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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Erfindung, welche
allgemein Verbrennungsmethoden für
Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung und insbesondere
Verbrennungsmethoden, welche in verminderten Schadstoffemissionen
resultieren, betrifft.
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Hintergrund der Erfindung
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Für ein besseres
Verständnis
der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung ist es nützlich, zunächst einen Überblick über die
grundlegenden Prinzipien des Aufbaus und der Arbeitsweise von Verbrennungskraftmaschinen
mit innerer Verbrennung zu geben. 1 zeigt
einen Zylinder in einer einfachen, idealisierten Verbrennungskraftmaschine 100 mit
innerer Verbrennung, umfassend eine zwischen einem Kolben 104 und
einem Zylinderkopf 106 definierte Verbrennungskammer 102.
Der Zylinderkopf 106 umfasst einen Kraftstoffinjektor 108 und
ein Paar von Verbrennungskammerventilen, ein Einlassventil 110 für den Einlass
von Luft von einem Einlasskrümmer 112 und
ein Auslassventil 114 zum Ausstoßen von Verbrennungsprodukten
zu einem Auslasskrümmer 116 und
einem Auslasssystem. Bekanntlich arbeitet der Motor 100 so,
dass er in einen Verbrennungszyklus eintritt, in dem Kraftstoff
in der Verbrennungskammer 102 verbrannt wird, um die Gase
(in der Hauptsache Luft) darin zu expandieren und den Kolben 104 anzutreiben.
Der Kol ben 104 wiederum treibt eine Kurbel 118,
welche dem Kolben 104 zugeordnet ist, wobei die Kurbel 118 ihrerseits
die Kurbelwelle (nicht gezeigt) antreibt, die Leistungsabgabe für einen
Fahrzeugantriebsstrang oder andere Strukturen zum Übertragen
mechanischer Leistung bereitstellt. Der klassische Viertakt-Verbrennungszyklus für sowohl
SI-(Funkenzündungs-
oder Benzin-)Motoren als auch für
CI-(Kompressionszündungs-
oder Diesel-)Motoren umfasst die folgenden Schritte:
- (1) Einen Ansaugtakt, wobei das Einlassventil 110 geöffnet wird,
während
sich der Kolben 104 von dem Zylinderkopf 106 zurückzieht,
um Luft von dem Einlasskrümmer 112 in
die Verbrennungskammer 102 zu saugen.
- (2) Einen Verdichtungstakt, wobei sich der Kolben 104 dem
Zylinderkopf 106 nähert,
wobei die Verbrennungskammerventile 110 und 114 geschlossen
sind (mindestens während
des letzteren Abschnitts des Taktes).
- (3) Einen Arbeits- oder Expansionstakt, wobei in die Verbrennungskammer 102 injizierter
Kraftstoff gezündet
wird und die expandierenden Gase innerhalb der Verbrennungskammer 102 den
Kolben 104 auswärts
drücken
(wie beim Ansaugtakt). Wieder bleiben die Verbrennungskammerventile 110 und 114 üblicherweise
geschlossen (mindestens während
des frühen
Abschnitts des Taktes).
- (4) Einen Ausschiebetakt, wobei die Verbrennungsprodukte innerhalb
der Verbrennungskammer 102 in den Auslasskrümmer 116 ausgestoßen werden
durch Vorwärtsbewegung
des Kolbens 104 zu dem Zylinderkopf 106 hin bei
geöffnetem
Auslassventil 114.
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Jeder
Takt tritt über
180 Grad Kurbelwellendrehung auf, wobei der komplette Zyklus über 720 Grad
auftritt (zwei volle Kurbelwellenumdrehungen). Üblicherweise werden die Verbrennungskammerventile
110 und
114 zu
den gewünschten
Zeiten geöffnet und
geschlossen mittels Ventilbetätiger,
z. B. Nocken oder anderen Strukturen), die ihrerseits durch die Kurbelwelle
(nicht gezeigt) getrieben werden. Da derartige Anordnungen das Timing
und das Aus maß der Ventilöffnung und
-schließung
an die Positionierung der Kurbelwelle koppeln und da es wünschenswert sein
kann, einen größeren Grad
an Kontrolle über
die Ventilbetätigung
zu haben, um gewünschte
Verbrennungskammerbedingungen zu erzielen, ist seit neuerer Zeit
ein Trend zur Verwendung von Technologien zur variablen Ventilsteuerung
zu verzeichnen. Diese Technologien entkoppeln ganz oder teilweise
das Timing und/oder das Ausmaß der
Ventilbetätigung
von der Kurbelwellenposition und erlauben ein öffnen und/oder Schließen der
Ventile
110 und
114 wann gewünscht (und können auch
erlauben, der Öffnungsgrad
nach Wunsch zu variieren). Beispiele für variable Ventilbetätigungs-(VVA-)Konzepte
sind z. B. in den
US-Patenten
Nr. 4 777 915 ;
4 829
947 und
5 515 818 zu
finden.
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Die
vorgenannten Verbrennungszyklusschritte/-takte differieren zwischen
klassischen SI- und CI-Motoren insofern, als SI-Motoren dazu tendieren,
Kraftstoff während
des Ansaugtaktes zu injizieren, während CI-Motoren dazu tendieren,
Kraftstoff spät
im Verdichtungstakt oder früh
im Arbeitstakt, nahe dem "oberen
Totpunkt" (OT),
dem Punkt, in dem der Kolben 104 dem Zylinderkopf 106 am nächsten ist,
zu injizieren. Ferner tritt bei SI-Motoren die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs
durch Einführung
eines Funkens ein (wobei in 1 keine Zündkerze
gezeigt ist). Demgegenüber
stützen
sich klassische CI-Motoren auf den Verdichtungstakt, um die Wärme und
den Druck in der Verbrennungskammer 102 bis zu einem solchen
Grad zu erhöhen,
dass Zündung
resultiert. Ferner gibt es verschiedene Typen von "Hybrid"-Motoren, die unter Nutzung einer Kombination
von SI- und CI-Prinzipien betrieben werden, z. B. Motoren, die in
der Hauptsache nach CI-Prinzipien betrieben werden, die aber eine
Zünd- oder "Glühkerze" zur Unterstützung der
Zündung
verwenden. (Es möge
ferner beachtet werden, dass der Motor von 1 als ein "einfacher, idealisierter
Motor" beschrieben
ist, da Realwelt-Motoren
eine breite Vielfalt von Verbrennungskammerkonfigurationen aufweisen
können,
die von der bei 102 in 1 gezeigten
verschieden sein können,
und variierende Anzahlen, Anordnungen und Konfigurationen von Verbrennungskammerventilen 110 und 114 und/oder Injektoren 108 aufweisen
können.)
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Auf
dem Gebiet der Motorentwicklung und -herstellung sind zwei Punkte
von kritischer Bedeutung der Motorwirkungsgrad (z. B. Leistungsabgabe pro
Kraftstoffverbrauch) und die Motoremissionen. Dieselmotoren tendieren
dazu, effizienter zu arbeiten als SI-Motoren, aber leider tendieren
sie auch zu viel größeren Schadstoffemissionen
als SI-Motoren. Übliche
Schadstoffe, welche aus der Verwendung von Verbrennungskraftmaschinen
mit innerer Verbrennung resultieren, sind Stickstoffoxide (üblicherweise mit
NOx bezeichnet) und Partikel (auch einfach
als "Ruß" bekannt). NOx ist allgemein mit Hochtemperatur-Motorbedingungen
assoziiert und kann durch den Einsatz von Maßnahmen wie Abgasrückführung (AGR)
vermindert werden, wobei die Motoransaugluft mit relativ inertem
Abgas (allgemein nach Abkühlung
des Abgases) verdünnt
wird. Dies mindert den Sauerstoff in der Verbrennungskammer und
erzielt eine Absenkung der maximalen Verbrennungstemperatur, wodurch
die NOx-Bildung behindert wird. Partikel
(Ruß)
umfassen eine Vielfalt von Stoffen, z. B. elementaren Kohlenstoff,
schwere Kohlenwasserstoffe, hydratisierte Schwefelsäure und
andere große Moleküle und sind
allgemein mit unvollständiger
Verbrennung assoziiert. Die Partikel können vermindert werden durch
Erhöhen
der Verbrennungs- und/oder Abgastemperaturen oder durch Bereitstellen
von mehr Sauerstoff, um die Oxidation der Rußpartikel zu fördern. Unglücklicherweise
tendieren NOx-mindernde Maßnahmen
dazu, die Partikelemissionen zu erhöhen, und Maßnahmen, welche die Partikel
mindern, tendieren dazu, die NOx-Emissionen
zu erhöhen,
was in einem Kompromiss resultiert, der oft als "Ruß-NOx-Kompromiss" bezeichnet wird.
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Zum
Zeitpunkt dieses Schreibens sieht sich die Dieselmotorindustrie
einer strengen Emissionsgesetzgebung in den Vereinigten Staaten
gegenüber und
ist bemüht,
Verfahren zu finden, welche die staatlich auferlegten NOx- und Ruß-Vorgaben für die Jahre
2002–2004
und noch strengere Standards, die ab 2007 stufenweise eingeführt werden
sollen, erfüllen
können.
Eine ins Auge gefasste Maßnahme
ist der Einsatz von Abgasnachbehandlung (z. B. Partikelfallen) für die Rußemissionsbegrenzung
sowohl in Schwerlastkraftwagen- als auch Automobil-Dieselmotoren.
Um aber die vorgeschriebenen Haltbarkeitsstandards (z. B. 50 000
bis 100 000 Meilen) zu erfüllen,
muss die Rußfalle periodisch
regeneriert werden (der zurückgehaltene
Ruß muss
periodisch nachverbrannt werden). Dies verlangt beträchtlichen Aufwand
und Komplexität,
weil typischerweise zusätzlicher
Kraftstoff in den Abgasstrom eingemischt und gezündet werden muss, um die angesammelten Partikelablagerungen
zu oxidieren.
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Neben
den auf Nachbehandlung gerichteten Studien besteht auch ein starkes
Interesse an der mehr fundamentalen Frage, wie man die Bildung von NOx und Partikeln während des Verbrennungsprozesses
mindern und dadurch sauberere "Engine-out"-Emissionen (d. h.
die Emissionen direkt hinter dem Motor, also vor einer Abgasnachbehandlung oder ähnlichen
Maßnahmen)
erhalten kann. Studien auf diesem Gebiet beziehen sich auf die Ausgestaltung
der Verbrennungskammern, das Timing der Kraftstoffeinspritzung,
das Abstimmen der Einspritzrate während der Einspritzung dahingehend,
dass die gewünschten
Emissionsstandards eingehalten werden, oder das Modifizieren des
Einspritzmodus (z. B. Modifizieren des Einspritzsprühmusters).
Ein Studiengebiet betrifft Vormischmethoden, wobei das Ziel darin
liegt, eine vollständigere
Vermischung von Kraftstoff und Luft zu erzielen, um die Ruß- und die NOx-Emissionen gleichzeitig zu vermindern.
Bei Dieselmotoren besteht das Ziel von Vormischmethoden darin, von
dem Diffusionsverbrennungsmechanismus, der die Dieselverbrennung
treibt, wegzukommen, und statt dessen zu versuchen, eine vorgemischte
Verbrennung zu erzielen. Bei der Diffusionsverbrennung wird das
zu oxidierende Material (Kraftstoff) dem Oxidationsmittel (Luft)
bereitgestellt, wobei Vermischung und Verbrennung gleichzeitig stattfinden.
Die Brennstofftröpfchen
innerhalb einer injizierten Spritzfahne weisen eine äußere Reaktionszone auf,
die einen Kraftstoffkern umgibt, dessen Größe sich mit fortschreitender
Aufzehrung vermindert, und es findet eine hohe Rußproduktion
an dem Kraftstoff-reichen Hochtemperatur-Spritzkern statt. Demgegenüber werden
bei der vorgemischten Verbrennung Kraftstoff und Luft vor der Verbrennung
vermischt, und die gründlichere
Vermischung führt
zu geringerer Rußproduktion.
Das Vormischen kann mittels einer Anzahl verschiedener Maßnahmen durchgeführt werden,
so z. B. mittels Fumigation (Einspritzung von Kraftstoff in den
Ansaugluftstrom vor seinem Eintritt in den Motor) und/oder direkte
Einspritzung einer Kraftstoffladung relativ weit vor dem oberen
Tot- Punkt (OT),
so dass die Bewegung des Kolbens 104 und Konvektion innerhalb
des Zylinders in größerer Vermischung
resultieren.
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Eine
vielversprechende Dieselvormischtechnik ist HCCI ("Homogeneous Charge
Compression Ignition"),
deren Ziel darin liegt, Initialzündung
eines mageren, hoch vorgemischten Luft-Kraftstoff-Gemischs bei oder
nahe dem oberen Totpunkt (OT) zu verursachen. Eine extensive Erörterung
von HCCI und ähnlichen
Vormischtechniken findet sich in
US-Patent
Nr. 6 230 683 (zur Loye et al.), und die
US-Patente Nr. 5 832 880 (Dickey)
und Nr.
6 213 086 (Chmela
et al.) enthalten ebenfalls nützliche
Hintergrundinformation. Bei HCCI wird die Ladung als "homogen" bezeichnet, weil
sie (mindestens theoretisch) hoch und gleichmäßig mit der Luft in dem Zylinder vermischt
wird. Die Zündung
wird dann durch Selbstzündung
ausgelöst,
d. h. thermodynamische Zündung
via Kompressionserwärmung.
Das Ziel von HCCI liegt darin, die Selbstzündung des mageren und homogenen
Gemischs zu nutzen, um eine gleichmäßige und relativ langsame Nicht-Diffusions-(oder
minimierte Diffusions-)Verbrennung bereitzustellen, resultierend
in signifikant niedrigeren Verbrennungskammertemperaturen und verminderter NO
x-Produktion (die bei hoher Temperatur am
stärksten
ist) sowie geringerer Rußproduktion
infolge verbesserter Vermischung. Demgegenüber wird eine reichere Mischung
(wie sie z. B. für
die Flammenausbreitung ausgehend von dem Funken in einem SI-Motor erforderlich
ist) rascher und bei höherer Temperatur
verbrennen und kann daher in einer höheren NO
x-Produktion
resultieren.
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Eine
weitere vielversprechende Vormischtechnologie ist die "Modulated Kinetics"-(MK-)Technik, die
als eine Spezies von HCCI angesehen werden kann. MK-Verbrennung
ist in der Hauptsache durch drei Merkmale gekennzeichnet: (1) es
wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verwendet, das magerer ist als üblich; (2)
die Einspritzung erfolgt bei oder nahe dem oberen Totpunkt (häufig nach
OT); und (3) die Zündverzögerung überschreitet
die Einspritzdauer (so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch mindestens
teilweise vor der Verbrennung vorgemischt wird). Im Wesentlichen
beinhaltet MK-Verbrennung die Verwendung von relativ später Einspritzung(en)
in dem oben beschriebenen "generellen" HCCI-Verbrennungsverfahren
und konzentriert sich darauf, die Zündverzögerung zum Vormischen zu verwenden. Für eine weitere
Diskussion der MK-Verbrennung siehe z. B. Kimura et al.: "Ultra-clean combustion technology
combining a low-temperature and premixed combustion concept for
meeting future emissions standards", SAE-Paper 2001-01-200, 2001.
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Wie
die vorstehenden in Bezug genommenen Schriften erwähnen, ist
es zwar möglich,
Vormischprozesse vom HCCI-Typ vorteilhaft in CI-Motoren zu implementieren,
um deren hohe Effizienz ohne ihre üblicherweise hohen Emissionen
zu erreichen, jedoch ist HCCI auch schwer durchzuführen wegen der
Schwierigkeiten beim Zünden
des mageren Gemischs und/oder beim Kontrollieren des Zündbeginns.
Die Verbrennung in einem SI-Motor wird durch den Funken leicht initiiert,
wobei danach eine vorgemischte Verbrennung stattfindet; ähnlich wird
die Verbrennung in einem konventionellen CI-Motor initiiert durch
Kraftstoffeinspritzung nahe dem oberen Totpunkt (am oder kurz nach
dem Ende des Verdichtungstaktes), wenn die thermodynamischen Bedingungen
für Selbstzündung günstig sind,
wobei danach eine Diffusionsverbrennung stattfindet. Jedoch verwendet
HCCI keinen Funken, und es ist auch nicht wünschenswert für HCCI,
das reiche Gemisch zu verwenden, welches für eine wirksame Nutzung des
Funkens notwendig ist. Es ist ferner schwierig für HCCI, eine homogene Ladungs-
oder Vormischverbrennung zu erzielen, wenn Einspritzung nahe dem oberen
Totpunkt verwendet wird, weil weniger Zeit zum Mischen vor Zündung zur
Verfügung
steht. Somit ist ein Schlüsselgebiet
für Untersuchungen
auf dem HCCI-Gebiet die Frage, wie man die Zündung effizient initiieren
kann, und – was
noch kritischer ist – wie
man die Zündung
zu der gewünschten
Zeit bewirken kann. Während
diese Fragen ziemlich unkompliziert sind, wo CI-Motoren unter einem
relativ starren Satz von Betriebsbedingungen arbeiten (wie z. B. im
Falle von Dieselgeneratoren, die dazu tendieren, bei relativ konstanten
Geschwindigkeiten und Lasten zu arbeiten), werden diese Fragen außerordentlich komplex,
wenn CI-Motoren unter verschiedenen Geschwindigkeiten und Lasten
arbeiten müssen
(wie z. B. im Automobil-/Fahrzeugeinsatz). Diese Zünd- und Timing-Probleme
sind der Hauptgrund, warum HCCI-Methoden keinen weitverbreiteten
Eingang gefunden haben außerhalb
von Generatoren und anderen Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit/Last.
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Vor
dem Hintergrund der vorstehenden Diskussion besteht ein signifikanter
Bedarf an Methoden und Vorrichtungen, welche den Erhalt von vorgemischter
Verbrennung unterstützen,
insbesondere einer vorgemischten Verbrennung, welche HCCI-Verbrennung
erzielt oder nahekommt, um die Ausnutzung der hohen Effizienz von
CI-Motoren zu erlauben, ohne dafür
ihre hohen Schadstoffemissionen in Kauf nehmen zu müssen.
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Detailbeschreibung bevorzugter
Versionen der Erfindung
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Die
Erfindung, welche durch die am Ende dieses Dokuments dargelegten
Ansprüche
definiert ist, ist auf Verfahren gerichtet, welche die im Vorstehenden
erwähnten
Probleme mindestens teilweise mildern. Um dem Leser einen besseren
Vergleich der Erfindung mit der oben beschriebenen bereits existierenden
Technologie zu erlauben, werden bevorzugte Merkmale der Erfindung
nun unter Bezugnahme auf 1 spezifischer beschrieben.
Es versteht sich also, dass, während 1 mit "Stand der Technik" gekennzeichnet ist,
um darauf hinzuweisen, dass die darin gezeigte exemplarische Struktur
wohlbekannt ist, die folgende Beschreibung erläutert, wie die Erfindung in
bereits bekannten Motoren des in 1 gezeigten
Typs oder anderen Typs implementiert werden kann (wobei angemerkt
sei, dass die Erfindung auch in anderen Typen von Motoren, die noch
zu entwickeln sind, implementiert werden könnte).
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Eine
besonders bevorzugte Version der Erfindung beinhaltet kurzes Öffnen von
mindestens einem der Verbrennungskammerventile 110 und 114 für mindestens
eine diskrete Periode zu einem Zeitpunkt während des Verdichtungs- und/oder des Arbeitstaktes,
resultierend in einem oder mehreren der folgenden Vorteile:
- (1) Es kann eine größere Vermischung innerhalb der
Verbrennungskammer 102 erhalten werden. Wenn eines der
Verbrennungskammerventile 110 und 114 für eine kurze
Periode geöffnet
wird, werden die Gase innerhalb der Verbrennungskammer 102 während dieser
Periode rasch durch das geöffnete
Ventil in den ihm zugeordneten Krümmer 112 oder 116 ausströmen. Die
entweichenden Gase können
Vermischungsströme
innerhalb der Verbrennungskammer 102 erzeugen, welche die Verbrennung
von Partikeln fördern
und dadurch in niedrigere Emissionen resultieren können.
- (2) Die Bedingungen in der Verbrennungskammer 102 können verändert werden,
um eine Änderung bezüglich der
Zeit, zu der die Zündung
initiiert wird, zu bewirken, wodurch das Zünd-Timing wie gewünscht variiert
werden kann, um HCCI zu erzielen. Weil das Zünd-Timing größtenteils
abhängig
ist von dem Druck (und der Temperatur) der Gase innerhalb der Verbrennungskammer 102, wird
das Freisetzen der Gase in der Verbrennungskammer 102 durch
kurzes Öffnen
eines oder mehrerer der Verbrennungskammerventile 110 und/oder 114 eine
Zündverzögerung einführen, die
von dem resultierenden Abfall des Drucks (und der Temperatur) abhängig ist.
Somit kann man durch Öffnen
eines oder mehrerer Verbrennungskammerventile 110 und/oder 114 (und gleichzeitiges
oder sequentielles Öffnen
derselben, wenn mehrere Ventile geöffnet werden) die Verbrennungskammerdrücke (und
bis zu einem gewissen Grad die Temperaturen) so anpassen, dass Spitzenwerte
präzise
getimet werden können,
so dass eine Kontrolle über
das Zünd-Timing erlaubt
wird.
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Weil
der innerhalb der Verbrennungskammer 102 erzeugte Druck
verwendet wird, um die Leistungsabgabe des Motors 100 zu
erzeugen, könnte man
es als im Widerspruch zu den Zwecken des Motors 100 stehend
ansehen, eines oder mehrere der Verbrennungskammerventile 110 und/oder 114 für eine diskrete
Periode zu einem Zeitpunkt während der
Verdichtungs- und/oder Arbeitstakte zu öffnen: die Freisetzung von
Druck aus der Verbrennungskammer 102 resultiert in einem
Leistungsverlust. Jedoch kann der Leistungsverlust akzeptabel sein, wenn
Emissionsminderung und andere Ziele erreicht werden. Der Druckverlust
innerhalb der Verbrennungskammer 102 ist abhängig von
der Länge
der Periode, während
der das oder die Verbrennungskammerventile 110 und/oder 114 geöffnet wird/werden,
und von dem Grad, in dem sie geöffnet
werden. Es wird angenommen, dass die Vorteile der Erfindung am besten
erreicht werden, wenn die Periode und das Ausmaß der Ventilöffnung so
begrenzt werden, dass nicht mehr als 20% der Masse des Inhalts der
Verbrennungskammer 102 (wie gemessen nach Kraftstoffeinspritzung)
während
aller diskreter Öffnungen
der Ventile 110 und 114 während der Verdichtungs- und/oder Arbeitstakte
freigesetzt werden, da computerisierte Motorsimulationen darauf
hinzuweisen scheinen, dass wesentlichere Leistungsverluste auftreten,
wenn mehr als ca. 15% der Masse in der Verbrennungskammer 102 freigesetzt
werden.
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Aus
dem Vorstehenden folgt, dass es üblicherweise
wünschenswert
sein wird, die Erfindung in der Weise zu implementieren, dass jegliche
Vermischungs- und/oder
Zünd-Timing-Ziele
erfüllt
werden, während
so wenig wie möglich
Masse (und damit Druck) aus der Verbrennungskammer freigesetzt wird.
Es wird also angenommen, dass, wenn die Erfindung in den meisten
Dieselmotoren implementiert wird durch ein einziges Öffnen eines
einzigen der Verbrennungskammerventile 110 und 114 bis
zu dessen voll geöffneter
(oder nahezu voll geöffneter)
Position, es üblicherweise
wünschenswert
sein wird, das Ventil über
nicht mehr als 5 Grad Kurbelwellendrehung zu öffnen, weil computerisierte
Motorsimulationen darauf hinweisen, dass oberhalb ca. 7 Grad wesentlichere
Leistungsverluste auftreten. Mehr bevorzugt wird die Periode ca.
3 Grad nicht überschreiten.
In den Fällen,
wo die Erfindung implementiert wird durch Öffnen von mehr als einem Verbrennungskammerventil
(z. B. durch Öffnen
sowohl eines Einlassventils 110 als auch eines Auslassventils 114 oder
durch Öffnen
von mehr als einem Einlassventil und/oder Auslassventil 114,
wenn mehrere Einlassventile 110 und/oder Auslassventile 114 vorhanden sind),
wird erwartet, dass die vorstehenden Parameter für die kumulativen Öffnungen
der Ventile 110 und 114 gelten. Das gleiche Prinzip
gilt, wenn ein Verbrennungskammerventil mehr als einmal während Verdichtungs-
und/oder Arbeitstakten geöffnet
wird.
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Das
Timing der Ventilöffnung
kann ferner in Abhängigkeit
davon variieren, welcher der beiden vorgenannten Vorteile erzielt
werden soll, und von dem Ausmaß,
in dem er erzielt werden soll. Es wird erwartet, dass das Ziel größe rer Vermischung
am besten erreicht wird, wenn eines oder mehrere der Verbrennungskammerventile 110 und 114 während der
ersten Hälfte
des Arbeitstaktes, mehr bevorzugt innerhalb ca. 50 Grad nach OT
(d. h. ca. des ersten Viertels des Arbeitstaktes) geöffnet werden.
Zu diesem Zeitpunkt hat die Zündung üblicherweise
bereits begonnen und die Verbrennung ist im Gange.
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Andererseits,
um das Ziel des Zünd-Timing zu
erreichen, wird erwartet, dass jegliche Öffnungen der Ventile 110 und 114 üblicherweise
am besten so implementiert werden, dass sie in der letzten Hälfte des
Verdichtungstaktes, meistbevorzugt bei 50 Grad vor OT oder danach
beginnen. Öffnungen
der Ventile 110 und 114 könnten auch früher stattfinden,
aber weil eine Zündverzögerung bei
jeder Ventilöffnung eintritt
infolge Druckfreisetzung aus der Verbrennungskammer 102,
und weil es üblicherweise
erwünscht
ist, dass die Zündung
spät im
Verdichtungstakt oder früh
im Expansionstakt eintritt, sollten Öffnungen der Ventile 110 und 114 während der
letzten Hälfte
des Verdichtungstaktes (insbesondere ca. 30 Grad vor OT und danach)
eine präzisere
Kontrolle des Zünd-Timing
gestatten.
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Die
vorstehende Diskussion weist darauf hin, dass in den Fällen, wo
gewöhnliche
Motordrehzahl-/-lastbedingungen angenommen werden, das Ziel der
Vermischung generell besser erreicht wird durch Öffnungen der Ventile 110 und 114 nach
OT, während
das Ziel des Zünd-Timing
generell besser erreicht wird durch Öffnungen der Ventile 110 und 114 vor
OT. Jedoch werden Öffnungen
der Ventile 110 und 114 vor OT auch einen Einfluss
auf das Mischen haben. Ähnlich
können Öffnungen
der Ventile 110 und 114 nach OT auch einen Einfluss
auf das Zünd-Timing
haben, vorausgesetzt, die Zündung
hat noch nicht begonnen. Beispielsweise können einige Verbrennungskonzepte – z. B.
die "Modified-Kinetics"-(MK-)Verbrennungsmethode,
wo Zündung
häufig
nach Beginn der Arbeitstaktes erwünscht ist – von Ventilöffnungen
nach OT profitieren, um das Zünd-Timing
zu kontrollieren.
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Wie
oben erwähnt
kann die Erfindung durchgeführt
werden durch Öffnung
von mehr als einem der Einlass- und/oder Auslassventile 110 und 114 und/oder
durch Öffnung
von einem oder mehreren dieser Ventile mehr als einmal wäh rend eines
Verbrennungszyklus. Es wird erwartet, dass es generell am vorteilhaftesten
sein wird, ein oder mehrere Einlassventile 110 zu öffnen, weil
jeglicher unverbrannter Kraftstoff und/oder Partikel, welche aus
der Verbrennungskammer 102 ausgestoßen werden, dann in dem Einlasskrümmer 112 zurückgehalten
werden für
einen späteren
Wiedereintritt in die Verbrennungskammer 102 während des
nächsten
Ansaugtaktes. Der unverbrannte Kraftstoff und Partikel (sofern zutreffend),
die durch das oder die Einlassventile 110 während eines
Verbrennungszyklus ausgestoßen
werden, werden also aufgenommen, um im folgenden Zyklus verzehrt
zu werden. Andererseits, wenn die Erfindung implementiert wird durch
alternatives oder zusätzliches Öffnen eines
oder mehrerer Auslassventile 114, wird jeglicher unverbrannter Kraftstoff
und/oder Partikel, welche aus der Verbrennungskammer 102 entweichen,
in den Auslasskrümmer 116 entlassen,
um als Schadstoffemissionen auszutreten (wenn nicht irgendeine Form
der Nachbehandlung auf die Abgase angewendet wird). Wegen dieser
Emissionen wird erwartet, dass die Implementierung der Erfindung
durch Öffnen
eines oder mehrerer Auslassventile 114 generell unerwünscht sein
wird, sofern nicht korrespondierende Vermischungs- und/oder Zünd-Timing-Vorteile
jegliche resultierenden Emissionen überwiegen.
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In
einigen Fällen
verdient das Öffnen
von Auslassventilen 114 ernsthaft in Erwägung gezogen zu
werden, trotz jeglicher Emissionsnachteile. Als Beispiel sei angeführt: da
Auslassventile 114 häufig an
einander gegenüberliegenden
Enden der Verbrennungskammer 102 von jeglichen Einlassventilen 110 beabstandet
sind, kann es in manchen Fällen vorteilhaft
sein, zuerst ein Auslassventil 114 und dann ein Einlassventil 110 zu öffnen, oder
umgekehrt zuerst ein Einlassventil 110 zu öffnen, gefolgt
von Öffnung
eines Auslassventils 114, um eine gründliche Vermischung über die
Gesamtheit der Verbrennungskammer 102 besser zu erzielen.
Durch Öffnen der
Ventile 110 und 114 zu verschiedenen Zeiten wird eine
Art von Hin-und-Her-"Schwapp"-Effekt des Inhalts
der Verbrennungskammer 102 erzielt, was in einer gründlichen
Vermischung resultiert. Jedoch könnte
der gleiche Effekt auch nur durch Öffnen von Einlassventilen 110 erzielt
werden, wenn mehrere beabstandete Einlassventile 110 vorhanden
sind.
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Weil
die meisten Standard-Ventilbetätigungskonzepte
die Ventilbetätigung
an die Kurbelwellenbewegung koppeln und es oft schwierig und teuer
wäre, Nocken
oder andere intervenierende Strukturen zur effektiven Betätigung der
Ventile zu modifizieren, um die Erfindung zu implementieren, wird
erwartet, dass die Erfindung sich variable Ventilbetätigungs-(VVA-)Technologien
vorteilhaft zunutze machen kann. Weil variable Ventilbetätiger (VVAs) eine
präzise
Kontrolle der Ventilöffnungs-
und -schließzeiten
und/oder des Grades der Ventilöffnung/-schließung gestatten,
erlauben sie ein leicht verfügbares
Mittel zum Implementieren der Erfindung.
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An
verschiedenen Punkten der vorstehenden Diskussion wurden bevorzugte
Betriebsparameter für
die Erfindung erwähnt,
wobei derartige Parameter im Hinblick auf computerisierte Motorsimulationen
bestimmt werden. Diese Simulationen wurden durchgeführt mittels
der Simulationssoftware WAVE (Ricardo PLC, Shoreham-by-Sea, West
Sussex, England) mit einem Motor vom Typ Caterpillar 3401E SCOTE
(Caterpillar Inc., Peoria, IL, USA), betrieben bei 821 U/min, 25%
Last, unter Einspritzung von 61,2 mg Kraftstoff pro Zyklus, beginnend
bei 20 Grad vor OT. Es wird erkennbar sein, dass verschiedene bevorzugte
Betriebsparameter abgeleitet werden könnten, wenn Motoren mit verschiedenen
Konfigurationen und/oder Betriebsbedingungen getestet werden.
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Es
sei angemerkt, dass im Vorstehenden verschiedene bevorzugte Versionen
der Erfindung aufgezeigt und beschrieben wurden, um verschiedene
mögliche
Optionen für
die Erfindung und die verschiedenen Weisen, auf denen diese Optionen
kombiniert werden können,
zu illustrieren. Neben der Kombination der verschiedenen Optionen
der vorstehenden Versionen der Erfindung auf verschiedene Weisen
werden auch andere Modifikationen als im Bereich der Erfindung liegend
angesehen. Es folgt eine beispielhafte Liste derartiger Modifikationen.
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Erstens
können
jegliche variable Ventilbetätiger
(VVAs), welche zur Implementierung der Erfindung verwendet werden,
Regenerationsmethoden nutzen, d. h. die Rückgewinnung von Energie, die
ansonsten durch den Motor oder assoziierte Komponenten verloren
ginge, um den Energiebedarf aus der Ventil betätigung besser zu senken. Beispielhafte
Regenerationsmethoden sind ersichtlich aus
US-Patent Nr. 6 315 265 (Rückgewinnung
von Energie, gewonnen von einem Ventil während der Ventilverlangsamung)
sowie aus den
US-Patenten 6 082
328 und
6 012 424 (Rückgewinnung
von Energie aus Fahrzeugbremssystemen).
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Zweitens
kann die Erfindung implementiert werden durch Öffnen eines Verbrennungskammerventils,
welches von einem Einlassventil (oder -ventilen) und/oder einem
Auslassventil (oder -ventilen) verschieden ist. Beispielsweise kann
eine Verbrennungskammer von einer benachbarten zusätzlichen Kammer
(die außerhalb
des Zylinders vorgesehen ist) durch ein zusätzliches Verbrennungskammerventil
getrennt sein, welches weder Ansaug- noch Ausstoßzwecken dient. Der Verbrennungskammerinhalt kann
zu geeigneten Zeiten in diese zusätzliche Kammer "abgeleitet" werden, um den Misch-
und/oder Zünd-Timing-Funktionen
der Erfindung zu dienen.
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Drittens
wird zwar davon ausgegangen, dass die Erfindung ihre vorteilhafteste
Anwendung in CI-Motoren findet; sie kann jedoch auch für SI-Motoren
Verwendung finden (insbesondere für SI-Motoren, welche HCCI-Typ-
oder ähnliche
Verbrennungskonzepte implementieren). In diesem Fall würde der Hauptvorteil
der Erfindung wahrscheinlich mehr aus der verbesserten Mischung
resultieren, welche die Erfindung bereitstellen kann, als aus der
Zünd-Timing-Modifikation (die
leichter in einem SI-Motor via Funken-Timing kontrolliert werden
kann).
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Es
ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die im Vorstehenden beschriebenen
bevorzugten Versionen der Erfindung zu begrenzen; vielmehr ist es
beabsichtigt, dass die Erfindung allein durch die nachfolgend dargelegten
Ansprüche
begrenzt sein soll. Die Erfindung umfasst also alle verschiedenen Versionen,
die wörtlich
oder äquivalent
in den Bereich dieser Ansprüche
fallen.