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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur Doppelkraftstoffeinspritzung
in die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors. Genauer betrifft
die vorliegende Erfindung eine Doppelkraftstoffeinspritztechnik,
die zur Anwendung in den Verbrennungsmotoren von Personenkraftwagen,
Lastkraftwagen. Bussen, Lokomotiven, Schiffen und anderen Formen
des Transports wie auch in Motoren, die mit der Energieproduktion
und industriellen Anwendungen in Zusammenhang stehen, geeignet ist.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
Umwandlung von Dieselmotoren in einen Erdgasbetrieb ist seit einiger
Zeit eine Bestrebung der Verbrennungsmotorindustrie. Erdgas ist
ein sauber verbrennender Kraftstoff (in Bezug zu Diesel), was bedeutet,
dass ein Motor dann, wenn er Dieselkraftstoff durch Erdgaskraftstoff
ersetzt, mit verringerten Ausstosspegeln sowohl an Stickoxiden (NOx)
als auch an Feinstaub (PM) tätig
sein kann.
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Ein
bekanntes Verfahren zum Umwandeln von Dieselmotoren in einen Erdgasbetrieb
wird als Doppelkraftstoffbetrieb bezeichnet. Typischerweise mischen
Doppelkraftstoffmotoren Erdgas mit der Ansaugluft. bevor das Luft/Erdgas-Gemisch
in den Motorzylinder eingebracht wird (ein Vorgang, der in der Technik
als Begasung bekannt ist). Das homogene Luft/Erdgas-Gemisch wird
dann während
des Ansaugtakts in den Kolbenzylinder eingebracht. Während des
Verdichtungstakts wird der Druck und die Temperatur des homogenen
Gemischs erhöht.
Nahe dem Ende des Verdichtungstakts wird eine kleine Menge an Pilotdieselkraftstoff
verwendet, um das Luft/Erdgas-Gemisch zu entzünden. Der Vorteil des Einsetzens
eines homogenen Gemischs aus Luft und Erdgas ist, dass das Verbrennungskraftstoff-Luft-Verhältnis (F/A-Verhältnis) so
gesteuert werden kann, dass es in einer mageren homogenen Weise
verbrennt und verglichen mit gleichwertigen dieselbetriebenen Motoren
einen niedrigeren NOx-Ausstoss und weniger Feinstaub erreicht.
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Doch
dieses Doppelkraftstoffverfahren weist zwei Nachteile auf. Dem ersten
Hauptnachteil begegnet man bei Motorbetriebsbedingungen mit hoher Belastung,
wenn die erhöhte
Temperatur und der erhöhte
Druck im Kolbenzylinder während
des Verdichtungstakts das Luft/Erdgas-Gemisch für ein "Klopfen" anfällig
machen. Klopfen ist ein ungesteuerter Verbrennungsvorgang, der zu
einer sehr hohen Wärmefreisetzungsrate
führt,
die rasche Schwankungen im Verbrennungskammerdruck oder einen Verbrennungskammerdruck,
der selbst hoch genug ist, um den Kolben und zugehörige Motorbestandteile
zu beschädigen,
verursacht. Einige Massnahmen zur Verringerung der Gefahr des Klopfens
beinhalten das Verringern des Verdichtungsverhältnisses des Motors oder das
Begrenzen des Leistungs- und Drehmomentausgangs, doch diese Massnahmen
verursachen eine entsprechende Verringerung der Taktleistungsfähigkeit
des Motors (d.h., von jedem Kolbentakt ist nicht soviel Leistung
verfügbar).
Der zweite Hauptnachteil ist, dass das Gemisch des Kraftstoffs und
der Luft unter Motorbetriebsbedingungen mit niedriger Belastung
zu mager wird, um eine stabile Verbrennung über eine Flammenausbreitung
zu unterstützen,
und zu einer unvollständigen
Verbrennung oder einer Fehlzündung
führt.
Der Ansaugluftstrom kann gedrosselt werden, um ein F/A-Verhältnis über der
Entzündbarkeitsgrenze
aufrechtzuerhalten, doch beeinflusst dies die Motorleistungsfähigkeit nachteilig.
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Vor
kurzem wurde in der Technik eine andere Art von Doppelkraftstoffverbrennungsmotor
bekannt, der hierin als ein "Hochdruckdirekteinspritzungs" (HPDI)-Gasmotor
bezeichnet ist. Ähnlich
wie beim oben beschriebenen herkömmlichen
Doppelkraftstoffverfahren verbrennen HPDI-Gasmotoren eine grosse Menge an gasförmigem Kraftstoff,
was durch die Verringerung der Ausstosspegel von NOx und Feinstaub
eine Verbesserung gegenüber
dieselbetriebenen Motoren ergibt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass
HPDI-Gasmotoren die gleiche Verbrennungsleistungsfähigkeit
und den gleichen Leistungs- und Drehmomentausgang wie dieselbetriebene
Motoren des Stands der Technik erreichen. Das Betriebsprinzip, das
HPDI-Gasmotoren zugrunde liegt, ist, dass zwei Kraftstoffe nahe
dem Ende des Verdichtungstakts unter Druck in die Kammer eingespritzt
werden. Nach einem Verfahren wird eine geringe Menge an "Pilotkraftstoff" (typischerweise
Diesel) in den Zylinder eingespritzt, worauf unmittelbar eine wesentlichere
Menge an gasförmigem
Kraftstoff folgt. Der Pilotkraftstoff entzündet sich beim Druck und bei
der Temperatur im Zylinder am Ende des Verdichtungstakts leicht,
und die Verbrennung des Pilotkraftstoffs beginnt die Verbrennung
des gasförmigen
Kraftstoffs, der andernfalls schwer zu entzünden sein könnte. Bekannte HPDI-Gasmotoren
weisen kein Vorgemisch von Kraftstoff und Luft auf, als Ergebnis sind
sie anstatt in einem vorgemischten Verbrennungsmodus vielmehr in
einem "Diffusi ons"verbrennungsmodus
tätig.
Es wird angenommen, dass der Grossteil der Verbrennung in einem
Diffusionsverbrennungsmodus in einer lokalen fast stöchiometrischen
Reaktionszone auftritt, in der die Temperatur und die sich ergebene
NOx-Bildung (verglichen mit der Temperatur und der sich ergebenen
NOx-Bildung, die durch eine mager brennende vorgemischte Verbrennung
verursacht wird) verhältnismässig hoch sind.
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EO-0
967 372 A2, 29. Dezember 1999, Caterpillar Inc., offenbart ein Verfahren
zum Betreiben eines Motoraufbaus (10), der einen Zylinderaufbau (26)
aufweist, welcher eine Verbrennungskammer (46) definiert.
Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Durchführens eines Ansaugtakts des
Zylinderaufbaus (26) und des Vorschiebens eines Konditionierungskraftstoffs
während
des Schritts des Durchführens
des Ansaugtakts in die Verbrennungskammer (46). Das Verfahren
beinhaltet ferner die Schritte des Vorschiebens eines gasförmigen Kraftstoffs
während
des Schritts des Durchführens
des Ansaugtakts in die Verbrennungskammer (46), und des
Durchführens
eines Verdichtungstakts des Zylinderaufbaus (26) nach dem
Schritt des Durchführens
des Ansaugtakts. Das Verfahren umfasst ferner zudem die Schritte
des Vorschiebens eines Pilotkraftstoffs während des Schritts des Durchführens des
Verdichtungstakts in die Verbrennungskammer (46) und des Verbrennens
des Pilotkraftstoffs während
des Schritts des Durchführens
des Verdichtungstakts in der Verbrennungskammer (46), um
den Konditionierungskraftstoff und den gasförmigen Kraftstoff zu entzünden. Der
gasförmige
Kraftstoff und der Konditionierungskraftstoff werden vor dem Schritt
des Vorschiebens des Pilotkraftstoffs in der Verbrennungskammer
(46) gemischt, um die Entzündung des gasförmigen Kraftstoffs
in der Verbrennungskammer (46) zu erleichtern.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wird ein verbessertes Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff in
die Verbrennungskammer eines in Betrieb stehenden Verbrennungsmotors
bereitgestellt. Der Motor umfasst zumindest einen Kolben, der in
einem Zylinder angeordnet ist. Der in die Verbrennungskammer eingebrachte
Kraftstoff umfasst einen Hauptkraftstoff und einen Pilotkraftstoff, der
selbstentzündlicher
als der Hauptkraftstoff ist. Das Verfahren umfasst Folgendes:
- (a) Feststellen eines Satzes von Belastungsbedingungen
auf den Motor;
- (b) Einsetzen eines Betriebsmodus mit niedriger Belastung, wenn
ein erster vorbestimmter Satz von Belastungsbedingungen festgestellt
wird, wobei der erste vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen
Belastungsbedingungen entspricht, die vorhanden sind, wenn das gewünschte Verhältnis des
Hauptkraftstoffs zur Luft geringer als eine kalibrierte Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung eines homogenen Gemischs des Hauptkraftstoffs
und der Ansaugladung ist, und Einsetzen eines Betriebsmodus mit
hoher Belastung, wenn ein zweiter vorbestimmter Satz von Belastungsbedingungen
festgestellt wird, wobei der zweite vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen
bei einer wie in der Form von Kurbelwellenumdrehungen pro Minute
(U/min) gemessenen betriebsfähigen
Motorgeschwindigkeit einer Motorbelastung entspricht, die grösser als
die Motorbelastung ist, welche dem ersten vorbestimmten Satz von
Belastungsbedingungen entspricht;
- (c) Einbringen, im Betriebsmodus mit niedriger Belastung, des
Pilotkraftstoffs und des Hauptkraftstoffs in die Verbrennungskammer,
wenn der Zylinder mit Druck beaufschlagt wird, wenn sich der Kolben
am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet; und
- (d) Einbringen, im Betriebsmodus mit hoher Belastung, des Pilotkraftstoffs
und des Hauptkraftstoffs in drei aufeinanderfolgenden Stufen in
die Verbrennungskammer, wobei ein erster Anteil des Hauptkraftstoffs
in einer ersten Stufe während
zumindest eines aus einem Ansaugtakt und einem Verdichtungstakt
eingebracht wird, der Pilotkraftstoff in einer zweiten Stufe während des
Verdichtungstakts eingebracht wird, so dass er sich entzündet, wenn
sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet, und ein
zweiter Anteil des Hauptkraftstoffs in einer dritten Stufe eingebracht
wird.
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In
einem bevorzugten Verfahren umfasst der Betriebsmodus mit niedriger
Belastung ferner das Einbringen des Pilotkraftstoffs während eines
Verdichtungstakts in einer zeitgesteuerten Weise, so dass sich der
Pilotkraftstoff entzündet,
wenn sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet, und
der Hauptkraftstoff aufeinanderfolgend nach dem Pilotkraftstoff
eingebracht wird.
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Wenn
zumindest ein Anteil des Hauptkraftstoffs aufeinanderfolgend nach
dem Pilotkraftstoff eingebracht wird (späte Einspritzung), wird der
spät eingespritzte
Anteil des Hauptkraftstoffs nach dem vorliegenden bevorzugten Verfahren
innerhalb von null und neunzig Grad der Kurbelwellendrehung nach der
Einbringung des Pilotkraftstoffs eingebracht.
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Wenn
zumindest ein Anteil des Hauptkraftstoffs vor dem Pilotkraftstoff
eingebracht wird (frühe Einspritzung),
ist die Einbringung des früh
eingespritzten Hauptkraftstoffs nach dem vorliegenden bevorzugten
Verfahren abgeschlossen, bevor die Pilotkraftstoffeinbringung der
zweiten Stufe beginnt. Es ist im Allgemeinen erwünscht, den früh eingespritzten Hauptkraftstoff
eher früher
als später
einzubringen, da dies eine grössere
Gelegenheit für
den früh
eingespritzten Hauptkraftstoff bietet, sich mit der Ansaugluft zu
vermischen, um ein homogenes Gemisch zu bilden. Demgemäß findet
die Einbringung des früh eingespritzten
Hauptkraftstoffs der ersten Stufe in einem bevorzugten Verfahren
während
des Ansaugtakts statt. In einem alternativen Verfahren findet die Einbringung
des früh
eingespritzten Hauptkraftstoffs der ersten Stufe statt, wenn sich
der Kolben nahe dem Beginn des Verdichtungstakts am oder nahe dem
unteren Totpunkt befindet.
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Im
Betriebsmodus mit hoher Belastung findet die Pilotkraftstoffeinbringung
der zweiten Stufe während
des Verdichtungstakts statt, wenn sich der Kolben am oder nahe dem
oberen Totpunkt befindet. Ähnlich
dem Betriebsmodus mit niedriger Belastung ist es erwünscht, den
Pilotkraftstoff während
des Verdichtungstakts einzubringen, und erwünscht, dass die Pilotkraftstoffeinspritzung
so zeitgesteuert ist, dass sich der Pilotkraftstoff entzündet, wenn
sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dauert die Pilotkraftstoffeinbringung
der zweiten Stufe dann, wenn der Betriebsmodus mit hoher Belastung
ausgewählt
ist, an, wenn die Hauptkraftstoffeinbringung der dritten Stufe beginnt,
so dass eine Überlappung
der zweiten und der dritten Stufe besteht. Alternativ können die
zweite und die dritte Stufe gleichzeitig beginnen, wobei die dritte Stufe
eine längere
Dauer aufweist. Doch im bevorzugten Verfahren ist der Beginn der
zweiten und der dritten Stufe aufeinanderfolgend und um zumindest fünf Grad
der Kurbelwellendrehung beabstandet.
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Das
bevorzugte Verfahren kann ferner Folgendes umfassen:
- (e) Einsetzen eines Betriebsmodus mit Zwischenbelastung, wenn
ein dritter vorbestimmter Satz von Belastungsbedingungen festgestellt wird,
wobei der dritte vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen bei
jeder beliebigen gegebenen Motorgeschwindigkeit einer Motorbelastung
entspricht, die grösser
als die Motorbelastung ist, welche dem ersten vorbestimmten Satz
von Belastungsbedingungen entspricht, und bei der gleichen Geschwindigkeit
geringer als die Motorbelastung ist. welche dem zweiten vorbestimmten Satz
von Belastungsbedingungen entspricht;
wobei der Betriebsmodus
mit Zwischenbelastung ein aufeinanderfolgendes Einbringen des Hauptkraftstoffs
und des Pilotkraftstoffs in die Verbrennungskammer umfasst, wobei
der Hauptkraftstoff vor dem Pilotkraftstoff in die Verbrennungskammer
eingebracht wird, der Pilotkraftstoff während des Verdichtungstakts
eingebracht wird, und die Einbringung des Pilotkraftstoffs so zeitgesteuert
ist, dass sich der Pilotkraftstoff im Wesentlichen entzündet, wenn
sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet.
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Wenn
ein Betriebsmodus mit Zwischenbelastung eingesetzt wird, wird der
früh eingespritzte Hauptkraftstoff
in einer solchen Weise eingebracht, dass sich eine wesentliche Menge
des Hauptkraftstoffs im Zylinder vor der Verbrennung mit Luft vermischt.
Vorzugsweise werden der Hauptkraftstoff und die Luft ein homogenes
Gemisch. Um mehr Zeit und Gelegenheit für das Vermischen des Hauptkraftstoffs und
der Luft bereitzustellen, wird der Hauptkraftstoff in einem bevorzugten
Verfahren während
des Ansaugtakts in die Verbrennungskammer eingebracht. Auf diese
Weise werden der Hauptkraftstoff und die Luft während des Rests des Ansaugtakts
und der gesamten Dauer des Verdichtungstakts vermischt.
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Die
Grenze zwischen dem Betriebsmodus mit Zwischenbelastung und dem
Betriebsmodus mit hoher Belastung ist vorzugsweise durch eine kalibrierte
Klopfgrenze definiert.
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Wenn
der Betriebsmodus mit hoher Belastung eingesetzt wird, kann die
Menge des Hauptkraftstoffs, die während der dritten Stufe eingebracht
wird, abhängig
vom festgestellten Satz von Belastungsbedingungen gesteuert werden.
Zum Beispiel kann die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der
dritten Stufe eingebracht wird, erhöht werden, wenn der festgestellte
Satz von Belastungsbedingungen anzeigt, dass die Motorbelastung
zunimmt. Um den NOx- und den Feinstaubausstoss zu verringern, wenn
mehr Kraftstoff benötigt
wird, um die geforderte Motorbelastung zu erfüllen, wird im Allgemeinen bevorzugt,
anstatt einer Erhöhung
der Menge des Pilotkraftstoffs die Menge des Hauptkraftstoffs zu
erhöhen.
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In
einem bevorzugten Verfahren ist die Menge des Hauptkraftstoffs,
die während
der ersten Stufe eingebracht wird, veränderlich, und vom festgestellten
Satz von Belastungsbedingungen abhängig. Der Motor weist vorzugsweise
eine kalibrierte Klopfgrenze auf, und die Menge des Hauptkraftstoffs,
die eingebracht wird, wird vorzugsweise während der ersten Stufe gesteuert,
um eine mager brennende vorgemischte Verbrennung bereitzustellen
und ein Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis aufrechtzuerhalten, das
geringer als die Klopfgrenze ist.
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Der
Wert der Klopfgrenze kann sich abhängig von den Motorbetriebsbedingungen
(wie etwa der Motorgeschwindigkeit, des Ansaugkrümmerladungsdrucks oder der
Temperatur) verändern,
und wenn sich die Motorbetriebsbedingung verändert, kann es nötig sein,
die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der ersten Stufe eingebracht
wird, zu regulieren, um ein Klopfen zu verhindern. Die Klopfgrenze
kann sich auch verändern,
wenn sich die Hauptkraftstoffzusammensetzung verändert. Zum Beispiel kann die Zusammensetzung
und die Qualität
von Erdgas in verschiedenen Teilen der Welt oder sogar innerhalb des
gleichen Teils der Welt unterschiedlich sein. Wenn die Zusammensetzung
und die Qualität
des Kraftstoffs veränderlich
ist, kann es eine Reihe von Kalibrierungswerten geben, die von der
Kraftstoffzusammensetzung und der -qualität abhängen. Die Menge des Hauptkraftstoffs,
die während
der ersten Stufe eingebracht wird, kann dann nach den Kalibrierungswerten,
die für
die gegenwärtige
Hauptkraftstoffzusammensetzung und -qualität bestimmt sind, reguliert
werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der ersten Stufe eingebracht
wird, zur Vereinfachung der Kraftstoffeinspritzung, wenn der Betriebsmodus
mit hoher Belastung ausgewählt
ist, konstant gehalten werden. In dieser Ausführungsform wird zum Schutz vor
einem Klopfen eine feste Menge des Hauptkraftstoffs gewählt, die
ein Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis der
ersten Stufe bereitstellt, das bei allen Motorbetriebsbedingungen
und für
den weiten Bereich von angenommenen Zusammensetzungen und Qualitäten des
Hauptkraftstoffs geringer als eine kalibrierte Klopfgrenze ist.
Das heißt,
in dieser Ausführungsform
können
Belastungsbedingun gen bestehen, bei denen das Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis viel
geringer als die Klopfgrenze ist.
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Im
bevorzugten Verfahren umfasst das Feststellen des Satzes von Belastungsbedingungen
auf den Motor das Messen der Motorgeschwindigkeit und der Motordrosselstellung.
Zusätzliche
Parameter können
optional ebenfalls überwacht
und in Betracht gezogen werden, wenn die Kraftstoffanforderungen und
die Einspritzzeitsteuerung bestimmt wird. Zum Beispiel kann das
Verfahren ferner eines oder mehr aus dem Folgenden umfassen:
- (1) Messen der Motoransaugkrümmerladungstemperatur;
- (2) Messen der Motorkühlmitteltemperatur;
- (3) Messen des Ansaugkrümmerladungsdrucks;
- (4) Messen des Luftstroms in die Verbrennungskammer; und
- (5) Abfühlen
des Klopfens im Zylinder.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird die frühe
Einspritzung des Hauptkraftstoffs durch Einsetzen einer Begasung,
um den Hauptkraftstoff vor der Einbringung in die Verbrennungskammer mit
Ansaugluft vorzumischen, erreicht. Dieses Verfahren erfordert eine
zusätzliche
Kraftstoffeinspritzdüse,
die mit einem externen Behälter
verbunden ist, um den Hauptkraftstoff in den Ansaugluftstrom einzubringen.
Zum Beispiel könnte
sich eine derartige Einspritzdüse
stromaufwärts
des Ansaugventils im Ansaugluftkrümmer befinden. Die Begasung
könnte verwendet
werden, um den Hauptkraftstoff im Betriebsmodus mit Zwischenbelastung
oder in der ersten Stufe des Betriebsmodus mit hoher Belastung einzubringen.
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Das
Verfahren kann ferner das Definieren eines vorbestimmten Hauptkraftstoff-Pilotkraftstoff-Verhältnisses
(Fg/Fp), das vom festgestellten Satz von Belastungsbedingungen auf
den Motor abhängt,
und das Einbringen von Mengen des Hauptkraftstoffs und des Pilotkraftstoffs
gemäß dem vorbestimmten
Fg/Fp-Verhältnis
in die Verbrennungskammer umfassen. Das Fg/Fp-Verhältnis kann
zum Beispiel für
verschiedene Sätze
von Belastungsbedingungen empirisch bestimmt werden. Sobald die
gewünschte
Menge des Hauptkraftstoffs Fg bestimmt ist, wird die Menge des in
die erste Stufe (Ffg) eingebrachten Hauptkraftstoffs
im Betriebsmodus mit hoher Belastung beschränkt, um zu verhindern, dass das
Kraftstoff-Luft-Verhältnis
(Ffg/A) eine kalibrierte Klopfgrenze überschreitet.
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Vorzugsweise
wird ein Steuersystem eingesetzt, um die Zeitsteuerung zum Einbringen
des Hauptkraftstoffs und des Pilotkraftstoffs auf Basis des festgestellten
Satzes von Belastungsbedingungen in die Verbrennungskammer zu steuern.
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In
einem bevorzugten Verfahren ist der Hauptkraftstoff gasförmig und
vorzugsweise aus der Gruppe gewählt,
die aus gasförmigen
Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff besteht. Zum Beispiel können die
gasförmigen
Kohlenwasserstoffe Erdgas, verflüssigtes
Erdölgas,
oder Mischungen von gasförmigen
Kraftstoffen sein. Der Pilotkraftstoff kann eine Flüssigkeit
sein und wird vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, die aus flüssigen Kohlenwasserstoffen wie
etwa, zum Beispiel, Dieselkraftstoff und Dimethylether (DME), und
Mischungen von flüssigen
Kraftstoffen besteht.
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Der
Motor, der das offenbarte Verfahren einsetzt, kann einem Kraftfahrzeug
wie etwa, zum Beispiel, einem Personenkraftwagen, einem Lastkraftwagen,
einem Schiff oder einem Unterseeboot Kraft bereitstellen. Doch der
Motor kann auch als Teil einer stationären Triebwerkanlage zum Beispiel
zur Bereitstellung von mechanischer Kraft oder zur Erzeugung von
Elektrizität
verwendet werden.
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Das
bevorzugte Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer
eines in Betrieb stehenden Verbrennungsmotors kann während vorbestimmter
Sonderbedingungen, wenn es nicht möglich ist, ein Vorgemisch aus
Kraftstoff und Luft leistungsfähig
zu verbrennen, ferner das Betreiben in einem Sonderbetriebsmodus
umfassen. Zum Beispiel können
Sonderbedingungen Motoranfahr- und Motorleerlaufbedingungen umfassen.
Im Sonderbetriebsmodus wird der Hauptkraftstoff aufeinanderfolgend
nach der Einbringung des Pilotkraftstoffs in die Verbrennungskammer
eingebracht. In einer Ausführungsform
ist der Sonderbetriebsmodus der gleiche wie der Betriebsmodus bei
niedriger Belastung.
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Das
bevorzugte Verfahren kann, wenn der Betriebsmodus mit hoher Belastung
eingesetzt wird, ferner das Erhöhen
der Ansaugkrümmerladungstemperatur über die
Umgebungstemperatur umfassen. Zum Beispiel kann eine Abgasrückführung eingesetzt
werden, um die Temperatur in der Ansaugkrümmerladung zu erhöhen. Das
Erhöhen
der Ansaugkrümmerladungstemperatur über die
Umgebungstemperatur weist die Wirkung auf, dass die Verbrennung
von Kraftstoff, der mit der Ansaugluft vorgemischt ist, erleichtert
wird. Demgemäß kann das
Verfahren ferner das Erhöhen
der Ansaugkrümmerladungstemperatur über die
Umgebungstemperatur umfassen, wenn der Betriebsmodus mit Zwischenbelastung
eingesetzt wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
des Verfahrens entspricht der erste vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen
Belastungsbedingungen, die vorhanden sind, wenn das gewünschte Verhältnis des
Hauptkraftstoffs zur Luft geringer als eine kalibrierte Entflammbarkeitsgrenze
eines homogenen Gemischs des Hauptkraftstoffs und der Ansaugluft
ist. Da das mit der Entflammbarkeitsgrenze verbundene Kraftstoff-Luft-Verhältnis grösser als
oder gleich wie jenes der Stabilitätsgrenze der vorgemischtem
Verbrennung ist, wird der Betriebsmodus mit niedriger Belastung
in dieser Ausführungsform über einen
weiteren Bereich an Bedingungen eingesetzt.
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Eine
verbesserte Vorrichtung bringt Kraftstoff in die Verbrennungskammer
eines in Betrieb stehenden Verbrennungsmotors ein, der zumindest
einen Zylinder mit einem Kolben aufweist. Der Kraftstoff umfasst
einen Hauptkraftstoff und einen Pilotkraftstoff. Der Pilotkraftstoff
ist leichter selbstentzündlich als
der Hauptkraftstoff. Die Vorrichtung umfasst ferner
- (a) Messvorrichtungen zum Sammeln von Betriebsdaten vom Verbrennungsmotor,
wobei die Messvorrichtungen ein Tachometer zum Messen der Motorgeschwindigkeit
und einen Sensor zum Bestimmen der Drosselstellung umfassen;
- (b) eine elektronische Steuereinheit, die die Betriebsdaten
erhält
und die Daten verarbeitet, um einen Satz von Belastungsbedingungen
zu berechnen, wobei die elektronische Steuereinheit einen Speicher
zum Speichern von Steuersätzen von
Belastungsbedingungen und vorbestimmten Betriebsmodi für die Steuersätze von
Belastungsbedingungen umfasst, wobei die elektronische Steuereinheit
den berechneten Satz von Belastungsbedingungen mit den Steuersätzen von
Belastungsbedingungen vergleicht, um einen der vorbestimmten Betriebsmodi
auszuwählen;
- (c) eine Hauptkraftstoffeinspritzdüse, die durch die elektronische
Steuerung gesteuert wird, um den Hauptkraftstoff zu Zeiten und in
Mengen, die durch die elektronische Steuereinheit gemäß den vorbestimmten
Betriebsmodi und dem Satz von Belastungsbe dingungen bestimmt werden,
in die Verbrennungskammer einzubringen; und
- (d) eine Pilotkraftstoffeinspritzdüse, die durch die elektronische
Steuerung gesteuert wird, um den Pilotkraftstoff zu Zeiten und in
Mengen, die durch die elektronische Steuereinheit gemäß den vorbestimmten
Betriebsmodi und dem Satz von Belastungsbedingungen bestimmt werden,
in die Verbrennungskammer einzubringen;
wobei die vorbestimmten
Betriebsmodi einen Betriebsmodus mit niedriger Belastung und einen
Betriebsmodus mit hoher Belastung umfassen. Im Betriebsmodus mit
niedriger Belastung werden der Pilotkraftstoff und der Hauptkraftstoff
in die Verbrennungskammer eingebracht, wenn der Zylinder mit Druck
beaufschlagt wird. Der Betriebsmodus mit hoher Belastung umfasst
eine dreistufige aufeinanderfolgende Einbringung von Kraftstoff
in die Verbrennungskammer, wobei ein erster Anteil des Hauptkraftstoffs
in einer ersten Stufe eingebracht wird, der Pilotkraftstoff in einer
zweiten Stufe eingebracht wird, und ein zweiter Anteil des Hauptkraftstoffs
in einer dritten Stufe eingebracht wird. Die erste Stufe ist vorzugsweise
zeitlich von der zweiten und der dritten Stufe isoliert, so dass
die erste Stufe abgeschlossen ist, bevor die zweite und die dritte
Stufe beginnt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung kann eine Doppelkraftstoffeinspritzdüse eingesetzt
werden, die sowohl die Hauptkraftstoffeinspritzdüse als auch die Pilotkraftstoffeinspritzdüse zu einer
einzelnen Vorrichtung zusammenfasst. Die Doppelkraftstoffeinspritzdüse kann
jeden aus dem Hauptkraftstoff und dem Pilotkraftstoff unabhängig vom
anderen einspritzen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung ferner eine Hilfseinspritzdüse, um zumindest
einen Anteil des Hauptkraftstoffs in das Luftansaugsystem einzubringen. Die
Hilfseinspritzdüse
kann sich an jedem beliebigen Punkt im Luftansaugsystem befinden.
In dieser alternativen Ausführungsform
kann der Hauptkraftstoff durch die Hilfseinspritzdüse eingebracht
werden, wenn das Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis höher als die (nachstehend definierte)
Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung ist. Der Anteil des Hauptkraftstoffs,
der durch die Hilfseinspritzdüse
eingebracht wird, verfügt über die
Gelegenheit, sich vor der Einbringung in die Verbrennungskammer
mit der Ansaugluft zu vermischen. Ein anderer Vor teil dieser alternativen
Ausführungsform
ist, dass der Hauptkraftstoff durch die Hilfseinspritzdüse mit niedrigem Druck
eingebracht werden kann, wodurch die Leistungsfähigkeit erhöht wird, indem die Menge des Kraftstoffs,
die mit hohem Druck direkt in die Verbrennungskammer eingebracht
werden muss, verringert wird. Wenn der Motor mehrere Kolben umfasst,
können
mehrere Hilfseinspritzdüsen
eingesetzt werden.
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Die
Messvorrichtungen können
ferner eines oder mehr aus dem Folgenden umfassen: eine Sonde zum
Messen der Motoransauglufttemperatur, eine Sonde zum Messen der
Motorkühlmitteltemperatur, eine
Vorrichtung zum Messen des Ansaugluftladedrucks, einen Durchflussmesser
zum Messen des Luftstroms in die Verbrennungskammer, und eine Sensorvorrichtung
zum Feststellen einer verfrühten Explosion
in der Verbrennungskammer.
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Wenn
die Vorrichtung einen Sensor zum Feststellen einer verfrühten Explosion
umfasst, kann die elektronische Steuereinheit bei Feststellung einer verfrühten Explosion
Schritte wie etwa das Verringern der Menge des Hauptkraftstoffs,
die in der ersten Stufe eingebracht wird, setzen, um ein erneutes Vorkommen
zu verhindern.
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Weitere
Vorteile des vorliegenden Doppelkraftstoffeinspritzverfahrens und
der vorliegenden -vorrichtung werden offensichtlich werden, wenn
die Zeichnungen in Verbindung mit der ausführlichen Beschreibung betrachtet
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
zwei erläuternde
Diagramme davon, wie Belastungsbedingungen verwendet werden können, um
mehrere Betriebsmodi zu definieren. In 1a stellt
die waagerechte Achse die Motorgeschwindigkeit, die senkrechte Achse
die Belastungsbedingungen und die Linie C die Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung, die die beiden unterschiedlichen
Betriebsbedingungen trennt, dar. Die Linie M stellt die Höchstbelastungsgrenze
für den
Motor dar. In 1b stellt die senkrechte Achse
das Kraftstoff-Luft-Verhältnis
dar. Da das Kraftstoff-Luft-Verhältnis
im Allgemeinen der Motorbelastung entspricht, wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis an der
senkrechten Achse von 1b verwendet, um zu zeigen,
dass Parameter wie etwa das Kraftstoff-Luft-Verhältnis als ein Indikator der
Motorbelastung verwendet werden können, um den gewünschten
Betriebsmodus zu bestimmen. Die Linien C und K trennen die Belastungsbedingungen
in drei unterschiedliche Betriebsmodi. Die Linie C stellt erneut
die Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung dar, und die Linie K stellt die Klopfgrenze
dar. Die Linie M stellt erneut die Höchstbelastungsgrenze für den Motor
dar.
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2 ist
eine teilweise Querschnittansicht einer Motorverbrennungskammer,
die Pilotkraftstoff und einen Hauptkraftstoff zeigt, die unter Bedingungen
mit niedriger Belastung beide in die Verbrennungskammer eingespritzt
werden, wenn sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet.
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3, die 3a und 3b umfasst,
stellt teilweise Querschnittansichten einer Motorverbrennungskammer
dar, die die aufeinanderfolgende Einspritzung von Kraftstoff in
die Verbrennungskammer unter Bedingungen mit hoher Belastung zeigen. 3a stellt
dar, dass ein Anteil des Hauptkraftstoffs während des Ansaugtakts in die
Verbrennungskammer eingespritzt wird, und 3b stellt
die Einspritzung eines Pilotkraftstoffs und des Rests des Hauptkraftstoffs,
wenn sich der Kolben nahe dem Ende des Verdichtungstakts am oder
nahe dem oberen Totpunkt befindet, dar.
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4, die 4a und 4b umfasst,
stellt teilweise Querschnittansichten einer Motorverbrennungskammer
dar, die die aufeinanderfolgende Einspritzung von Kraftstoff in
die Verbrennungskammer unter Bedingungen mit Zwischenbelastung zeigen. 4a stallt
dar, dass der Hauptkraftstoff während des
Ansaugtakts in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, und 4b stellt
die Einspritzung eines Pilotkraftstoffs während des Verdichtungstakts,
wenn sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet,
dar.
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5 ist
eine teilweise Querschnittansicht eines Verbrennungsmotors, die
eine alternative Anordnung zum Mischen des Hauptkraftstoffs mit
der Ansaugluft darstellt. In dieser Anordnung werden der Hauptkraftstoff
und die Ansaugluft, anstatt in der Verbrennungskammer gemischt zu
werden, ausserhalb der Verbrennungskammer (d.h., vor der Einbringung in
die Verbrennungskammer) vorgemischt.
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6 ist
ein Steuerlogikdiagramm, das ein Beispiel für die Logik bereitstellt, die
durch eine elektronische Steuereinheit eingesetzt werden könnte, um
das offenbarte Verfahren auszuführen.
In dieser Ausführungsform
des Verfahrens wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das der Motorbelastung
entspricht, bestimmt und eingesetzt, um den gewünschten Betriebsmodus zu bestimmen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
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Im
vorliegenden Verfahren wird Kraftstoff in die Verbrennungskammer
eines Verbrennungsmotors eingespritzt, der zumindest einen hin und
herlaufenden Kolben und eine mit dem Kolben verbundene Kurbelwelle
aufweist. Das Verfahren umfasst zwei Kraftstoffe, wovon einer ein
Pilotkraftstoff ist, der sich leichter als der zweite Kraftstoff
selbst entzündet.
Der zweite Kraftstoff ist vorzugsweise ein gasförmiger Kraftstoff wie etwa,
zum Beispiel, Erdgas, andere gasförmige Kohlenwasserstoffe, oder
Wasserstoffgas. Der Pilotkraftstoff kann ein flüssiger Kohlenwasserstoffkraftstoff
oder eine Mischung von flüssigen Kraftstoffen
sein, doch in bevorzugten Ausführungsformen
ist der Pilotkraftstoff herkömmlicher
Dieselkraftstoff oder Dimethylether.
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Nach
dem vorliegenden Verfahren werden die Belastungsbedingungen des
Motors überwacht und
sind bestimmte Sätze
von Bedingungen definiert, um Bedingungen festzusetzen, wenn unterschiedliche
Betriebsmodi eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Einbringung
von Kraftstoff in die Verbrennungskammer eines in Betrieb stehenden Motors
in einem Betriebsmodus mit niedriger Belastung verglichen mit einem
Betriebsmodus mit hoher Belastung unterschiedlich gesteuert werden.
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Das
vorliegende Verfahren fasst zumindest zwei Betriebsmodi ins Auge. 1a ist
ein Diagramm der Motorbelastung in Bezug auf die Motorgeschwindigkeit.
Die Motorgeschwindigkeit kann zum Beispiel durch Messen der Geschwindigkeit
der Kurbelwellendrehung in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen
werden. Die Motorbelastung, die an der senkrechten Achse gemessen
wird, entspricht dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis. 1a veranschaulicht
graphisch zwei Bereiche, die durch die Linie C getrennt sind, welche
durch die "Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung" des
Kraftstoff-Luft-Verhältnisses
für den
Motor bestimmt ist. Die Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung ist als das Kraftstoff-Luft-Verhältnis (F/A)
definiert, bei dem die Menge des gasförmigen Kraftstoffs im Kolbenzylinder
in keinem Verbrennungsmodus eine stabile vorgemischte Verbrennung
unterstützen
wird. Zum Beispiel kann der vorgemischte Verbrennungsmodus durch
Flammenausbreitung oder durch homogene Ladungsverdichtungsentzündung (HCCI) erfolgen. HCCI
ist hierin als ein Verbrennungsmodus definiert, wobei die Verbrennung
des vorgemischten Kraftstoff über
die Verbrennungskammer hinweg an vielen Punkten im Wesentlichen
gleichzeitig und im Wesentlichen ohne Flammenausbreitung auftritt.
Es wird angenommen, dass HCCI in erster Linie durch chemische Kinetik
gesteuert wird, wobei Turbulenzen im Inneren der Verbrennungskammer
keinen bedeutenden Einfluss auf diesen Verbrennungsmodus aufweisen.
Daher unterscheidet sich die Stabilitätsgrenze der vorgemischten
Verbrennung darin von der oben definierten Entflammbarkeitsgrenze,
dass die Entflammbarkeitsgrenze als das F/A definiert ist, bei dem
die Menge des gasförmigen
Kraftstoffs im Kolbenzylinder einen Ausbreitungsmodus der Entzündung nicht
unterstützen
wird. Wenn andere Verbrennungsmodi tätig sind, wenn das Kraftstoffgemisch
zu mager ist, um einen Ausbreitungsmodus der Verbrennung zu unterstützen, ist
demgemäß die Belastung
oder die F/A, die mit der Stabilitätsgrenze der vorgemischten
Verbrennung verbunden ist, niedriger als die Belastung oder die
F/A, die mit der Entflammbarkeitsgrenze verbunden ist. Das heißt, durch
Verwenden der Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung als die obere Grenze für den Betriebsbereich
mit niedriger Belastung L wird das Ausmass dieses Bereichs verglichen
mit dem Fall, bei dem die Entflammbarkeitsgrenze als die obere Grenze
für den
Bereich L eingesetzt wird, verringert. Ein Vorteil des Verwendens
der Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung als die obere Grenze für den Betriebsbereich
mit niedriger Belastung L ist, dass das Ausmass des Betriebsbereichs
mit hoher Belastung H (oder des Betriebsbereichs mit Zwischenbelastung
I in 1b) vergrössert
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gibt es drei Betriebsmodi, die vordefinierten Bedingungen mit niedriger,
Zwischen- und hoher Belastung entsprechen. Diese drei Bereiche sind
in 1b graphisch dargestellt. Die waagerechte Achse
stellt erneut die in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessene Motorgeschwindigkeit
(d.h., die Kurbelwellendrehung) dar, und die senkrechte Achse gibt
in diesem Fall das Kraftstoff-Luft-Verhältnis an, das ein Parameter
ist, der der Belastung auf den Motor entspricht. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis nimmt
für eine feste
Motorgeschwindigkeit mit der Motorbelastung zu. Der Bereich L stellt
einen Bereich mit niedriger Belastung dar, der Bereich I stellt
einen Bereich mit Zwischenbelastungsbedingungen dar, und der Bereich
H stellt einen Bereich dar, der Bedingungen mit hoher Belastung
entspricht.
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Die
in 1 (1a und 1b) zeigen
nur die allgemeine Form von vordefinierten Bereichen, die unterschiedlichen
Betriebsmodi entsprechen. Hiermit befasste Fachleute werden verstehen,
dass die tatsächlichen
numerischen Werte für
U/min und die Belastung oder das Kraftstoff-Luft-Verhältnis von den
individuellen Eigenschaften einer besonderen Motorgestaltung (zum
Beispiel der Größe der Zylinderbohrung,
der Länge
des Takts, dem Verdichtungsverhältnis,
der Form der Verbrennungskammer oder der Art des Kraftstoffs) abhängt. Das
heißt,
Motoren von unterschiedlicher Gestaltung können unterschiedliche Bereichsgrenzen
zwischen Betriebsmodi aufweisen. Die numerischen Werte und die Form
der Grenzlinie für
einen bestimmten Motor, der mit bestimmten Kraftstoffen versorgt
wird, können
empirisch oder theoretisch bestimmt werden.
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Wenn,
unter Bezugnahme auf 1a, die Motorbelastung ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis erfordert,
das unter der Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung (das heißt, der Linie C) liegt, entspricht
dies im Allgemeinen einem Satz von Belastungsbedingungen, unter
denen ein Betriebsmodus mit niedriger Belastung eingesetzt wird.
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2 veranschaulicht
ein bevorzugtes Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff in eine
Verbrennungskammer 10, wenn ein Betriebsmodus mit niedriger
Belastung eingesetzt wird. Ein Ansaugventil 11 und ein
Ausstoßventil 12 sind
geschlossen, und der Kolben 13 befindet sich am oder nahe
dem oberen Totpunkt im Kolbenzylinder 14. Zu dieser Zeit
wird der Arbeitstakt durch die Einbringung von Pilotkraftstoff 16 durch
eine Einspritzdüse 15 begonnen.
Da zwischen der Einbringung des Pilotkraftstoffs 16 und der
tatsächlichen
Entzündung
und Verbrennung eine "Entzündungsverzögerung" besteht, wird der
Pilotkraftstoff 16 vorzugsweise gerade vor dem Erreichen des
oberen Totpunkts durch den Kolben 13 eingebracht. Zum Beispiel
kann der Pilotkraftstoff 16 zwischen fünfzig Grad vor dem oberen Totpunkt
und zwanzig Grad nach dem oberen Totpunkt (durch Grad der Kurbelwellendrehung
gemessen) eingebracht werden. Die tatsächliche Steuerung innerhalb dieses
Bereichs kann unter Berücksichtigung
von gemessenen Betriebsparametern wie etwa der Motorgeschwindigkeit
festgelegt werden. Zum Beispiel kann der Pilotkraftstoff 16 mit
der Zunahme der Motorgeschwindigkeit früher im Motorzyklus in die Verbrennungskammer 10 eingebracht
werden, damit die Verbrennung nach der Entzündungsverzögerung im Wesentlichen mit
dem Vorhandensein des Kolbens 13 am oder nahe dem oberen
Totpunkt übereinstimmt.
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Der
Hauptkraftstoff 17 wird vorzugsweise darauffolgend, das
heißt,
nach der Einbringung des Pilotkraftstoffs 16, in die Verbrennungskammer 10 eingebracht.
Doch wie in 2 gezeigt können der Pilotkraftstoff 16 und
der Hauptkraftstoff 17 auch gleichzeitig, zum Beispiel
durch gleichzeitiges Beginnen der Pilot- und der Hauptkraftstoffeinbringung, oder
durch überlappende
Kraftstoffeinbringung (das heißt,
zuerst wird der Pilotkraftstoff 16 eingebracht, doch wird
dann der Hauptkraftstoff 17 eingebracht, während immer
noch Pilotkraftstoff 16 eingespritzt wird) eingebracht
werden. Ob eine Überlappung
besteht, oder nicht, kann zum Beispiel von der Motorgeschwindigkeit
und/oder der Menge des Kraftstoffs, die benötigt wird, um die Motorbelastung
zu erfüllen, abhängen. Zum
Beispiel kann mehr an Überlappung bestehen,
wenn die Motorgeschwindigkeit und die Menge des Kraftstoffs zunehmen.
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Nach
dem bevorzugten Verfahren wird der Hauptkraftstoff 17 nicht
gut mit der Ansaugluft vermischt und verbrennt der Hauptkraftstoff 17 in
einem Diffusionsmodus, wenn der Betriebsmodus mit niedriger Belastung
eingesetzt wird. Im Betriebsmodus mit niedriger Belastung ist weniger
Vermischen erwünscht,
um die Verbrennbarkeit zu verbessern, da das gesamte Kraftstoff-Luft-Verhältnis unter
der Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung liegt. Demgemäß ist der Hauptkraftstoff 17 in
diesem Modus nahe der Einspritzdüse,
wo der Pilotkraftstoff brennt, konzentrierter und entzündbarer.
Anders als bei herkömmlichen
Verfahren, die gasförmigen
Kraftstoff mit der Ansaugluft einbringen, besteht keine Notwendigkeit,
die Menge der Luft, die in die Verbrennungskammer gezogen wird,
zu beschränken, um
die Verbrennbarkeit des Kraftstoffs sicherzustellen. Folglich gibt
es beim Einsetzen des offenbarten Betriebsmodus mit niedriger Belastung
keine parasitären
Druckverluste, die durch das Beschränken des Flusses durch den
Lufteinlass verursacht werden.
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Wie
bei einem herkömmlichen
Direkteinspritzungsmotor erhöht
die Verdichtung der Ansaugluft ihre Temperatur so, dass der Druck
und die Temperatur in der Verbrennungskammer 10 am Ende
des Verdichtungstakts ausreichend sind, um den Pilotkraftstoff 16 nach
seiner Einbringung (das heißt,
nach der Entzündungsverzögerung)
zu entzünden.
Die Entzündung
des Pilotkraftstoffs 16 stellt die Entzündung des Hauptkraftstoffs 17 sicher.
Die Mengen des Pilotkraftstoffs 16 und des Hauptkraftstoffs 17,
die im Betriebsmodus mit niedriger Belastung einge bracht werden,
können
abhängig
vom berechneten gesamten Kraftstoffbedarf, der aus den festgestellten
Belastungsbedingungen auf den Motor, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit
tätig ist,
bestimmt wird, festgelegt werden.
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3 veranschaulicht ein bevorzugtes Verfahren
zum Einbringen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 10,
wenn ein Betriebmodus mit hoher Belastung eingesetzt wird. Der Betriebsmodus
mit hoher Belastung bringt Kraftstoff in drei Stufen in die Verbrennungskammer 10 ein.
In der ersten Stufe, die in 3a dargestellt
ist, bewegt sich der Kolben 13 während des Ansaugtakts von der
Einspritzdüse 15 weg.
Durch das offene Ansaugventil 11 wird Ansaugluft in den
Zylinder 14 gezogen. In der ersten Stufe wird auch Hauptkraftstoff 17a in
den Zylinder 14 eingebracht, wo er sich mit der Ansaugluft
vermischt. In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) kann
die Hauptkraftstoffeinbringung der ersten Stufe zeitlich so gesteuert
sein, dass sie stattfindet, wenn sich der Kolben am unteren Totpunkt
befindet, oder während
des Verdichtungstakts stattfindet, wenn sich der Kolben 13 zur
Einspritzdüse 15 hin
bewegt und das Ansaugventil 11 geschlossen ist. Doch das
Verzögern
der Hauptkraftstoffeinbringung der ersten Stufe verringert die Gelegenheit
für den
Hauptkraftstoff 17a, sich mit der Ansaugluft zu vermischen. Wenn
die erste Stufe zeitlich so gesteuert ist, dass sie während des
Verdichtungstakts stattfindet, wird demgemäß bevorzugt, dass sie während des
frühen Teils
des Verdichtungstakts stattfindet, wenn sich der Kolben 13 nahe
dem unteren Totpunkt befindet.
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Die
Menge an Kraftstoff, der während
der ersten Stufe eingebracht wird, ist beschränkt, um die Wahrscheinlichkeit
eines Klopfens zu verringern. Das höchste Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das
tragbar ist, ohne ein Klopfen zu verursachen, wird als die Klopfgrenze
des Motors bezeichnet. Durch Beschränken der Menge des Kraftstoffs,
die während
der ersten Stufe eingebracht wird, so dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis geringer
als die Klopfgrenze ist, besteht keine Notwendigkeit, das Verdichtungsverhältnis zu
verringern und kann der Wirkungsgrad des Motors aufrechterhalten
werden.
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Die
Pilotkraftstoffeinbringung der zweiten Stufe findet wie in 3b gezeigt
vorzugsweise während
des Verdichtungstakts statt, wenn sich der Kolben 13 nahe
dem oberen Totpunkt befindet. Es werden ähnliche Parameter wie bei der
Einbringung von Pilotkraftstoff im Betriebsmodus mit niedriger Belastung
in Betracht gezogen. Das heißt,
Parameter wie die Motorgeschwindigkeit sollten berücksichtigt
werden, um die Zeitsteuerung der Pilotkraftstoffeinspritzung festzulegen,
um die Entzündungsverzögerung zu
berücksichtigen.
Vorzugsweise wird die Entzündung
mit etwa jener Zeit koordiniert, zu der sich der Kolben 13 am
oder nahe dem oberen Totpunkt befindet. Am Beginn des Arbeitstakts
hat sich der Hauptkraftstoff 17a der ersten Stufe, der
früher
im Motorzyklus eingespritzt worden war, mit der Ansaugluft vermischt,
um ein im Wesentlichen homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch 18 zu
bilden. Wenn sich der Pilotkraftstoff 16 in der Verbrennungskammer 10 selbst entzündet, stellt
die Verbrennung des Pilotkraftstoffs 16 die Verbrennung
des Kraftstoff-Luft-Gemischs 18 sicher. Da das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Wesentlichen
homogen und mager ist, erbringt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs 18 den
Vorteil, dass zumindest ein Teil der Verbrennung eine "mager brennende homogene
Verbrennung" ist
(das heißt, zu
einem verringerten Ausstoss an NOx und Feinstaub führt).
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Da
die Menge des Hauptkraftstoffs, die in der ersten Stufe eingebracht
worden war, jedoch beschränkt
war, um ein Klopfen zu verhindern, wird in der dritten Stufe eine
zusätzliche
Menge an Hauptkraftstoff 17b eingebracht, falls mehr Kraftstoff
benötigt
wird, um die Motorbelastungsanforderungen während Bedingungen mit hoher
Belastung zu erfüllen.
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Ähnlich wie
beim Betriebsmodus mit niedriger Belastung können der Pilotkraftstoff 16 und
der Hauptkraftstoff 17b der dritten Stufe auch gleichzeitig oder
in einer überlappenden
Weise eingespritzt werden. Doch im bevorzugten Verfahren findet
die dritte Stufe da rauffolgend und um zumindest fünf Grad
der Kurbelwellendrehung von der Pilotkraftstoffeinbringung der zweiten
Stufe beabstandet statt. In 3b bewegt
sich der Kolben 13 durch die Verbrennung des Kraftstoffs
in der Verbrennungskammer 10 getrieben von der Einspritzdüse 15 weg.
Die dritte Stufe findet vorzugsweise nicht später als der frühe Teil
des Arbeitstakts statt, da die Einbringung von zusätzlichem
Kraftstoff früh
im Arbeitstakt eine grössere
Wirkung aufweist, als wenn er später
hinzugefügt
wird. Die Hauptkraftstoffeinbringung der dritten Stufe ist vorzugsweise
abgeschlossen, bevor sich die mit dem Kolben 13 verbundene
Kurbelwelle um mehr als neunzig Grad über den Punkt, an dem der Pilotkraftstoff 16 eingebracht
wurde, hinaus gedreht hat.
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Da
der Hauptkraftstoff 17b am Ende des Verdichtungstakts oder
während
des Arbeitstakts eingebracht wird, verfügt er über keine Gelegenheit, sich gründlich mit
der Luft in der Verbrennungskammer 10 zu vermischen. Demgemäß brennt
der Hauptkraftstoff 17b der dritten Stufe im Wesentlichen
in einem Diffusionsmodus der Verbrennung. Da die Menge des Kraftstoffs,
die in der ersten Stufe eingebracht wird, durch die Klopfgrenze
des Motors beschränkt ist,
wird der Motorleistungsausgang während
Bedingungen mit hoher Belastung durch Regulieren der Menge des Hauptkraftstoffs 17b,
der während
der dritten Stufe eingebracht wird, gesteuert.
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Wenn
der Hauptkraftstoff ein Kraftstoff wie etwa Erdgas oder Wasserstoffgas
ist, und der Pilotkraftstoff Dieselkraftstoff ist, erhöht das Einbringen einer
zusätzlichen
Ladung an Hauptkraftstoff in der dritten Stufe das Verhältnis des
Hauptkraftstoffs, der eingesetzt werden kann, um die Motoranforderungen unter
Bedingungen mit hoher Belastung zu erfüllen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
des Betriebsmodus mit hoher Belastung stellt die Menge des Pilotkraftstoffs
auf einer Energiebasis etwa 1 bis 15 % der gesamten Menge des Kraftstoffs
dar, wobei der Hauptkraftstoff 17a und 17b den
Rest bereitstellt.
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Demgemäß verringert
das offenbarte Verfahren zum Einbringen des Hauptkraftstoff und
des Pilotkraftstoffs während
Bedingungen mit hoher Belastung in drei Stufen die Wahrscheinlichkeit
eines Klopfens, und stellt es durch Benutzen sowohl eines mageren
vorgemischten Modus der Verbrennung als auch eines Diffusionsmodus
der Verbrennung einen leistungsfähigen
Betrieb bereit. Ein Vorteil des Verwendens der Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung als die untere Grenze für den Betrieb mit
hoher Belastung (siehe 1a) oder die untere Grenze für den Betrieb
mit Zwischenbelastung (siehe 1b) ist,
dass dies gestattet, dass der Motor verglichen mit dem Fall der
Verwendung der Entflammbarkeitsgrenze als diese untere Grenze von
mehr mager brennender homogener Verbrennung (und verringertem Ausstoss)
profitiert. Dieses Verfahren bewahrt auch einen hohen Motorleistungsausgang, während es
den NOx- und den Feinstaubausstoss verglichen mit herkömmlichen
Betriebsmodi verringert.
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Bei
einigen Motoren kann es auch erwünscht sein,
zusätzlich
zum niedrigen und zum hohen Betriebsmodus einen Zwischenbetriebsmodus
zu definieren. Zum Beispiel kann ein Zwischenbetriebsmodus ausgewählt werden,
wenn sich die Belastungsbedingungen innerhalb des Bereichs I in 1b befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Linie zwischen dem Bereich I und dem Bereich L durch die
Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung (C) und die Linie zwischen dem Bereich
I und dem Bereich H durch die Klopfgrenze (K) definiert.
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4 veranschaulicht ein Verfahren zum Einbringen
von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 10, wenn ein Betriebsmodus
mit Zwischenbelastung eingesetzt wird. Der Betriebsmodus mit Zwischenbelastung
bringt Kraftstoff in zwei Stufen in die Verbrennungskammer 10 ein.
In diesem Modus ist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis höher als die Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung und niedriger als die Klopfgrenze,
weshalb der gesamte Hauptkraftstoff 17a während der
in 4a dargestellten ersten Stufe in die Verbrennungskammer 10 eingebracht
werden kann. Innerhalb dieses Betriebsmodus kann die Menge des Hauptkraftstoffs 17a,
der in die Verbrennungskammer 10 eingebracht wird, als Reaktion
auf die Motorbelastung reguliert werden.
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In 4a bewegt
sich der Kolben 13 während
des Ansaugtakts von der Einspritzdüse 15 weg. Durch das
offene Ansaugventil 11 wird Ansaugluft in den Zylinder 14 gezogen.
Die frühe
Einbringung des Hauptkraftstoffs 17a in den Zylinder 14 gestattet, dass
sich der gesamte Hauptkraftstoff 17a während des Rests des Ansaugtakts
und während
des gesamten Verdichtungstakts mit der Ansaugluft vermischt. In
einem alternativen Verfahren kann die Hauptkraftstoffeinbringung ähnlich wie
bei der ersten Stufe des Betriebsmodus mit hoher Belastung zeitlich
so gesteuert sein, dass sie während
des Verdichtungstakts (nicht gezeigt) stattfindet, wenn sich der
Kolben 13 zur Einspritzdüse 15 hin bewegt und
das Ansaugventil 11 geschlossen ist. Doch wie oben beschrieben verringert
das Verzögern
der Hauptkraftstoffeinbringung der ersten Stufe die Gelegenheit
für den
Hauptkraftstoff 17a, sich mit der Ansaugluft zu vermischen. Wenn
die erste Stufe zeitlich so gesteuert ist, dass sie während des
Verdichtungstakts stattfindet, wird demgemäß bevorzugt, dass sie während des
frühen Teils
des Verdichtungstakts stattfindet, wenn sich der Kolben 13 nahe
dem unteren Totpunkt befindet.
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Wie
in 4b dargestellt findet die zweite Stufe während des
Verdichtungstakts statt, und ist sie zeitlich so gesteuert, dass
sich der Pilotkraftstoff 16 nach der Entzündungsverzögerung entzündet, wenn sich
der Kolben 13 am Beginn des Arbeitstakts im Wesentlichen
am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet. Wenn der Kolben 13 am
Beginn des Arbeitstakts den oberen Totpunkt erreicht, hat sich der Hauptkraftstoff 17a mit
der Ansaugluft vermischt, um ein im Wesentlichen homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch 18 zu
bilden. Wenn sich der Pilotkraftstoff 16 in der Verbrennungskammer 10 selbst
entzündet,
beginnt die Verbrennung des Pilotkraftstoffs 16 und des Kraftstoff-Luft-Gemischs 18.
Da im Betriebsmodus mit Zwischenbelastung der gesamte Hauptkraftstoff im
Gemisch 18 gut mit Luft vermischt ist, stellt er die gesamten
Vorteile einer "mager
brennenden homogenen Verbrennung" (das
heißt,
einen verringerten Ausstoß an
NOx und Feinstaub) bereit.
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5 stellt
eine alternative Anordnung zum Einbringen von Hauptkraftstoff 117 während des
Ansaugtakts in einen Zylinder 114 dar, wenn der Betriebsmodus
mit Zwischen- oder hoher Belastung eingesetzt wird. Anstatt gasförmigen Hauptkraftstoff 117 und
Luft 120 im Zylinder 114 zu vermischen, bringt
eine Hilfseinspritzdüse 125 den
Hauptkraftstoff 117 in das Luftansaugsystem ein, so dass
sich der Hauptkraftstoff 117 mit der Luft 120 vermischt,
bevor er in die Verbrennungskammer 110 gezogen wird. 5 stellt
zum Beispiel dar, dass der Hauptkraftstoff 117 in den Luftansaugdurchgang 119 (das
heißt,
einen Luftansaugkrümmer)
eingebracht wird. Doch Fachleute werden verstehen, dass sich die
Hilfseinspritzdüse 125 auch
weiter stromaufwärts
im Luftansaugsystem befinden kann. Ein derartiges Vormischen ist
als "Begasung" bekannt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch
wird dann während
des Ansaugtakts in die Verbrennungskammer 110 eingebracht. Die
Einbringung des Gemischs kann durch jedes beliebige bekannte Mittel
wie etwa, zum Beispiel, ein Ansaugventil 111 gesteuert
werden. Die Verdichtung des Gemischs, die Phase der Pilotkraftstoffeinspritzung,
die Verbrennung und die anschließende Einbringung von zusätzlichem
Hauptkraftstoff (falls eine solche stattfindet) gehen je nachdem,
ob es sich um eine Bedingung mit hoher Belastung oder mit Zwischenbelastung
handelt, wie oben unter Bezugnahme auf 3b oder 4b dargestellt
und erklärt durch
die Einspritzdüse 115 vonstatten.
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Für Motoren,
die mehrere Kolben umfassen, können
mehrere Hilfseinspritzdüsen
eingesetzt werden, oder kann sich die Hilfseinspritzdüse 125 weiter stromaufwärts im Luftansaugsystem
befinden, um alle Kolben zu bedienen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Verhältnis
des Hauptkraftstoffs zum Pilotkraftstoff und die Zeitsteuerung zum
Einbringen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer des Motors durch eine
elektronische Steuereinheit (ECU) bestimmt. 6 ist ein
Steuerlogikdiagramm, das die Logik darstellt, der zu folgen eine
derartige ECU programmiert sein kann.
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Unter
Bezugnahme auf 6 kann ein Messuntersystem 201 verwendet
werden, um Daten zu sammeln, die sich auf gegenwärtige Betriebsbedingungen beziehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sammelt das Messuntersystem 201 Daten in Bezug auf die
Drosselstellung und die Motorgeschwindigkeit. Das Messuntersystem 201 kann
optional zusätzliche
Daten wie etwa die Ansaugkrümmerladungstemperatur,
die Motorkühlmitteltemperatur,
den Ansaugkrümmerladungsdruck,
den Luftstrom, und Informationen, die das Auftreten eines Klopfens
angeben, bereitstellen.
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Zum
Beispiel erhält
die ECU vorzugsweise Daten, die die gemessene Drosselstellung angeben, und
verwendet sie diese Daten, um die gesamte Menge an Kraftstoff (Ft)
die nötig
ist, um die gegenwärtige
Motorbelastung zu erfüllen,
auf einer Energiebasis zu berechnen. Die ECU bestimmt dann die gewünschte Menge
an Pilotkraftstoff (Fp), die zum Beispiel aus einer Nachschlagetabelle,
welche für den
Motor kalibriert wurde, erhalten werden kann. Die Menge des Hauptkraftstoffs
(Fg) wird dann leicht berechnet (das heißt, Fg = Ft – Fp).
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Unterdessen
kann die ECU vom Messuntersystem 201 auch Daten erhalten,
die den gegenwärtigen
Luftstrom (A) angeben, oder Daten erhalten, die die ECU verwenden
kann, um A zu berechnen. Wenn Fg und A bekannt sind, kann die ECU
das Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis
(das heißt,
Fg/A) berechnen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
sendet das Messuntersystem 201 auch Daten zur ECU, die die
gegenwärtige
Motorgeschwindigkeit angeben. Demgemäß kann die ECU den gewünschten
Betriebsmodus bei bekanntem Fg/A und bekannter Motorgeschwindigkeit
zum Beispiel durch Bezugnahme auf eine Nachschlagetabelle, die Informationen
speichert, welche den in 1 dargestellten ähnlich sind, bestimmen.
In der bevorzugten Ausführungsform wird
ein Modus mit niedriger Belastung ausgewählt, wenn Fg/A geringer als
die Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung (C) ist, wird ein Modus mit hoher
Belastung ausgewählt,
wenn Fg/A grösser
als die Klopfgrenze (K) ist, und wird ein Zwischenbetriebsmodus
ausgewählt,
wenn Fg/A grösser
als C und gerin ger als K ist. Die ECU kann auch bestimmen, ob eine
Sonderbetriebsbedingung wie etwa das Motoranfahren oder ein Leerlauf
besteht. Für
die entsprechende Sonderbetriebsbedingung kann ein Sonderbetriebsmodus
ausgewählt
werden.
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Nachdem
der gewünschte
Betriebsmodus ausgewählt
wurde, wird die Zeitsteuerung zum Einbringen des Kraftstoffs in
die Verbrennungskammer festgelegt. Wie oben beschrieben hängen die
Zeitsteuerung und die Abfolge der Hauptkraftstoff- und der Pilotkraftstoffeinspritzung
vom ausgewählten
Betriebsmodus ab. Zusätzlich
kann die spezifische Zeitsteuerung innerhalb eines Betriebsmodus
auch durch die Motorgeschwindigkeit und die einzuspritzende Kraftstoffmenge
vorgeschrieben werden. Demgemäß wird die
Zeitsteuerung der Hauptkraftstoff- und der Pilotkraftstoffeinspritzung
festgelegt, nachdem die ECU die gewünschte Betriebsbedingung bestimmt
hat. Schliesslich wird der Hauptkraftstoff und der Pilotkraftstoff
zu den passend festgelegten Zeiten in die Verbrennungskammer eingespritzt.
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In
einer Ausführungsform,
wobei das Messuntersystem das Auftreten eines Klopfens feststellt, kann
die ECU ihre gespeicherten Werte in ihrem Speicher neu kalibrieren,
um den Wert für
die Klopfgrenze K neu zu kalibrieren, um das Wiederauftreten des
Klopfens zu verhindern. Das heißt,
wenn während
eines Betriebsmodus mit hoher Belastung ein Klopfen festgestellt
wird, kann die ECU sich selbst neu kalibrieren, um die Menge des
Hauptkraftstoffs (Ffg), der während der
ersten Stufe eingebracht wird, zu verringern. Wenn während eines
Betriebsmodus mit Zwischenbelastung ein Klopfen festgestellt wird, kann
die ECU das Wiederauftreten des Klopfens verhindern, indem sie sich
selbst neu kalibriert, damit sie das nächste Mal, wenn sie den gleichen
Belastungsbedingungen begegnet, den Betriebsmodus mit hoher Belastung
auswählt.
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Die
ECU kann die Stabilitätsgrenze
der vorgemischten Verbrennung und die Klopfgrenze neu kalibrieren,
um Veränderungen
im Ansaugkrümmerdruck
und in der -temperatur auszugleichen. Alternativ können die
Ansaugkrümmertemperatur
und der -druck überwacht
und reguliert werden, um für
vorbestimmte Betriebbedingungen im Wesentlichen konstante Werte
aufrechtzuerhalten.
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Wie
hierin verwendet wurde der Ausdruck "Drossel" oder "Drosselstellung" in einem allgemeinen Sinn verwendet,
um die Belastungsanforde rung an den Motor auszudrücken. Typischerweise
wird eine derartige Belastungsanforderung durch den Benutzer festgelegt
und kann sie eine Fusspedalanordnung (im Fall eines Fahrzeugmotors)
oder eine vorbestimmte Belastungsanforderung (im Fall eines stationären energieerzeugenden
Motors) sein. Im Allgemeinen gibt es viele Weisen, auf die ein Benutzer
die Belastungsanforderung festlegen kann, und sollte der Ausdruck "Drossel" (wie er in dieser
Anmeldung verwendet wird) in diesem allgemeinen Sinn verstanden
werden.
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Obwohl
sich die vorliegende Beschreibung auf Viertakt-Motoren richtet,
werden hiermit befasste Fachleute verstehen, dass das vorliegende
Doppelkraftstoffeinspritzverfahren auch auf andere Motorarten wie
etwa, zum Beispiel. Zweitakt-Verbrennungsmotoren angewendet werden
kann.