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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Dieselmaschinen-Emissionssteuerungen
und insbesondere auf Verfahren zum Optimieren des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts
zur NOx-Emissionssteuerung in einer Dieselmaschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Umweltschutzbehörde
(EPA von Environmental Protection Agency) fordert, dass Diesellokomotiven
die Emissionsvorschriften über
einen weiten Bereich von Umgebungstemperaturen und -drücken einhalten.
Genauer gesagt werden Lokomotivemissionen bei Umgebungstemperaturen
zwischen 45°F
(7,22°C)
und 105°F
(40,56°C)
und Umgebungsdrücken
zwischen 26 und 31 Zoll Quecksilbersäule (0,88 bar und 1,05 bar)
geregelt.
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Um
die von der EPA erlassenen Emissionsvorschriften zu erfüllen, sind
in Diesellokomotiven verwendete Maschinen so eingestellt, dass sie
mit festem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt arbeiten, der passend verzögert wird,
um zur Einhaltung der EPA-Emissionsvorschriften bei allen anwendbaren Betriebstemperaturen
und -drücken
die Bildung von Stickoxiden (NOx) zu begrenzen. Jedoch besteht ein Nachteil
des verzögerten
Einspritzzeitpunkts darin, dass er den Rauch, die Partikelemissionen
und den Kraftstoffverbrauch erhöhen
kann. Außerdem
kann der Einspritzverzögerungsbetrag,
der unter einem Satz von Betriebsbedingungen zum Reduzieren von NOx-Pegeln
erforderlich ist, unter anderen Bedingungen nicht erforderlich sein.
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In
US-A-6 101 998 korrigiert
eine Steuervorrichtung für
eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und Zylindereinspritzung
eine Zylinderwirkdruck-Solllast mit erfassten umgebungsbezogenen Parameterwerten,
die mit einer Einlassluftdichte korreliert werden, und legt dann
Maschinensteuerparameter entsprechend fest, so dass die Schichtladungsverbrennung
auch dann, wenn umgebungsbezogene Parameterwerte wesentlich von
Standardwerten abweichen, stetig und sicher ausgeführt werden
kann. Es wird offenbart, dass ein Steuermodul mit Sensoren und einem
Maschinenkraftstoffeinspritzzeitpunktmodul verbunden ist, wobei
das Steuermodul die Luftdichte aus der Lufttemperatur und dem Luftdruck
berechnet und anhand der Luftströmung,
der Luftdichte und einem Kraftstoffeinspritzzeitpunktkennfeld den
optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bestimmt.
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In
EP-A-1 243 777 berechnet
ein Steuersystem für
eine Maschine mit Zylinderdirekteinspritzung anhand der Einlasslufttemperatur
und des Umgebungsluftdrucks ein aktuelles Port- bzw. Kanaleinlassluftdichtekennfeld,
vergleicht das berechnete Kennfeld mit einem Referenzkennfeld und
kompensiert den Soll-Kraftstoffdruck oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt
gemäß den Vergleichsergebnissen, so
dass ein Kraftstoffsprühen
und Kraftstoffwirbel verhindert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Emissionssteuerungssystem zum
Setzen des optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, um EPA-Emissionsvorschriften
zu erfüllen
und die Kraftstoffeffizienz über einen
weiten Bereich von Betriebstemperaturen und -drücken zu maximieren. In einer
beispielhaften Ausführungsform
bestimmt das Emissionssteuerungssystem einen optimalen Einspritzzeitpunkt
durch Bestimmen von Luftdichte und Luftströmung in einer Maschine und
Vergleichen der Luftdichte- und Luftströmungswerte mit einem Kraftstoffeinspritzzeitpunktkennfeld,
das so kalibriert ist, dass die Emissionsvorschriften eingehalten
werden.
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Das
Emissionssteuerungssystem umfasst ein Steuermodul, das mit einem
Luftdrucksensor, einem Lufttemperatursensor, einem Maschinenladedrucksensor
und einem Maschinenkraftstoffeinspritzzeitpunktmodul, das mit wenigstens
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung oder Einspritzpumpe in einem Kraftstoffeinspritzsystem
verbunden ist, verbunden ist.
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Der
Luftdrucksensor bestimmt den Einlassluftdruck und leitet die Informationen
an das Steuermodul weiter. Der Lufttemperatursensor bestimmt die Einlasslufttemperatur
und leitet die Informationen an das Steuermodul weiter. Der Ladedrucksensor
detektiert den Maschinenladedruck und leitet die Ladedruckinformationen
an das Steuermodul weiter. Die an das Steuermodul weitergeleiteten
Informationen werden dazu verwendet, die Einlass- oder Umgebungsluftdichte
und die Luftströmungsrate
durch die Maschine zu berechnen. Das Steuermodul verwendet die Luftdichte
und die Luftströmungsrate
dazu, einen optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt oder einen möglichst
weit voreilenden Zeitpunkt zu bestimmen, und dennoch die Emissionsvorschriften
einzuhalten. Die Kraftstoffeinspritzzeitpunktinformationen werden dann
an das Kraftstoffeinspritzzeitpunktmodul weitergeleitet, um den
Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en) zu andern. Der
Emissionscontroller dient dazu, den optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt neu
zu berechnen und den Einspritzvorrichtungszeitpunkt entsprechend
zu andern, damit die Maschine so effizient wie möglich innerhalb der Emissionsgrenzwerte
arbeitet.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung,
wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird,
besser verstanden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Turbo-Viertakt-Dieselmaschine mit einem
Emissionssteuerungssystem gemäß der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung des Maschinenemissionssteuerungssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 einen
Graphen, der eine lineare Beziehung zwischen der Luftdichte und
dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zeigt;
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4 einen
Graphen, der eine lineare Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt
und dem Ladedruck zeigt;
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5 eine
schematische Darstellung, die ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen
des optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkts in der Maschine von 1 zeigt;
und
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6 eine
Querschnittsansicht einer Turbo-Viertakt-Dieselmaschine mit einem
Emissionssteuerungssystem gemäß der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Um
zunächst
auf 1 der Zeichnungen näher einzugehen, gibt das Bezugszeichen 10 allgemein
als Beispiel eine Viertakt-Dieselmaschine mit Turboaufladung und
Nachkühlung
an, die primär
für Schienenlokomotivenanwendungen
gedacht ist. Die Maschine 10 besitzt zwei Zylinderreihen 11,
wovon jede mehrere durch Zylinderköpfe 13 geschlossene Zylinder 12 besitzt.
In den Zylindern hin und her bewegliche Kolben 14 definieren
Verbrennungskammern 16 mit variablem Volumen zwischen den
Kolben und den Zylinderköpfen.
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Die
Zylinderköpfe 13 enthalten
Einlass- und Auslasskanäle 17, 18,
die mit den Verbrennungskammern kommunizieren und durch Einlass-
und Auslassventile 20 bzw. 21, die in den Zylinderköpfen angebracht
und durch die Ventilfedern 22 vorbelastet sind, gesteuert
werden. Die Ventile werden durch Einlass- und Auslassnocken 23, 24 einer
Nockenwelle 25, die einen zugeordneten Ventilbetätigungsmechanismus
mit Stößelstangen
und Kipphebeln wie etwa dem Einlasskipphebel 26 antreibt,
mechanisch betätigt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem 27 wird mechanisch betätigt und
durch ein Einspritzzeitpunktmodul 28 elektronisch gesteuert.
Abgasprodukte werden durch die Auslasskanäle 18 und die Abgaskrümmer 29 zu
Turboladern 30 ausgeströmt.
Diese saugen ihrerseits Einlassluft durch Lufteinlässe, nicht gezeigt,
an und führen
Einlassladeluft mit unterschiedlichen Temperaturen durch Einlassvorrohre 31,
Nachkühler 32,
Einlasskrümmer 33 und
Einlasskanäle 17 zu
den Maschinenzylindern.
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Der
Maschinenzyklus umfasst üblicherweise Ansaug-,
Verdichtungs-, Arbeits- und Auspufftakte der Kolben. Einlassluftladungen,
die während
der Ansaugtakte in die Verbrennungskammern 16 angesaugt
werden, werden bei geschlossenen Ventilen verdichtet. Auf die Verdichtung
hin wird Kraft stoff eingespritzt und durch die in den Verbrennungskammern 16 vorhandenen
heißen,
verdichteten Gase gezündet.
Wenn das Gemisch aus Kraftstoff und Luft während der Arbeitstakte der
Kolben verbrennt, um Leistung zu erzeugen, wirken auf die Kolben
erhöhte Verbrennungskammerdrücke. Die
durch die Auslasskanäle 18 ausgestoßenen Verbrennungsprodukte verschaffen
dem Turbolader 30 bei höheren
Lasten Energie, um den Druck der Einlassluftladungen anzuheben.
Die Kombination von hohen Verbrennungstemperaturen und freiem Sauerstoff
in den Verbrennungskammern 16 verursacht die Bildung von
Stickoxiden (NOx), die die Erfindung steuern soll.
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Gemäß der Erfindung
wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt durch Betrieb eines Emissionssteuerungssystems 34,
wie es in 2 gezeigt ist, gesteuert. Das
System 34 umfasst ein Steuermodul 35, das an das
Kraftstoffeinspritzzeitpunktmodul 28 ankoppelt, welches
seinerseits an das Maschinenkraftstoffeinspritzsystem 27 ankoppelt,
um den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zu steuern. Das Steuermodul 35 ist mit
einem Lufttemperatursensor 36, einem Luftdrucksensor 38 und
einem Maschinenladedrucksensor 40 verbunden.
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Die
Lufttemperatur- und Luftdrucksensoren 36, 38 können an
irgendeinem geeigneten Ort an der Maschine wie etwa dem Spülluftkasten
einer Zweitaktmaschine, nicht gezeigt, oder in einem Lufteinlass,
einem Einlasskrümmer 33,
einem Einlasskanal 17 oder an einem anderen zweckmäßigen Ort
vor den Einlassventilen 20 der oben beschriebenen Viertaktmaschine
angebracht sein. Wenn die Sensoren 36, 38 die
Lufttemperatur und den Luftdruck erfassen, leiten sie die Informationen
an das Steuermodul 34 weiter.
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Da
die Drücke
und Temperaturen innerhalb der Maschine unterschiedlich sind, werden
die Messwerte vorzugsweise in der Nähe der Einlasskanäle 17 der
Maschine 10 genommen, um die Luftdichte, unmittelbar bevor
die Luft in die Verbrennungskammern 16 eintritt, zu bestimmen.
Jedoch kann die Luftdichte auch berechnet werden, indem Lufttemperatur-
und Luftdruckmesswerte stromaufwärts
von den Zylindern in dem Lufteinlass vor dem Turboladereinlass genommen
werden.
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Um
die Auswirkungen eines weiten Bereichs von Umgebungstemperaturen
und -drücken
auf NOx-Emissionen zu bestimmen, wurden Tests durchgeführt. Anhand
solcher Tests wurde festgestellt, dass NOx-Emissionen linear mit
der Luftdichte oder dem Ladedruck zunehmen. Auf diese Informationen gestützt ist
ein neues Verfahren entwickelt worden, das sich verändernde
Ladedruck- und Luftdichtezustände
dazu verwendet, die gewünschten
Einspritzzeitpunkteinstellungen zu bestimmen. Die Beziehungen sind
ferner in den 3 und 4 gezeigt.
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3 ist
ein Diagramm, in dem die Linie 42 die Beziehung zwischen
der Luftdichte und dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei konstantem
Ladedruck veranschaulicht. Demgemäß sollte der Einspritzzeitpunkt,
wenn die Luftdichte zunimmt, proportional verzögert werden, um die Maschine
innerhalb der Emissionsgrenzwerte zu betreiben. 4 ist
ein Diagramm, in dem die Linie 44 die Beziehung zwischen
dem Ladedruck und dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei konstanter
Luftdichte veranschaulicht. Demgemäß sollte der Einspritzzeitpunkt,
wenn der Ladedruck zunimmt, proportional verzögert werden, um die Maschine
innerhalb der Emissionsgrenzwerte zu betreiben. Wenn das Emissionssteuerungssystem gemäß den Beziehungen,
die in den in den 3 und 4 gezeigten
Diagrammen dargestellt sind, gesteuert wird, kann die Maschine bei
maximaler Kraft stoffeffizienz über
einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen im Rahmen der Emissionsanforderungen
arbeiten.
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Unter
Verwendung der obigen Informationen arbeitet das Steuermodul 35 so,
dass es durch Vergleichen der Temperatur und des Drucks der Luft
an den Sensoren 36, 38 die Dichte der Luft in
der Maschine bestimmt. Das Steuermodul 35 kann die Luftdichte
durch Vergleichen der Lufttemperatur und des Luftdrucks unter Verwendung
einer linearen Berechnung oder einer Nachschlagetabelle, wie an
sich bekannt ist, berechnen. Zusätzlich
setzt das Steuermodul 34 anhand von Maschinentestergebnissen,
die als Formel oder als Luftströmungsnachschlagetabelle
vorliegen, wie es an sich bekannt ist, auch die von dem Maschinenladedrucksensor 40 empfangenen Ladedruckinformationen
in eine Maschinenluftströmungsrate
um.
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5 ist
ein Diagramm, das ein alternatives Verfahren des Auswählens eines
optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkts zeigt. Zuerst vergleicht
das Steuermodul die Umgebungslufttemperatur mit einer kritischen
Temperatur wie etwa der minimalen regulierten Lufttemperatur, um
zu bestimmen, ob Emissionsvorschriften für die Maschine anzuwenden sind.
Falls die Umgebungstemperatur unter der kritischen Temperatur liegt,
behält
das Steuermodul den vorhergehenden Einspritzzeitpunkt bei. Andernfalls
setzt das Modul den Prozess fort, um einen neuen optimalen Einspritzzeitpunkt
zu wählen.
Nach dem Bestimmen der Einlasslufttemperatur berücksichtigt das Steuermodul
den Ladedruck. Falls der Ladedruck über einem kritischen Druck
liegt, vergleicht das Steuermodul den Ladedruck und die Einlasstemperatur
mit einer Nachschlagetabelle, um unter dem gegebenen Ladedruck und
der gegebenen Einlasslufttemperatur den optimalen Einspritzzeitpunkt
zu bestimmen. Die Einspritzzeitpunktinformationen werden dann zu
dem Kraftstoffeinspritzzeitpunktmodul 28 geschickt, das den
Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen in dem Kraftstoffeinspritzsystem 27 so
verändert,
dass die Maschine bei dem vorgeschriebenen optimalen Einspritzzeitpunkt
arbeitet.
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Im
Betrieb überwacht
das Emissionssteuerungssystem 32 die Temperatur und den
Druck der Luft innerhalb der Maschine sowie den Maschinenladedruck
aktiv. Wenn sich der Luftdruck, die Lufttemperatur oder der Ladedruck ändert, berechnet
das Emissionssteuerungssystem 32 die Luftdichte und die
Luftströmungsrate
neu, um den besten Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zum Betreiben der
Maschine bei der innerhalb der Emissionsvorschriften maximal möglichen
Kraftstoffeffizienz zu bestimmen.
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Um
nun auf die beispielhafte Maschine von 1 Bezug
zu nehmen, wird Luft durch den Lufteinlass, nicht gezeigt, in die
Maschine und zu den Turboladern 30 angesaugt, die den Einlassvorrohren 31 und
Einlasskrümmern 33 Druckluft
zuführen.
Die Druckluft in den Einlasskrümmern 33 strömt durch die
Nachkühler 32,
die die Luft abkühlen
und die Luft zu den Einlasskanälen 17 und
schließlich
zu den Verbrennungskammern 16 befördern. Wenn die Einlassluft
durch den Lufteinlass strömt,
detektieren die Sensoren die Einlasslufttemperatur und den Umgebungsdruck
und leiten die Informationen an das Steuermodul 35 weiter.
Außerdem
werden Ladedruckinformationen von dem Maschinenladedrucksensor 40 an
das Steuermodul 35 weitergeleitet.
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Wenn
das Steuermodul 35 Informationen von den Sensoren 38, 38 und 40 empfangt,
berechnet es die Luftdichte und die Luftströmungsrate durch die Maschine.
Sobald die Luftdichte und die Luftströmungsrate festgelegt sind,
bestimmt das Steuermodul 35 den optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt
zum Betreiben der Maschine 10 bei dem Zeitpunkt, der unter
Halten der NOx-Produktion unter den Emissionsgrenzwerten möglichst
weit voreilt. Die Kraftstoffeinspritzzeitpunktinformationen werden
von dem Steuermodul 35 an das Kraftstoffeinspritzzeitpunktmodul 28 weitergeleitet,
das den Zeitpunkt des Kraftstoffeinspritzsystems 27 so
verändert,
dass die Maschine entsprechend dem durch das Steuermodul festgelegten
Zeitpunkt arbeitet. Wenn sich die Luftdichte- oder Luftströmungsraten
verändern,
berechnet das Steuermodul 35 den unter den neuen Umständen besten
Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und sendet die neuen Zeitpunktinformationen
zu dem Kraftstoffeinspritzsteuermodul 28, um den Zeitpunkt
des Einspritzsystems 27 weiter zu verändern.
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Das
oben beschriebene Verfahren der Emissionssteuerung kann durch Positionieren
der Lufttemperatur- und Luftdrucksensoren in Einlasskrümmern der
Maschine nach den Turboladern weiter verändert sein, um die Drucklufttemperatur
und den Druckluftdruck zu erfassen. Wenn der Drucksensor nach den
Turboladern angeordnet ist, kann er sowohl als Luftdrucksensor für das Berechnen
der Luftdichte als auch als Ladedrucksensor für das Bestimmen der Luftströmungsrate
durch die Maschine verwendet werden. In dieser Situation empfängt die
Emissionssteuerung Luftdruckinformationen von dem Luftdrucksensor
und verwendet die Informationen dazu, die Luftdichte zu berechnen
sowie zum Bestimmen der Luftströmungsrate
die Luftdruckinformationen in einen Ladedruck umzusetzen. In einem
solchen Fall kann das Steuermodulprogramm so verändert sein, dass es Differenzen
zwischen Einlasskrümmer-Drucklufttemperaturen
und -drücken
und Einlass-Umgebungslufttemperaturen und -drücken korrigiert.
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Das
oben beschriebene Verfahren der Emissionssteuerung kann durch Positionieren
der Lufttemperatur- und Luftdrucksensoren außerhalb der Maschine so verändert sein,
dass es die Umgebungslufttemperatur und den Umgebungsluftdruck detektiert.
In einem solchen Fall kann das Steu ermodulprogramm so verändert sein,
dass es Differenzen zwischen Umgebungslufttemperaturen und -drücken und
Einlasskanallufttemperaturen und -drücken korrigiert.
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Das
Emissionssteuerungsverfahren kann durch Vergleichen der Maschinenluftströmung, um ein
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
zu bestimmen, erweitert werden. Das Steuermodul arbeitet dann so,
dass es das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
mit der Maschinenlast und der Maschinendrehzahl vergleicht und dementsprechend
den optimalen Einspritzzeitpunkt einstellt.
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Die
Emissionssteuerung kann außerdem
in einer Zweitaktmaschine 46, wie sie in 6 gezeigt ist,
verwendet werden. Bei der Zweitaktmaschine 46 kann der
Ladedrucksensor 40 in einem Luftspülkasten 48, wie in
der Figur gezeigt ist, oder an irgendeinem geeigneten Ort zwischen
dem Turbolader, nicht gezeigt, und dem Luftspülkasten installiert sein. Der Luftdrucksensor 38 und
der Lufttemperatursensor 36 können in einem Lufteinlass,
nicht gezeigt, oder an irgendeinem anderen geeigneten Ort vor dem
Turbolader installiert sein, um den Umgebungsluftdruck und die Umgebungslufttemperatur
zu messen. In einer alternativen Ausführungsform können die
Luftdruck- und Lufttemperatursensoren 38, 36 außerhalb
der Maschine 46, wie in 6 gezeigt
ist, angeordnet sein, um den Umgebungsluftdruck und die Umgebungslufttemperatur
zu messen. In einer nochmals weiteren Ausführungsform können die
Temperatur- und Drucksensoren 36, 38 in dem Luftspülkasten 48 installiert
sein, um die Temperatur und den Druck der Druckluft in dem Luftspülkasten
zu detektieren, bevor sie in die Zylinder 50 eintritt.
In diesem Fall kann der herkömmliche
Ladedrucksensor 40 weggelassen sein und der Luftdrucksensor 38 sowohl
als Luftdrucksensor als auch als Ladedrucksensor verwendet werden,
um die Luftströmungsrate
durch die Maschine zu bestimmen. Auf den Maschinenladedruck, den
Umgebungsluftdruck und die Umge bungslufttemperatur gestützt spricht
das Emissionssteuerungssystem 34 an, um den Maschinenkraftstoffeinspritzzeitpunkt
so zu andern, dass die Maschine bei dem Zeitpunkt arbeitet, der
innerhalb der Emissionsvorschriften möglichst weit voreilt.