zu werden. Das Ansaugventil 311 steuert die Einführung der vorgemischten Ladung aus Brennstoff und Luft. In Motoren, die nur einen Brennstoff verwenden, wird der Brennstoff der zweiten Stufe, wie in 1b gezeigt, durch das Einspritzventil 315 eingeführt. In Motoren, die einen Zündkraftstoff verwenden, ist das Einspritzventil 315 vorzugsweise ein Zweistoff-Einspritzventil, das wie das Einspritzventil arbeitet, das in 2b und 2c gezeigt wird, um den Zündkraftstoff und den Hauptbrennstoff der zweiten Stufe einzuführen.
Für Motoren, die mehrere Kolben umfassen, können mehrere Hilfseinspritzventile verwendet werden, oder das Hilfseinspritzventil 325 kann weiter oberhalb im Luftansaugsystem angeordnet werden, um alle Kolben zu bedienen.
4 veranschaulicht einen Funktionsplan, der zeigt, wie ein Messungsuntersystem 401 verwendet werden kann, um Daten zu sammeln, die sich auf die aktuellen Betriebsbedingungen beziehen. In einer bevorzugten Ausführungsform, sammelt ein Messungsuntersystem 401 Daten, die sich auf die Drosselklappenposition, die Motordrehzahl und andere Betriebsparameter beziehen und sendet diese Daten an das elektronische Steuergerät (ECU). Das ECU muss keine separate unabhängige Komponente oder Einheit sein, sondern kann mit anderen Komponenten, wie zum Beispiel Motorbetriebsdatenmessgeräten integriert werden. Das Messungsuntersystem 401 kann optional zusätzliche Informationen bereitstellen, wie etwa Ansaugkrümmertemperatur; Ansaugkrümmerdruck: Ansaugluftstrom: externe AGR-Menge; externe AGR-Temperatur; Auslass- und Einlassventileinstellung; Kompressionsverhältnis und Information, die auf das Auftreten von Klopfen hinweisen.
Das ECU erhält die Daten vorzugsweise aus dem Messungsuntersystem 401 und erfasst oder verwendet die Daten zu Berechnung:

(a) der aktuellen Motordrehzahl;
(b) des aktuellen Luftdurchsatzes (A);
(c) der aktuellen externe AGR-Menge und AGR-Temperatur (TEGR);
(d) der aktuellen Ansaugkrümmerladungstemperatur (IMT):
(e) des aktuellen Restgasfraktionseinschlusses (der aus der Auslass- und Eunlassventileinstellung errechnet werden kann);
(f) des aktuellen Kompressionsverhältnis (CR): und
(g) des aktuellen Ansaugkrümmerdrucks (IMP).

In Schritt 402 legt das ECU die gewünschten Steuerungsparameter fest, unter Bezugnahme, zum Beispiel auf eine Nachschlagetabelle, in der die erforderlichen Informationen gespeichert sind. Zum Beispiel enthält die Nachschlagetabelle für eine gegebene Drehzahl- und Lastbedingung Informationen zur optimalen Ansaugkrümmertemperatur, zum Ansaugkrümmerdruck, zum Kompressionsverhältnis, der Restgaseinschlussfraktion, Ansaug- und Auslassventileinstellung, AGR-Menge, AGR-Temperatur, die Menge an Hauptbrennstoff, die früh eingespritzt werden muss und die Einstellung und die Menge an Hauptbrennstoff, die im zweiten Schritt eingespritzt werden muss. Es werden angemessene Maßnahmen ergriffen, um die optimalen Werte zu erreichen. Wenn zum Beispiel die AGR-Menge zu niedrig ist, dann wird die AGR-Menge erhöht.
In dem vorliegenden Verfahren werden die optimalen Werte für die Ansaugkrümmertemperatur, den Ansaugkrümmerdruck, das Kompressionsverhältnis, Restgaseinschluss, die Ansaug- und Auslassventileinstellung, die AGR-Menge, die AGR-Temperatur, und die Menge an Hauptbrennstoff, der in den ersten und zweiten Schritten eingespritzt wird, so ausgewählt, dass der Motorbetrieb optimiert wird, in dem Sinne, einen hohen Kreislaufwirkungsgrad zu erhalten während das Niveau an NOx und PM so niedrig wie möglich ist, während gleichzeitig dem Auftreten von Klopfen vorgebeugt wird. Ein Beispiel für eine Brennverlaufskurve, die dieser optimalen Bedingung entspricht, ist in 6a dargestellt. In dieser Figur ist die Brennverlaufskurve gegen die Kurbelwinkelgrade im Verhältnis zum TDC eingezeichnet. Der Hauptbrennstoff zündet nahe dem Anfang des Arbeitstakts, an Kurbelwinkelgrad X, welcher am oder dicht beim TDC liegt. Die vorgemischte Ladung verbrennt schnell, normalerweise innerhalb der ersten 10–20 Kurbelgrade nach dem oberen Totpunkt und gipfelt an Kurbelwinkelgrad Y. Während der Verbrennung der mageren vorgemischten Ladung wird sehr wenig NOx erzeugt. Wie oben diskutiert, wird die Einstellung des Beginns der Verbrennung der vorgemischten Ladung von mindestens von einem von Ansaugkrümmertemperatur, Menge an Hauptbrennstoff, der früh eingespritzt wurde, Ansaugkrümmerdruck, externer AGR-Menge, Restgaseinschluss und Einstellung und Menge an Hauptbrennstoff, der in zwei Schritten eingespritzt wird, gesteuert. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis der vorgemischten Ladung ist klopf- und druckbegrenzt (das heißt, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis zu kraftstoffreich ist, kann Klopfen auftreten, oder maximale Druckgrenzen im Zylinder können überschritten werden.). Der zweite Schritt der Hauptbrennstoffeinspritzung ist so eingestellt, dass er dicht am TDC des Kompressionstakts geschieht. Ein Anteil des Hauptbrennstoffs, das während des zweiten Schritts eingeführt wird, verbrennt dicht am oberen Totpunkt, wobei er zur Wärmeabgabe beiträgt, die den Maximalwert an Kurbelwinkelgrad Y bildet. Der Brennstoff, der während des zweiten Schritts eingespritzt wird, verbrennt im Wesentlichen in Diffusionsverbrennungsart. Um einen hohen Kreislaufwirkungsgrad beizubehalten, ist die Einspritzung des Hauptbrennstoffs während des zweiten Schritts im Wesentlichen bei Kurbelwinkelgrad Z abgeschlossen, der zwischen etwa 30 bis 50 Kurbelgraden nach dem TDC des Kompressionstakts liegt.
Das ECU kann auch Daten aus dem Messungsuntersystem 401 erhalten, die angeben, ob Klopfen auftritt oder nicht. Wenn das ECU in Schritt 403 Klopfen erkennt, dann werden in Schritt 404 angemessene Steuerungsmaßnahmen ergriffen, um die Parameter anzupassen und weiterem Klopfen vorzubeugen. Zum Beispiel wird die Menge an Hauptbrennstoff, die früh eingespritzt wird, reduziert, mit einem entsprechenden Anstieg der Menge an Hauptbrennstoff, die in dem zweiten Schritt dicht am oberen Totpunkt eingespritzt wird. Zusätzlich oder in einer alternativen Maßnahme, auf der Basis von vorher festgelegten Korrekturhandlungen, die in einer Nachschlagetabelle dargelegt sind, kann das ECU zum Beispiel wählen, einen oder mehrere der folgenden Schritte zu unternehmen:

(a) Verringern des Kompressionsverhältnisses;
(b) Verzögern des Schließens des Ansaugventilverschlusses; und
(c) Reduzieren der externen AGR-Menge.

Um dem weiteren Auftreten von Klopfen vorzubeugen, kann das ECU in Schritt 405 die in seinem Speicher gespeicherten Werte neu kalibrieren, um den Wert für die Klopfgrenze neu zu kalibrieren.
In Schritt 406 legt das ECU schließlich die Motorbetriebsparameter fest, nach Berücksichtigung der Werte in der Nachschlagetabelle, die in Schritt 402 bestimmt wurden, und den Anpassungen, die in Schritt 404 gemacht wurden. Diese Parameter umfassen vorzugsweise einen oder mehrere der folgenden Punkte:

(a) Durchsatz des gasförmigen Brennstoffs im ersten Schritt;
(a) Einstellung des gasförmigen Brennstoffs im ersten Schritt;
(c) Ansaugkrümmertemperatur;
(c) Ansaugkrümmerdruck;
(e) Ansaugventileinstellung;
(e) Auslassventileinstellung;
(g) externe AGR-Menge und/oder Restgaseinschluss;
(h) Kompressionsverhältnis;
(i) Menge an gasförmigem Brennstoff im zweiten Schritt; und
(a) Einstellung des gasförmigen Brennstoffs im zweiten Schritt;

5 ist ein Funktionsplan, der dem Plan in 4 gleicht, abgesehen davon, dass 5 an einen Motor gerichtet ist, der einen Zündkraftstoff verwendet, um die Verbrennung eines gasförmigen Hauptbrennstoffs zu entflammen. Dementsprechend unterscheiden sich einige der Parameter, die vom Messungsuntersystem 501 gemessen wurden, von den Parametern, die vom Untersystem 401 von 4 gemessen wurden. Das Untersystem 501 misst zum Beispiel den Zündkraftstoffdurchsatz, muss aber die Ansaugkrümmertemperatur oder AGR-Temperatur nicht messen, da diese Parameter nicht überwacht werden müssen, um die Selbstzündung des gasförmigen Brennstoffs zu steuern. Die Schritte 502 bis 506 sind im Wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Schritte 402 bis 406 von 4, die oben beschrieben werden.
Das offenbarte Verfahren zur Einführung eines Hauptbrennstoffs in zwei getrennten Schritten reduziert die Wahrscheinlichkeit des Klopfens, stellt einen effizienten Betrieb bereit, indem es sowohl Magergasverbrennungsarten (HCCI) als auch Diffusionsverbrennungsarten verwendet und eine hohe Motorleistung erhält, während die NOx-Emissionen im Vergleich mit herkömmlichen Betriebsverfahren reduziert werden.
Ein Beispiel für eine Brennverlaufskurve, die dem Verfahren von 5 entspricht, ist in 6b dargestellt. In dieser Figur, ist die Brennverlaufskurve gegen die Kurbelwinkelgrade im Verhältnis zum TDC eingezeichnet. Die Zündfahnenverbrennung beginnt bei Kurbelwinkelgrad A, welcher dicht am TDC liegt (vorzugsweise innerhalb des Bereichs zwischen 20 Grad vor und nach dem TDC). Die Zündfahne brennt weiterhin bis zum Kurbelwinkelgrad B, an dessen Punkt, die vorgemischte Ladung schnell zu brennen beginnt. Im Wesentlichen verbrennt die gesamte vorgemischte Ladung innerhalb der ersten 10 bis 20 Kurbelwinkelgrade nach dem oberen Totpunkt, wie bei der relativ hohen Brennverlaufskurve gezeigt, die ihren Maximalwert nach dem TDC bei Kurbelwinkelgrad C erreicht. Während der Verbrennung der mageren vorgemischten Ladung wird sehr wenig NOx erzeugt. Wie oben diskutiert, wird die Einstellung des Beginns der Verbrennung der vorgemischten Ladung durch mindestens einen, und möglichst mehrere der folgenden Parameter gesteuert: Ansaugkrümmertemperatur, Menge an Hauptbrennstoff, der früh eingespritzt wird, Ansaugkrümmerdruck, externe AGR-Menge, Restgaseinschluss und Einstellung und Menge an Hauptbrennstoff und Zündkraftstoff, die in den drei Schritten eingespritzt werden. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis der vorgemischten Ladung ist klopf- und druckbegrenzt (das heißt, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis zu kraftstoffreich ist, kann Klopfen auftreten, oder maximale Druckgrenzen im Zylinder können überschritten werden.). Der zweite Schritt der Hauptbrennstoffeinspritzung ist so eingestellt, dass er dicht am oberen Totpunkt des Kompressionstakts geschieht. Ein Anteil des Hauptbrennstoffs, der während des zweiten Schritts eingeführt wird, verbrennt ebenfalls dicht am TDC, wobei er zur Brennverlaufskurve bei Kurbelwinkelgrad C beiträgt. Der in diesem Schritt eingespritzte Brennstoff, verbrennt jedoch im Wesentlichen in einer Diffusionverbrennungsart, und trägt zu dem Anteil der Brennverlaufskurve zwischen den Kurbelwinkelgraden C und D bei. Vorzugsweise ist die Einspritzung des Hauptbrennstoffs während des zweiten Schritts vor Kurbelwinkelgrad 30 nach dem TDC des Kompressionstakts beendet, um einen hohen Kreislaufwirkungsgrad zu erhalten.
Mit Bezug zu 6b, kann das ECU auch Daten aus dem Messungsuntersystem 501 erhalten, die angeben, ob Klopfen auftritt oder nicht. Wenn Klopfen erkannt wird, dann trifft das ECU geeignete Steuerungsmaßnahmen, wie in den Schritten 503 bis 506 beschrieben.
Daher reduziert das offenbarte Verfahren zur Einführung eines Hauptbrennstoffs in zwei getrennten Schritten die Wahrscheinlichkeit des Klopfens, stellt einen effizienten Betrieb bereit, indem es geschichtete Ladung (Zündfahne), Magengas- und Diffusionsverbrennungsarten alle zusammen im gleichen Motorzyklus verwendet und eine hohe Motorleistung erhält, während die NOx-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Betriebsverfahren reduziert werden.
So wie er hier verwendet wurde, wurde der Begriff "Drosselklappe" oder "Drosselklappenposition" in einem allgemeinen Sinn verwendet, um die Lastanforderung auf den Motor zu übertragen. Normalerweise wird eine solche Lastanforderung durch den Nutzer eingestellt und kann eine Fußpedalanordnung (im Falle eines Fahrzeugmotors) oder eine vor vorher festgelegte Lastanforderung (im Falle eines energieerzeugenden Motors) sein. Im Allgemeinen gibt es viele Wege, über die ein Nutzer seine Lastanforderung einstellen kann, und der Begriff "Drosselklappe" (wie er in diesem Antrag verwendet wird) ist in diesem allgemeinen Sinn zu verstehen.
Während die Offenbarung die bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung im Hinblick auf einen Viertaktmotor beschreibt, werden die Fachleute verstehen, dass die gleichen Verfahren auch auf Zweitaktmotoren angewendet werden können. In gleicher Weise gilt, die begleitenden Figuren veranschaulichen keine Motoren, die mit einer Glühkerze oder einer Zündkerze ausgestattet sind, um die Zündung des Brennstoffs zu unterstützen, Motoren, die mit derartigen Geräten ausgestattet sind, und ihre jeweiligen Gestaltung sind Fachleuten wohlbekannt.
Wie für Fachleute im Lichte der vorausgehenden Offenbarung offensichtlich ist, sind in der Praxis dieser Erfindung viele Veränderungen und Modifikationen möglich, ohne sich von Geist oder Umfang der Erfindung zu entfernen. Dementsprechend ist der Umfang der Erfindung in Übereinstimmung mit den wesentlichen Inhalten zu analysieren, die in den folgenden Ansprüchen definiert werden.

Claims

Verfahren zum Einführen von gasförmigem Brennstoff in einen Zylinder (110; 210; 310) eines laufenden Verbrennungskraftmotors, wobei der Motor einen Kolben (113; 213; 313) aufweist, der im Zylinder angeordnet ist, und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Anzeigen eines Motorparametersatzes; (b) Festlegen von Motorlast und Motordrehzahl des Motorparametersatzes; (c) in einem ersten Schritt, Einführen eines ersten gasförmigen Brennstoffes (117a; 217a; 317a) in den Zylinder, wobei der erste gasförmige Brennstoff ein im Wesentlichen homogenes Gemisch vor der Verbrennung bildet, wobei das homogene Gemisch den ersten gasförmigen Brennstoff und Ansaugluft umfasst; und (d) in einem zweiten Schritt, der auf den ersten Schritt folgt, Einführen eines zweiten gasförmigen Brennstoffes (117b; 217b; 317b) in den Zylinder, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung des zweiten gasförmigen Brennstoffes direkt Energie ergänzt, die eingesetzt wird, um den Kolben anzutreiben, um es dem Motor zu erlauben, unter höheren Lastbedingungen zu laufen, die über diejenigen hinaus gehen, die von der Verbrennung des ersten gasförmigen Brennstoffes verfügbar sind; und ferner dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite gasförmige Brennstoffmenge steuerbar ist als Antwort auf zumindest eines von Motorlast und Motordrehzahl, und dass die Menge des ersten gasförmigen Brennstoffes begrenzt ist, um die Wahrscheinlichkeit des Klopfens zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Schritt initiiert ist, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im selben Motorzyklus, der erste gasförmige Brennstoff gemäß einer vorgemischten Verbrennungsart brennt und der zweite gasförmige Brennstoff im Wesentlichen gemäß einer Diffusionsverbrennungsart brennt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vorgemischte Verbrennungsart eine homogene kompressionsgezündete Verbrennungsart ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Viertaktmotor ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Schritt während des Ansaugtakts startet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Schritt startet, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt des Ansaugtakts ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste gasförmige Brennstoff mit Ansaugluft vorgemischt ist, bevor er in den Zylinder eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste gasförmige Brennstoff vor einem Turbolader oder einem Auflader mit Ansaugluft vorgemischt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motorparametersatz zumindest einen von Folgenden umfasst: Motordrehzahl, Motordrosselklappenposition, Ansaugkrümmertemperatur, Ansaugkrümmerdruck, Abgasrückführungsmenge und -temperatur, Luftdurchsatz in den Zylinder, Kompressionsverhältnis, Ansaug- und Abgasventileinstellung und die Anwesenheit oder Abwesenheit von Klopfen im Zylinder.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner das Ändern von zumindest einem der zweiten gasförmigen Brennstoffmenge oder der zweiten Schritteinstellung umfasst, und dies in Antwort auf Änderungen des Werts von zumindest einem Parameter des Motorparametersatzes.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein elektronisches Steuergerät die Einstellung und die Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffes steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffes variabel ist und wobei die Menge zunimmt, wenn die Motorlast zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Turboladen des Motors und das Steuern des Ansaugkrümmerdrucks umfasst, und dies zumindest teilweise, indem es zumindest eines von Folgendem steuert: (a) die Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffes und (b) die Zeit des zweiten gasförmigen Brennstoffes, das in den Zylinder eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Erhöhen des Ansaugkrümmerdrucks umfasst, um das Ansauglast-Äquivalenzverhältnis zu reduzieren, wenn Klopfen erkannt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner zumindest eines vom Turboladen und Rückführen von Motorabgas zu einem Ansaugkrümmer umfasst, und das auf die Ansaugkrümmertemperatur einwirkt, indem es zumindest eines von Folgendem steuert: (a) die Menge des zweiten gasförmigen Brennstoffes und (b) die Zeit des zweiten gasförmigen Brennstoffes, das in den Zylinder eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Herabsetzen der Ansaugkrümmertemperatur umfasst, wenn Klopfen erkannt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der zweite Schritt mehrere Kraftstoffeinspritzimpulse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der zweite Schritt aus einem ersten Einspritzimpuls und einem zweiten Einspritzimpuls besteht und wobei der zweite gasförmige Brennstoff zwischen dem ersten und dem zweiten Einspritzimpuls verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gesamtmenge des zweiten gasförmigen Brennstoffes in Antwort auf Motorlastvoraussetzungen mit einem elektronischen Steuergerät unter Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle festgelegt ist, um den zweiten gasför migen Brennstoff zwischen den mehreren Kraftstoffeinspritzimpulsen zu verteilen, wobei das elektronische Steuergerät für den Kraftstoffumwandlungswirkungsgrad zählt, der der Einstellung von den mehreren Einspritzimpulsen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Einstellung von zumindest einem des ersten und des zweiten Einspritzimpulses in Antwort auf zumindest eines von Motorlast und Motordrehzahl gesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine erste Anteilsmenge des zweiten gasförmigen Brennstoffes durch den ersten Einspritzimpuls eingeführt ist und eine zweite Anteilsmenge des zweiten gasförmigen Brennstoffes durch den zweiten Einspritzimpuls eingeführt ist, und wobei die erste Anteilsmenge und die zweite Anteilsmenge unabhängig in Antwort auf zumindest eines von Motorlast und Motordrehzahl gesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste Anteilsmenge in Antwort auf eine Zunahme der Motorlast erhöht ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei zumindest eine von der zweiten Einspritzimpulseinstellung und der zweiten Anteilsmenge gesteuert ist, um auf zumindest eines von Ansaugkrümmertemperatur und Ansaugkrümmerdruck einzuwirken, wobei die Einstellung vorgeschoben ist, um die Ansaugkrümmertemperatur und/oder den Druck zu verringern, und/oder die Kraftstoffmenge ist verringert, um die Ansaugkrümmertemperatur und/oder den Druck zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner das Verringern der Ansaugkrümmertemperatur umfasst, wenn Klopfen erkannt ist.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner das Erhöhen des Ansaugkrümmerdrucks umfasst, wenn Klopfen erkannt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Einführen eines Zündkraftstoffes in den Zylinder umfasst, so dass es entflammt, wenn der Kolben am oder dicht beim oberen Totpunkt des Kompressionstaktes ist.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner das Einstellen der Einführung und der Menge des Zündkraftstoffes umfasst, um eine im Wesentlichen magere Schichtladung vor der Zündung des Zündkraftstoffes zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Zündkraftstoff in den Zylinder eingeführt wird, wenn der Kolben zwischen 120 und 20 Kurbelwinkelgrad vor dem oberen Totpunkt ist.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner das elektronische Steuern der Einstellung und des Betrags von gasförmigem Brennstoff und Zündkraftstoff steuert, der in den Zylinder eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 30, das ferner das Ändern von zumindest eines der Zündkraftstoffmenge und der Einstellung umfasst, wenn Klopfen erkannt ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Zündkraftstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Dieselkraftstoff und Dimethylether besteht.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Zündkraftstoff mit einem von dem ersten oder dem zweiten gasförmigen Brennstoff gemischt ist und gemeinsam mit dem gasförmigen Brennstoff in den Zylinder eingeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite gasförmige Brennstoff derselbe gasförmige Brennstoff sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste gasförmige Brennstoff und der zweite gasförmige Brennstoff aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus Erdgas, flüssigem Propangas, Biogas, Deponiegas und Wasserstoffgas besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Zünden des gasförmigen Brennstoffes mit dem Einsetzen einer Glühkerze oder Zündkerze umfasst.
Vorrichtung zum Einführen von gasförmigem Brennstoff in den Zylinder (110; 210; 310) eines Verbrennungskraftmotors, der im Einklang mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36 läuft, wobei der Motor zumindest einen Zylinder mit einem darin angeordneten Kolben (113; 213; 313) aufweist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: (a) Messungseinheiten (401) zum Sammeln von Betriebsdaten des Motors, wobei die Messungseinheiten ein Tachometer zum Messen der Motordrehzahl, einen Sensor zum Festlegen der Drosselklappenposition, und einen Sensor zum Festlegen der Temperatur in einem Ansaugkrümmer umfassen; (b) ein elektronisches Steuergerät (ECU), das die Betriebsdaten empfängt und die Daten verarbeitet, um einen Lastbedingungssatz zu berechnen, wobei das elektronische Steuergerät einen Speicher umfasst, um Lastbedingungs-Steuersätze und vorbestimmte Betriebsarten für die Lastbedingungs-Steuersätze zu speichern, wobei das elektronische Steuergerät den berechneten Lastbedingungssatz mit dem Lastbedingungs-Steuersatz vergleicht, um eine von den mehreren vorbestimmten Betriebsarten auszuwählen; (c) Mittel zum Steuern der Temperatur im Ansaugkrümmer, wobei das Mittel eingesetzt wird, um die Temperatur im Ansaugkrümmer an eine Temperatur anzupassen, die durch das elektronische Steuergerät festleget ist unter Bezugnahme auf die gemessenen Betriebsdaten und den berechneten Lastbedingungssatz; (d) ein Gasbrennstoff-Einspritzventil (115; 215; 315), das vom elektronischen Steuergerät gesteuert wird, um dann einen Anteil vom gasförmigen Brennstoff in den Zylinder einzuführen, wenn Zylinderansaugventile (111; 211; 311) und Abgasventile (112; 212; 312) geschlossen sind, und in Mengen, die vom elektronischen Steuergerät im Einklang mit den vorbestimmten Betriebsarten festgelegt werden; und (e) ein Hilfs-Gasbrennstoff-Einspritzventil (325), das vom elektronischen Steuergerät gesteuert wird, um einen Anteil vom gasförmigen Brennstoff in einen Ansaugluft durchgang (320) einzuführen, um ein Gemisch aus Luft und gasförmigem Brennstoff zum Zylinder zu liefern, wenn das Ansaugventil offen ist, wobei das Gemisch ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis aufweist, das von der elektronischen Steuergerät anhand der vorbestimmten Betriebsarten festgelegt wird; wobei für gegebene berechnete Lastbedingungen die vorbestimmte Betriebsart die Einstellung und Menge der Einführung von gasförmigem Brennstoff in den Zylinder festlegt, wobei eine vorgemischte Last aus gasförmigem Brennstoff und Luft durch das Ansaugventil eingeführt wird, um im Zylinder in einer vorgemischten Verbrennungsart zu brennen, und wobei gasförmiger Brennstoff durch das Gasbrennstoff-Einspritzventil in den Zylinder eingeführt wird, um im Wesentlichen in einer Diffusionsverbrennungsart zu brennen, wobei die Verbrennung des zweiten gasförmigen Brennstoffes direkt Energie ergänzt, die eingesetzt wird, um den Kolben anzutreiben, um Lastanforderungen zu entsprechen, die über diejenigen hinaus gehen, die von der Verbrennung vom vorgemischten Ladungsgasbrennstoff allein bereit gestellt werden und wobei die Menge des ersten gasförmigen Brennstoffes begrenzt ist, um die Wahrscheinlichkeit des Klopfens zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Mittel zum Steuern von Temperatur im Ansaugkrümmer einen Fluiddurchgang, der einen Abgasrohrkrümmer mit dem Ansaugkrümmer verbindet, und ein Steuerventil zum Steuern der Menge vom Abgas, das durch den Fluiddurchgang fließt, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 38, die ferner einen Wärmeaustauscher in Verbindung mit dem Fluiddurchgang umfasst, um die Temperatur des Abgases, das dadurch fließt, zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 37, die ferner einen Turbolader umfasst, um die Ansaugluft unter Druck zu setzen, und zumindest einen von einem Zwischenkühler und einem Nachkühler.