DE60118706T2 - Einspritzverfahren und vorrichtung für zwei brennstoffe in einer brenkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • 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.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Grenze zwischen dem Betriebsmodus mit Zwischenbelastung und dem Betriebsmodus mit hoher Belastung ist vorzugsweise durch eine kalibrierte Klopfgrenze definiert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Vorteile des vorliegenden Doppelkraftstoffeinspritzverfahrens und der vorliegenden -vorrichtung werden offensichtlich werden, wenn die Zeichnungen in Verbindung mit der ausführlichen Beschreibung betrachtet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (53)

  1. Verfahren zum Einbringen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer eines in Betrieb stehenden Verbrennungsmotors, der zumindest einen Zylinder mit einem Kolben aufweist, wobei der Kraftstoff einen Hauptkraftstoff und einen Pilotkraftstoff aufweist, welcher selbstentzündlicher als der Hauptkraftstoff ist, wobei das Verfahren durch Folgendes gekennzeichnet ist: (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 vorgemischte Verbrennungsstabilitätsgrenze eines homogenen Gemischs des Hauptkraftstoffs und der Ansaugluft 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; (d) Einbringen, im Betriebsmodus mit hoher Belastung, des Pilotkraftstoffs und des Hauptkraftstoffs in drei aufeinander folgenden Stufen in die Verbrennungskammer, wobei ein erster Anteil des Hauptkraftstoffs in einer ersten Stufe während eines Ansaug- oder Verdichtungstakts 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebsmodus mit niedriger Belastung ferner das Einbringen des Pilotkraftstoffs während des Verdichtungstakts in einer zeitgesteuerten Weise umfasst, so dass sich der Pilotkraftstoff entzündet, wenn sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet, und der Hauptkraftstoff aufeinander folgend nach dem Pilotkraftstoff eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei, wenn zumindest ein Anteil des Hauptkraftstoffs aufeinander folgend nach dem Pilotkraftstoff eingebracht wird, dieser zumindest eine Anteil des Hauptkraftstoffs innerhalb von null und neunzig Grad der Kurbelwellendrehung nach der Einbringung des Pilotkraftstoffs eingebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hauptkraftstoffeinbringung der ersten Stufe abgeschlossen ist, bevor die Pilotkraftstoffeinbringung der zweiten Stufe begonnen hat.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptkraftstoff der ersten Stufe während des Ansaugtakts eingebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptkraftstoff der ersten Stufe eingebracht wird, wenn sich der Kolben am oder nahe dem unteren Totpunkt befindet.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pilotkraftstoff der zweiten Stufe eingebracht wird, wenn sich der Kolben nahe dem Ende des Verdichtungstakts am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pilotkraftstoffeinbringung der zweiten Stufe abgeschlossen ist, bevor die Hauptkraftstoffeinbringung der dritten Stufe begonnen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptkraftstoff der dritten Stufe bei zumindest etwa fünf Grad der Kurbelwellendrehung nach dem Abschluss der Pilotkraftstoffeinbringung der zweiten Stufe eingebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend (e) Einsetzen eines Betriebsmodus mit Zwischenbelastung, wenn ein dritter vorbestimmter Satz von Belastungsbedingungen festgestellt wird, wobei der dritte vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen bei einer betriebsfähigen Motorgeschwindigkeit einer Motorbelastung entspricht, die größer als die Motorbelastung ist, welche dem ersten vorbestimmten Satz von Belastungsbedingungen entspricht, und der dritte vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen einer Motorbelastung entspricht, die geringer als die Motorbelastung ist, welche dem zweiten vorbestimmten Satz von Belastungsbedingungen entspricht; wobei der Betriebsmodus mit Zwischenbelastung ein aufeinander folgendes Einbringen des Pilot- und des Hauptkraftstoffs in die Verbrennungskammer umfasst, wobei der Hauptkraftstoff vor dem Pilotkraftstoff in die Verbrennungskammer eingebracht wird und die Pilotkraftstoffeinbringung stattfindet, wenn sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet, und die Hauptkraftstoffeinbringung so zeitgesteuert ist, dass sich der Pilotkraftstoff im Wesentlichen entzündet, wenn sich der Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt befindet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei, wenn der Betriebsmodus mit Zwischenbelastung eingesetzt wird, der Hauptkraftstoff in einer solchen Weise eingebracht wird, dass sich eine wesentliche Menge des Hauptkraftstoffs im Zylinder vor der Verbrennung mit Luft vermischt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei, wenn der Betriebsmodus mit Zwischenbelastung eingesetzt wird, der Hauptkraftstoff während eines Ansaugtakts in die Verbrennungskammer eingebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Grenze zwischen dem Betriebsmodus mit Zwischenbelastung und dem Betriebsmodus mit hoher Belastung durch eine kalibrierte Klopfgrenze definiert ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der dritten Stufe eingebracht wird, veränderlich ist und vom festgestellten Satz von Belastungsbedingungen abhängt, so dass die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der dritten Stufe eingebracht wird, zunimmt, wenn der festgestellte Satz von Belastungsbedingungen anzeigt, dass die Motorbelastung zunimmt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der ersten Stufe eingebracht wird, veränderlich ist und vom festgestellten Satz von Belastungsbedingungen und einer kalibrierten Klopfgrenze abhängt, so dass die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der ersten Stufe eingebracht wird, ein Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis aufrechterhält, das geringer als die Klopfgrenze ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der ersten Stufe eingebracht wird, im Wesentlichen konstant ist und ein Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis bereitstellt, das geringer als eine kalibrierte Klopfgrenze ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feststellen des Satzes von Belastungsbedingungen auf den Motor das Messen der Motorgeschwindigkeit und der Motordrosselstellung umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feststellen des Satzes von Belastungsbedingungen auf den Motor das Messen der Motoransaugkrümmerladungstemperatur und/oder der Motorkühlmitteltemperatur umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feststellen des Satzes von Belastungsbedingungen auf den Motor das Messen des Ansaugkrümmerladungsdrucks umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feststellen des Satzes von Belastungsbedingungen auf den Motor das Messen des Luftstroms in die Verbrennungskammer umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Feststellen des Satzes von Belastungsbedingungen auf den Motor das Abfühlen des Klopfens im Zylinder umfasst.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptkraftstoff der ersten Stufe mit Ansaugluft vorgemischt wird, bevor er in die Verbrennungskammer eingebracht wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 10, wobei, während des Betriebsmodus mit Zwischenbelastung, der Hauptkraftstoff mit Ansaugluft vorge mischt wird, bevor er in die Verbrennungskammer eingebracht wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend 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.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Menge des Hauptkraftstoffs, die während der ersten Stufe (Ffg) im Betriebsmodus mit hoher Belastung eingebracht wird, begrenzt ist, um zu verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis (Ffg/A) eine kalibrierte Klopfgrenze überschreitet.
  26. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Einsetzen eines Steuersystems, um die Zeitsteuerung zum Einbringen des Hauptkraftstoffs und des Pilotkraftstoffs gemäß dem festgestellten Satz von Belastungsbedingungen in die Verbrennungskammer zu steuern.
  27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptkraftstoff gasförmig ist.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Hauptkraftstoff aus der Gruppe gewählt wird, die aus gasförmigen Wasserstoff und gasförmigen Kohlenwasserstoffen besteht.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die gasförmigen Kohlenwasserstoffe Erdgas und verflüssigtes Erdölgas umfassen.
  30. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pilotkraftstoff flüssig ist.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Pilotkraftstoff ein flüssiger Kohlenwasserstoff ist.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die flüssigen Kohlenwasserstoffe aus der Gruppe gewählt werden, die aus Dieselkraftstoff und Dimethylether besteht.
  33. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Motor einem Kraftfahrzeug Kraft bereitstellt oder der Motor ein krafterzeugender Bestandteil einer stationären Triebwerkanlage ist.
  34. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Betreiben in einem Sonderbetriebsmodus während vorbestimmter Sonderbedingungen, wenn es nicht möglich ist, ein Vorgemisch aus Kraftstoff und einer Ansaugladung leistungsfähig zu verbrennen.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Sonderbedingungen Motoranfahr- und Motorleerlaufbedingungen umfassen.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Sonderbetriebsmodus der gleiche wie der Betriebsmodus bei niedriger Belastung ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erhöhen der Ansaugkrümmerladungstemperatur über die Umgebungstemperatur, wenn der Betriebsmodus mit hoher Belastung eingesetzt wird.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, ferner umfassend das Verwenden einer Abgasrückführung, um die Temperatur der Ansaugladung zu erhöhen.
  39. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Erhöhen der Ansaugkrümmerladungstemperatur über die Umgebungstemperatur, wenn der Betriebsmodus mit Zwischenbelastung eingesetzt wird.
  40. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste vorbestimmte Satz von Belastungsbedingungen Belastungsbedingungen entspricht, 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.
  41. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren einen Hauptkraftstoff und einen Pilotkraftstoff, der selbstentzündlicher als der Hauptkraftstoff ist, in eine Verbrennungskammer einspritzt, wobei das Verfahren durch Folgendes gekennzeichnet ist: (a) Feststellen eines Satzes von Motorbetriebsbedingungen und einer gewünschten Motorbelastung; (b) Berechnen des Gesamtkraftstoffs, der auf einer Energiebasis benötigt wird, um der gewünschten Motorbelastung nachzukommen; (c) Auswählen einer vorbestimmen Pilotkraftstoffmenge auf Basis des benötigten Gesamtkraftstoffs; (d) Berechnen der benötigten Hauptkraftstoffmenge auf einer Energiebasis als eine Menge, die dem benötigten Gesamtkraftstoff weniger der vorbestimmten Menge des Pilotkraftstoffs gleich ist; (e) Bestimmen des Luftstroms aus dem Satz von Motorbetriebsbedingungen; (f) Berechnen des Verhältnisses des Hauptkraftstoffs zur Luft auf Basis der benötigten Hauptkraftstoffmenge und des bestimmten Luftstroms; (g) Bestimmen, ob eine Sonderbedingung vorhanden ist; (h) Auswählen eines Sonderbetriebsmodus, wenn die Sonderbetriebsbedingung vorhanden ist, wobei, wenn die Sonderbetriebsbedingung gewählt wird, die Hauptkraftstoff- und die Pilotkraftstoffsteuerung so festgelegt werden, dass Pilotkraftstoff eingespritzt wird, um die Verbrennung einzuleiten, und Hauptkraftstoff nach dem Einspritzen des Pilotkraftstoffs eingespritzt wird; (i) wobei das Verfahren dann, wenn keine Sonderbetriebsbedingung vorhanden ist, Folgendes umfasst: Auswählen eines Betriebsmodus mit niedriger Belastung, wenn das Verhältnis des Hauptkraftstoffs zur Luft geringer als eine vorbestimmte vorgemischte Verbrennungsstabilitätsgrenze (C) ist, wodurch, wenn der Betriebsmodus mit niedriger Belastung ausgewählt wird, die Hauptkraftstoffeinspritzungssteuerung und die Pilotkraftstoffsteuerung so festgelegt werden, dass Pilotkraftstoff eingespritzt wird, um die Verbrennung einzuleiten, und Hauptkraftstoff nach dem Einspritzen des Pilotkraftstoffs eingespritzt wird; und Auswählen eines Betriebsmodus mit hoher Belastung, wenn das Verhältnis des Hauptkraftstoffs zur Luft größer als C ist, wodurch, wenn der Betriebsmodus mit hoher Belastung ausgewählt wird, der Hauptkraftstoff in zwei Stufen eingespritzt wird, wobei ein erster Anteil des Hauptkraftstoffs vor dem Einspritzen des Pilotkraftstoffs eingebracht wird, der Pilotkraftstoff eingespritzt wird, um die Verbrennung einzuleiten, und ein zweiter Anteil des Hauptkraftstoffs nach dem Einspritzen des Pilotkraftstoffs eingespritzt wird.
  42. Verfahren nach Anspruch 41, ferner umfassend das Auswählen eines Zwischenbetriebsmodus, wenn das Hauptkraftstoff-Luft-Verhältnis größer als C und geringer als eine kalibrierte Klopfgrenze ist, wodurch, wenn der Zwischenbetriebsmodus ausgewählt wird, der Hauptkraftstoff vor dem Einspritzen des Pilotkraftstoffs eingespritzt wird, und der Pilotkraftstoff eingespritzt wird, um die Verbrennung einzuleiten.
  43. Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer (10; 110) eines in Betrieb stehenden Verbrennungsmotors, der zumindest einen Zylinder (14; 114) mit einem zugehörigen Kolben (13; 113) aufweist, wobei der Kraftstoff einen Hauptkraftstoff (17; 117) und einen Pilotkraftstoff (16; 116) umfasst, welcher zu einem größeren Grad als der Hauptkraftstoff selbstentzündlich ist, wobei die Vorrichtung durch Folgendes gekennzeichnet ist: (a) Messvorrichtungen zum Sammeln von Betriebsdaten vom Motor, wobei die Messvorrichtungen ein Tachometer zum Messen der Motorgeschwindigkeit und einen Sensor zum Bestimmen der Drosselstellung umfassen; (b) eine elektronische Steuereinheit (201), 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 Hauptkraftstoff (17; 117) Einspritzdüse, 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 Belastungsbedingungen bestimmt werden, in die Verbrennungskammer einzubringen; und (d) eine Pilotkraftstoff (16; 116) Einspritzdüse, 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 umfassen, wobei der Pilotkraftstoff und der Hauptkraftstoff in die Verbrennungskammer eingebracht werden, wenn der Zylinder mit Druck beaufschlagt wird, und einen Betriebsmodus mit hoher Belastung umfassen, der eine dreistufige aufeinander folgende Einbringung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer umfasst, 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.
  44. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Messvorrichtungen ferner eine Sonde zum Messen der Motoransauglufttemperatur umfassen.
  45. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Messvorrichtungen ferner eine Sonde zum Messen der Motorkühlmitteltemperatur umfassen.
  46. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Messvorrichtungen ferner eine Vorrichtung zum Messen des Ansaugluftladedrucks umfassen.
  47. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Messvorrichtungen ferner einen Durchflussmesser zum Messen des Luftstroms in die Verbrennungskammer umfassen.
  48. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Messvorrichtungen ferner eine Vorrichtung zum Feststellen einer verfrühten Explosion in der Verbrennungskammer umfassen.
  49. Vorrichtung nach Anspruch 48, wobei die elektronische Steuereinheit die Menge des Hauptkraftstoffs, der in der ersten Stufe eingebracht wird, verringern kann, wenn eine verfrühte Explosion festgestellt wird.
  50. Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Hauptkraftstoffeinspritzdüse und die Pilotkraftstoffeinspritzdüse zu einer Doppelkraftstoffeinspritzdüse zusammengefasst sind, die jeden aus dem Hauptkraftstoff und dem Pilotkraftstoff unabhängig vom anderen einspritzen kann.
  51. Vorrichtung nach Anspruch 43, ferner umfassend eine Hilfseinspritzdüse, die einem Lufteinsaugsystem zugehörig ist, um Hauptkraftstoff in einen Lufteinsaugdurchgang einzubringen, damit er sich mit Ansaugluft vermischen kann, bevor er in die Verbrennungskammer eingebracht wird.
  52. Vorrichtung nach Anspruch 51, wobei der Lufteinsaugdurchgang ein Lufteinsaugkrümmer ist.
  53. Vorrichtung nach Anspruch 51, wobei der Motor mehrere Kolben und mehrere Hilfseinspritzdüsen umfasst.
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