DE69308553T2

DE69308553T2 - Verfahren und vorrichtung zur abgasrückführung durch rückströmung

Info

Publication number: DE69308553T2
Application number: DE69308553T
Authority: DE
Inventors: John Clarke; James Faletti
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2013-04-14
Also published as: WO1993024748A1; EP0643805A1; CN1080359A; EP0643805B1; US5226401A; JPH07507371A; DE69308553D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf den gesteuerten Betrieb von Motorbetriebszyklen und insbesondere auf ein voreingerichtetes Logikmuster und die Modifizierung des voreingerichteten Logikmusters, um sequentiell und modulierbar die Ventilzeitsteuerung zur Abgasrückzirkulation zu steuern, um die Stickoxid-(NOx) Emissionen zu verringern.
Zukünftige Dieselmotoren müssen Standards für Stickoxid(NOx-) Emissionen erfüllen, die kontinuierlich verringert werden. Die Standards für Emissionen sind darauf gerichtet, Luftverschmutzung von Abgasen im Zuge des öffentlichen Interesses beim Umweltschutz zu verringern. Augemein gesagt, gibt es zwei Techniken zur Reduzierung von NOx-Emissionen. Eine ist, die Verbrennung zu verbessern, und zwar durch Senken der Verbrennungstemperatur, und die andere ist eine Nachbehandlung der Abgase. Bei dem herkömmlichen Motor ist eine Nachbehandlung der Abgase mittels eines katalytischen Wandlers bzw. eines Katalysators die vorherrschende Technik, die verwendet wird, um NOx zu verringern. Diese Technik jedoch besitzt Nachteile bezüglich der Dauerhaftigkeit des Wandlers oder des Luft/Brennstoff-Verhältnissteuersystems, insbesondere der Sauerstoffsensoren, genau so wie bezüglich der Kosten. Für größere Motoren werden diese Nachteile zu bedeutenderen Problemen. Währenddessen besitzt die Technik zur Senkung des NOx durch eine Verbesserung der Verbrennung Vorteile, insbesondere mit Bezug auf die Dauerhaftigkeit und dem thermischen Wirkungsgrad des Motors.
Es ist gezeigt worden, daß eine Abgasrückzirkulation (EGR = exhaust gas recirculation) die NOx-Emissionen verringert, und zwar bei geringerem spezifischen Brennstoffverbrauch (BSFC = brake specific fuel consumption) und Abgasrußstrafen. Eine Abgasrückzirkulation senkt NOx durch Vermischen der frischen Ladeluft mit Abgas, was die Spitzenverbrennungstemperaturen senkt und somit die NOx- Erzeugung verringert.
Ein bevorzugtes Verfahren der Abgasrückzirkulation bzw. EGR (EGR = exhaust gas recirculation) ist es, daß das Abgas gekühlt wird, bevor es mit der Ladeluft vermischt wird. Frühere Mittel zum Vorsehen von gekühlter Abgasrückzirkulation weisen die Übertragung von Abgas vom Auslaßsystem zum Lufteinlaßsystem auf, und zwar unter Verwendung von äußeren Motorleitungen, einer Pumpe und einem Wärmetauscher, um das Abgas zu kühlen. Das Abgas wird vom Abgassystem vor oder nach der Turboladerturbine und zum Lufteinlaßsystem vor oder nach dem Turboladerkompressor übertragen. Die Folge sind dabei gesteigerte Kosten für den Kunden und eine stärkere Wahrscheinlichkeit eines Versagens von Komponenten auf Grund einer gesteigerten. Anzahl von Komponenten und gesteigerter Komplexität.
Was benötigt wird, ist somit eine Einrichtung, um eine gekühlte Abgasrückzirkulation ohne externe Hardware bzw. Komponenten zu erhalten, und zwar durch Verwendung der Möglichkeiten innerhalb eines Motors mit elektronisch gesteuerten Einheits-Einlaß- und Auslaßventilen und Brennstoffeinspritzvorrichtungen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
GB-A-2 165 587 offenbart einen Motor, der zur Abgasrückzirkulation fähig ist, der folgendes aufweist: eine Vielzahl von Brennkammern, einen Einlaßanschluß und einen Auslaßanschluß für jede Brennkammer, und einen Kolben, der in jeder der Brennkammern hin- und herbeweglich ist, und zwar zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition, wodurch ein Einlaßhub gebildet wird, der zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Kompressions- bzw. Verdichtungshub gebildet wird, der zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Expansionshub gebildet wird, und der zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Auslaß- bzw. Ausstoßhub gebildet wird, wobei der Motor eine Einrichtung besitzt, die Flußsteuermittel aufweist, die Einlaßmittel aufweist, um selektiv einen Fluß in und weg von jeder der Brennkammern zu blockieren und zu gestatten, und Auslaßmittel, um selektiv einen Fluß in und weg von jeder der Brennkammern zu blockieren und zu gestatten; Mittel zur Betätigung von sowohl den Einlaßmitteln als auch den Auslaßmitteln unabhängig ansprechend auf ein Steuersignal; und Einlaßleitungsmittel, die betriebsmäßig mit den Einlaßmitteln verbunden sind, um einen Fluß in und weg aus den Brennkammern zu leiten; Auslaßleitungsmittel, die betriebsmäßig mit den Auslaß mitteln verbunden sind, um einen Fluß in die und weg von den Brennkammern zu leiten; elektronische Steuermittel, die auf abgefühlte Betriebsparameter des Motors ansprechen, um das Steuersignal zu liefern, um zu bewirken, daß die Auslaßmittel eines gewählten Untersatzes von Brennkammern initialisiert bzw. betätigt werden, um Abgas in die Brennkammer von den Abgasleitungsmitteln einzuleiten, und gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein solcher Motor durch folgendes gekennzeichnet: Komprimieren des Abgases in der Brennkammer, Expandieren des Abgases in der Brennkammer und Ausstoßen des Abgases in die Einlaßleitungsmittel durch Initialisierung bzw. Betätigung der Einlaßmittel, wodurch eine gekühlte Abgasrückzirkulation vorgesehen wird.
Gemäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betreiben eines Motors mit einer Vielzahl von Brennkammern, einem Einlaßanschluß und einem Auslaßanschluß für jede der Brennkammern und mit einem Kolben, der in jeder der Brennkammern zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Einlaßhub gebildet wird, der zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Kompressionshub gebildet wird, der zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Expansionshub gebildet wird und der zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich ist, wodurch ein Auslaßhub gebildet wird, folgende Schritte auf:
(a) Überwachen des Betriebszustandes des Motors;
(b) Ausgeben eines Steuersignals an Einlaßmittel und Auslaßmittel gemäß des Betriebszustandes;
(c) Betätigen von sowohl den Einlaßmitteln als auch den Auslaßmitteln unabhängig ansprechend auf das Steuersignal, wobei das Steuersignal für einen ausgewählten Untersatz von Brennkammern angeordnet wird, um folgendes zu bewirken:
(d) Einleiten von Abgas in die Brennkammer aus den Abgasleitungsmitteln;
gekennzeichnet durch:
(e) Komprimieren des Abgases in der Brennkammer;
(f) Expandieren des Abgases in der Brennkammer; und
(g) Ausstoßen des Abgases in die Einlaßleitungsmittel durch Initialisierung bzw. Betätigung der Einlaßmittel, wodurch eine gekühlte Abgasrückzirkulation vorgesehen wird.
In den Begleitzeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:
Fig. 1 eine schematische teilweise geschnittene Seitenansicht eines Motors mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teils des Motors der Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische teilweise geschnittene Ansicht des Motors der Fig. 1; und
Fig. 4 eine schematische teilweise geschnittene Ansicht eines Motors mit einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 ist ein Vier-Zylinder- Verbrennungsmotor 10 mit Turbo-Aufladung und Kompressions- bzw. Verdichtungszündung schematisch veranschaulicht. Der Motor 10 weist eine Einrichtung 11 auf, um eine gekühlte Abgasrückzirkulation (EGR = exhaust gas recirculation) zu erhalten. Der Motor 10 arbeitet in diesem speziellen Fall in einem herkömmlichen Vier-Takt- Betriebszustand mit aufeinanderfolgenden Einlaß-, Kornpressions- bzw. Verdichtungs-, Expansions- und Auslaßhüben. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 10 beschrieben und offenbart wird, sei bemerkt, daß das System in gleicher Weise, beispielsweise bei einem turbogeladenen Mehr-Zylinder-V-Motor mit anderen Betriebsarten verwendet werden könnte.
Der Motor 10 weist einen Block 12 auf, der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 14 und eine obere Blockmontagefläche 16 definiert. Der Motor 10 weist weiter einen Zylinderkopf 18 auf, der eine untere Kopfmontagefläche 20 besitzt, eine obere Kopffläche 22, eine erste Kopfseitenmontagefläche 24 und eine zweite Kopfseitenmontagefläche 26. Die untere Kopfmontagefläche 20 sitzt auf der oberen Blockmontagefläche 16 und ist daran in gewöhnlicher Weise durch eine Vielzahl von nicht gezeigten Befestigungsmitteln angebracht. Alternativ könnte der Block 12 und der Zylinderkopf 18 von integraler Konstruktion sein.
Bei dieser Anwendung ist eine ersetzbare Zylinderauskleidung bzw. Zylinderhülse 30 mit einer Kolbenauskleidungsbohrung 32 innerhalb jeder der Zylinderbohrungen 14 positioniert. Die Auskleidungsbohrungen 32 definieren eine Vielzahl von Zylindern #1, #2, #3, und #4. Jede Kolbenbohrung 32 besitzt einen Kolben 34, der gleitend darin angeordnet ist, um eine Kurbelwelle 36 in herkömmlicher Weise anzutreiben. Die Kurbelwelle 36 wird drehbar im Blolck 12 gelagert bzw. getragen. Die Kolben 34 bewegen sich in ihren jeweiligen Auskleidungsbohrungen 32 zwischen einer oberen Totkpunktposition (TDC = top dead center) und einer unteren Totpunktposition (BDC = bottom dead center) hin und her. Eine Brennkammer 44 wird durch den Zylinderkopf 18, die Auskleidungsbohrung 32 und den Kolben 34 gebildet.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht, definiert der Zylinderkopf 18 für jede der Brennkammern 44 der Zylinder #1, #2, #3 und #4 einen Einlaßanschluß 50 und einen Auslaßanschluß 52. Jeder der Einlaßanschlüsse 50 erstreckt sich von der ersten Kopfseitenmontagefläche 24 zur unteren Kopfmontagefläche 20. Jeder der Auslaßanschlüsse 52 erstreckt von der zweiten Kopfseitenmontagefläche 26 zur unteren Kopfmontagefläche 20.
Der Motor 10 arbeitet in diesem speziellen Fall im normalen Vier-Takt-Betriebszustand. Der Vier-Takt-Betriebszustand definiert ein erstes vorbestimmes Logikmuster, in den die Kolben 34 in jeder der Brennkammern 44 hin- und herbeweglich sind, und zwar zwischen der oberen Totpunktposition und der unteren Totpunktposition, wodurch ein Einlaßhub gebildet wird, während dem frische Ladeluft vom Einlaßanschluß 50 in die Brennkammer 44 eingeleitet wird. Die Kolben 34 sind weiter zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich, wodurch ein Kompressions- bzw. Verdichtungshub gebildet wird, während dem die frische Ladeluft in der Brennkammer 44 auf einen eingerichteten Temperaturbereich komprimiert wird, und Brennstoff bei oder vor dem oberen Totpunkt eingeleitet wird, während dessen eine gewünschte Zündverzögerungsperiode vor der Verbrennung der Mischung von Brennstoff und Luft in den Brennkammern 44 auftritt. Eine Verbrennung der Brennstoff/Luft-Mischung tritt nahe der oberen Totpunktbewegung der Kolben 34 auf. Als eine Folge der Verbrennung werden die Kolben 34 in den Brennkammern 44 zwischen der oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition angetrieben, und zwar durch das expandierende Abgas, wodurch ein Expansionshub gebildet wird. Die Kolben 34 sind zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich, wodurch ein Auslaßhub gebildet wird, während dem Abgas aus der Brennkammer 44 in den Auslaßanschluß 52 ausgestoßen wird.
Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt, sind Einlaßleitungsmittel 53 betriebsmäßig mit den Brennkammern 44 verbunden, um einen Fluß in die und weg von den Brennkammern zu leiten. Die Einlaßleitungsmittel 53 weisen eine Einlaßsammelleitung 54 auf, die starr an der ersten Kopfseitenfläche 24 angebracht ist, und zwar in gebräuchlicher Weise durch eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 55. Die Einlaßsammelleitung 54 definiert einen Einlaßsammelleitungsdurchlaß 56 und eine Vielzahl von verbundenen Einlaßsammelleitungszweigdurchlässen 57. Die Einlaßsammelleitungszweigdurchlässe 57 sind in herkömmlicher Weise in strömungsmittelverbindung mit den Einlaßanschlüssen 50.
Der Motor 10 weist weiter einen Turbolader 58 auf, und zwar mit einem Kompressor 59 für hereinkommende Luft und mit einer abgasgetriebenen Turbine 60. Der Kompressor 59 ist betriebsmäßig mit dem Einlaßsammelleitungsdurchlaß 56 durch eine Einlaßleitung 61 in herkömmlicher Weise verbunden, wodurch geladene bzw. super-geladene Luft in die Brennkammern 44 geliefert wird. Ein Kühler 62 ist in der Einlaßleitung 61 zwischen dem Kompressor 59 und dem Einlaß sammelleitungsdurchlaß 56 angeordnet.
Die Auslaßleitungsmittel 63 sind betriebsmäßig mit den Brennkammern 44 verbunden, um einen Fluß in die und weg von den Brennkammern zu leiten. Die Auslaßleitungsmittel 63 weisen eine Auslaßsammelleitung 64 auf, die starr an der zweiten Kopfmontagefläche 26 in gewöhnlicher Weise angebracht ist, und zwar durch eine Vielzahl von Befestigungsmitteln 65. Die Auslaßsammelleitung 64 definiert einen Auslaßsammelleitungsdurchlaß 66 und eine Vielzahl von verbundenen Auslaßsammelleitungszweigdurchlässen 68. Die Auslaßsammelleitungszweigdurchlässe 68 sind in herkömmlicher Weise in Strömungsmittelverbindung mit den Auslaßanschlüssen 52.
Die abgasgetriebene Turbine 60 des Turboladers 58 ist betriebsmäßig mit dem Auslaßsammelleitungsdurchlaß 66 verbunden, und zwar durch eine Abgasleitung 69. Abgas von den Brennkammern 44 treibt die Turbine 60 an, die wiederum den Kompressor 59 in herkömmlicher Weise antreibt.
Der Motor 10 weist weiter Flußsteuermittel 70 auf, um selektiv die Einlaßsammelleitung 54 und die Auslaßsammelleitung 64 mit den Brennkammern 44 zu verbinden. Die Flußsteuermittel 70 weisen für jede der Brennkammern 44 Einlaßmittel 72 auf, Auslaßmittel 74 und Mittel 76, um sowohl die Einlaßmittel als auch die Auslaßmittel unabhängig ansprechend auf ein Steuersignal zu betätigen.
Die Einlaßmittel 72 weisen in diesem speziellen Fall ein Einlaßventil 82 auf, welches betriebsmäßig in jedem der Einlaßanschlüsse 50 montiert ist, und Einlaßventiltragmittel 84, um hin- und herbeweglich das Einlaßventil 82 im Zylinderkopf 18 zu tragen. Es sei bemerkt, daß die Einlaßmittel 72 mehrfache bzw. mehrere Einlaßventile 82 und Einlaßventiltragmittel 84 aufweisen könnten.
Das Einlaßventil 82 weist einen Einlaßventilschaft 88 auf, einen Einlaßventilkopfteil 90, der an einem Ende des Einlaßventilschaftes angeordnet ist, und einen vergrößerten Einlaßventilhalter 92, der an einem entgegengesetzten Ende angeordnet ist. Der Einlaßventilkopfteil 90 definiert eine ringförmige Einlaßventildichtfläche 94 von ausreichender Abmessung für ein dichtendes Sitzen auf der ringförmigen Einlaßanschlußsitzstirnseite 96 um den Einlaßanschluß 50.
Die Einlaßventiltragmittel 84 weisen eine Einlaßventilführung 98 auf. Die Einlaßventilführung 98 ist im Zylinderkopf 18 montiert und umgibt den Einlaßventilschaft 88. Eine Einlaßventilfeder 100 ist um den Einlaßventilschaft 88 herum angeordnet und erstreckt sich zwischen der oberen Kopffläche 22 und dem Einlaßventilhalter 92. Die Einlaßventilfeder 100 drückt die Einlaßventildichtfläche 94 gegen die Einlaßanschlußsitzstirnseite 96, bis die Einlaßventilsitzfläche weg von der Einlaßanschlußsitzstirnseite bewegt wird.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 weisen die Auslaßmittel 74 in diesem speziellen Fall ein Auslaßventil 112 auf, welches in jedem der Auslaßanschlüsse 52 montiert ist, und Auslaßventiltragmittel 114, um hin- und herbeweglich das Auslaßventil 112 im Zylinderkopf 18 zu tragen. Es sei bemerkt, daß die Auslaßmittel mehrfache bzw. mehrere Auslaßventile 112 und Auslaßventiltragmittel 154 aufweisen könnten.
Das Auslaßventil 112 weist einen Auslaßventilschaft 118 auf, einen Auslaßventilkopfteil 120, der an einem Ende des Auslaßventilschaftes angeordnet ist, und einen Auslaßventilhalter 122, der an einem entgegengesetzten Ende angeordnet ist. Der Auslaßventilkopfteil 120 definiert eine ringförmige Auslaßventildichtfläche 126 von ausreichender Abmessung, um dichtend auf einer ringförmigen Auslaßanschlußsitzstirnseite 128 zu sitzen, die um den Auslaßanschluß 52 herum definiert ist.
Die Auslaßventiltragmittel 114 weisen eine Auslaßventilführung 130 auf. Die Auslaßventilführung 130 ist im Zylinderkopf 18 montiert und umgibt den Auslaßventilschaft 118. Eine Auslaßventilfeder 132 ist um den Auslaßventilschaft 118 herum angeordnet und erstreckt sich zwischen der oberen Kopffläche 22 und dem Auslaßventilhalter 122. Die Auslaßventilfeder 132 drückt die Auslaßventildichtfläche 126 gegen die Auslaßanschlußsitzstirnseite 168, bis die Auslaßventilsitzfläche weg von der Auslaßanschlußsitzstirnseite 128 bewegt wird.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es am besten in Fig. 2 gezeigt ist, weisen die Mittel 76 zur Betätigung von sowohl den Einlaßmitteln 72 als auch den Auslaßmitteln 74 eine gleiche Anzahl von piezoelektrischen Motoren 136 auf, von denen nur einer gezeigt ist. Es sei bemerkt, daß anstelle der piezoelektrischen Motoren 136 Elektromagneten bzw. Spulen, Lautsprechermagneten (voice coils) oder linear verschiebbare elektromagnetische Anordnungen verwendet werden könnten. Jeder piezoelektrische Motor 136 ist in Einheitsventilbetätigungsmitteln bzw. Ventileinheitsbetätigungsmitteln 138 aufgenommen. Die Ventileinheitsbetätigungsmittel 138 weisen eine Ventilbetätigungsanordnung 140 auf, die betriebsmäßig mit den jeweiligen Einlaß- und Auslaßventilen 82 und 112 in Eingriff stehen, und zwar benachbart zu den jeweiligen Einlaß- und Auslaßventilendhaltern 92 und 122, um elektronisch die Einlaß- und Aulaßventile zu manipulieren. Die Ventilbetätigungsanordnung 140 weist ein Ventilbetätigungsvorrichtungsgehäuse 144 mit einem gestuften Hohlraum 146 auf, in dem ein Betätigungsvorrichtungs-Ventilantriebskolben 148 positioniert ist, ein Betätigungsvorrichtungs-Ventilverstärkungskolben 150 und eine Betätigungsvorrichtungs-Ventilströmungsmittelkammer 152 dazwischen.
Der piezoelektrische Motor 136, der in der Technik wohl bekannt ist, dehnt sich linear aus, und zwar ansprechend auf eine elektrische Erregung durch eine voreingerichtete Energiemenge, und zieht sich zusammen, wenn die elektrische Erregung beendet wird. Variationen des Ausmasses der elektrischen Erregung werden bewirken, daß sich der piezoelektrische Motor 136 linear ausdehnt, und zwar abhängig vom Ausmaß der elektrischen Erregung. Der piezoelektrische Motor 136 erzeugt eine hohe Kraft in linearer Richtung, jedoch ist seine lineare Ausdehnung geringer als die, die erforderlich ist, um die Einlaß- und Auslaßventildichtflächen 94 und 126 weg von den Einlaß- und Auslaßanschlußsitzstirnseiten 96 und 128 zu verschieben. Daher sind der Betätigungsvorrichtungs-Ventilantriebskolben 148 der Betätigungsvorrichtungs-Ventilverstärkungskolben 150 und die Betätigungsvorrichtungs-Ventilströmungsmittelkammer 152 vorgesehen, um eine Linearverschiebung des piezoelkektrischen Motors 136 in der folgenden Weise zu übertragen und zu verstärken. Der Betätigungsvorrichtungs-Ventilverstärkerkolben 150 ist viel kleiner bemessen als der Betätigungsvorrichtungs-Ventilantriebskolben 148, da das hydraulische Verstärkungsverhältnis der Linearverschiebung des Betätigungsvorrichtungs-Ventillantriebskolbens 148 mit Bezug auf die Linearverschiebung des Betätigungsvorrichtungs-Ventilverstärkerkolbens 150 umgekehrt proportional zum Oberflächengebietsverhältnis des Betätigungsvorrichtungs-Ventilantriebskolbens 148 zu dem Betätigungsvorrichtungs-Ventilverstärkerkolben 150 ist. Somit wird eine kleine lineare Verschiebung des piezoelelektrischen Motors 136 verstärkt, um eine beträchtlich größere lineare Verschiebung des Betätigungsvorrichtungs-Ventilverstärkerkolbens 150 zu erzeugen.
Der Motor 10 weist weiter Brennstoffeinspritzmittel 186 für jede der Brennkammern 44 auf. Die Brennstoffeinspritzmittel 186 weisen einen elektronisch gesteuerten Einspritzvorrichtungsbetriebsmechanismus 188 auf. Wie am besten in den Fig. 1 und 2 gezeigt, weist der elektronisch gesteuerte Einspritzvorrichtungsbetriebsmechanismus 188 eine elektronisch gesteuerte Brennstoffeinspritzeinheit 190 von herkömmlicher Konstruktion auf, die in einer gestuften Einspritzvorrichtungsbohrung 192 angeordnet ist, die im Zylinderkopf 18 definiert ist, und die Mittel 76, um elektronisch jede Brennstoffeinspritzeinheiten 190 unabhängig zu steuern. Die Mittel 76 sind betriebsmäßig mit jeder der Brennstoffeinspritzeinheiten 190 in Eingriff. Da die Mittel 76 für die Brennstoffeinspritzeinheit 190 im wesentlichen die gleiche Konstruktion besitzen und im wesentlichen in der gleichen Weise funktionieren, wie die Mittel 76 für die Einlaß- und Auslaßmittel 72 und 74 werden sie nicht im Detail beschrieben werden. Als eine Alternative könnte irgendein herkömmliches Brennstoffsystem verwendet werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein elektronisches Steuersystem 208 betriebsmäßig mit den Betätigungsmitteln 76 verbunden und ist geeignet, um geeignete Steuersignale davon zu den Betätigungsmitteln zu leiten, um funktionell den Motor 10 in dem ersten vorbestimmten Logikmuster für einen normalen Vier-Takt-Betriebszustand zu steuern.
Die Einrichtung 11 ist zur Anwendung in einem Motor 10 zur Abgasrückzirkulation über eine umgekehrte Flußmotorwirkung bzw. -motorsteuerung (reverse flow motoring) geeignet. Die Einrichtung 11 weist elektronische Steuermittel 212 auf, um zu bewirken, daß die Steuersignale an die Betätigungsmittel 76 in einem zweiten vorbestimmten Logikmuster ausgegeben werden, welches anders als das erste vorbestimmte Logikmuster ist. Die elektronischen Steuermittel 212 weisen das elektronische Steuersystem 208 auf, die Steuersignale, eine Vielzahl von Sensoren 216, von denen einer gezeigt ist, und einen Mikroprozessor 218. Die Sensoren 216 liefern Informationen, die die Betriebsparameter des Motors 10 betreffen, wie beispielsweise Brennstoffüllposition bzw. Brennstoffregelstangenposition (fuel rack position), Stickoxid (NOx), Motordrehzahl (U/min), Belastung, Ladedruckpegel, Temperatur, Umdrehungen/min und Luft-Brennstoff-Mischung an den Mikroprozessor 218.
Im zweiten vorbestimmten Logikmuster sprechen die elektronischen Steuermittel 212 auf die abgefühlten Betriebsparameter des Motors 10 an, was bewirkt, daß ein ausgewählter Untersatz der Brennkammern 44 in einem Vier-Takt- Rückflußmotor-Betriebszustand betrieben werden, während die anderen im normalen Vier-Takt-Betriebszustand bleiben. Im Vier-Takt-Rückflußmotor-Betriebszustand wird ein Teil des gekühlten Abgases rückzirkuliert und mit frischer Ladeluft kombiniert. Es sei bemerkt, daß der ausgewählte Untersatz eine einzige Brennkammer 44 sein könnte, oder anders, daß der gewählte Untersatz zwei oder mehr Brennkammern sein könnte.
Der Vier-Takt-Rückflußmotor-Betriebszustand besitzt aufeinanderfolgende Rückflußmotor-Einlaß-, Rückflußmotor- Kompressions-, Rückflußmotor-Expansions- und Rückflußmotor-Auslaßhübe. In dem Rückflußmotor-Einlaßhub werden die Kolben 34 des gewählten Untersatzes in den Brennkammern 44 hin- und herbeweglich, und zwar zwischen der oberen Totpunktposition und der unteren Totpunktposition, wobei Abgas in die Brennkammern 44 von den Abgassammelleitungszweigdurchlässen 59 durch den Abwärtshub des Kolbens rükkeingeleitet wird. Während des Rückflußmotor-Einlaßhubes bleibt das Einlaßventil 82 dichtend auf der Einlaßanschlußsitzstirnseite 96 sitzen, was die Einleitung von frischer Ladeluft aus den Einlaßsammelleitungszweigdurchlässen 56 verhindert.
Im Rückflußmotor-Kompressionshub sind die Kolben 34 zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich, wobei das Abgas in der Brennkammer 44 durch den Aufwärtshub der Kolben komprimiert wird. Während des Rückflußmotor-Kompressionshubes bleiben die Einlaßventile 82 und das Auslaßventil 112 dichtend auf ihrer jeweiligen Einlaßanschlußsitzstirnseite 96 und der Auslaßanschlußsitzstirnseite 128. Während des Rückflußmotor-Kompressionshubes werden die Brennstoffeinspritzbetätigungsanordnungen 196 für den ausgewählten Untersatz der Brennkammern 44 nicht für die Einspritzung von Brennstoff in die Brennkammern 44 betätigt.
Im Rückflußmotor-Expansionshub sind die Kolben 34 auf einem Abwärtshub in den Brennkammern 44 zwischen der oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition beweglich, wobei das Abgas in der Brennkammer 44 expandiert. Während des Rückflußmotor-Expansionshubes bleiben die Einlaßventile 82 und die Auslaßventile 112 dichtend auf ihren jeweiligen Einlaßanschlußsitzstirnseiten 96 und den Auslaßanschlußsitzstirnseiten 128 sitzen.
Im Rückflußmotor-Auslaßhub sind die Kolben 34 zwischen der unteren Totpunktposition und der oberen Totpunktposition beweglich, während dessen Abgas in die Einlaßsammelleitungszweigdurchlässe von den Brennkammern 44 durch den Aufwärtshub des Kolbens 34 gepumpt wird. Während des Rückflußmotor-Auslaßhubes werden die Einlaßmittel 72 mitialisiert bzw. betätigt, was die Einlaßventile 82 öffnet, während die Auslaßventile 112 dichtend auf der Auslaßanschlußsitzstirnseite 128 sitzen bleiben.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung offenbart. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Leitung 230 zwischen der Einlaßleitung 61 und einem der Einlaßsammelleitungszweigdurchlässe 56 verbunden. Die Verbindung der Leitung 230 mit der Leitung 61 ist zwischen dem Kompressor 58 des Turboladers 59 und dem Kühler 62 gelegen. Ein erstes elektronisch gesteuertes Ventil 232 ist betriebsmäßig in der Leitung 230 gelegen, um selektiv das Durchlaufen von Abgas von einer aus gewählten eigenen der Brennkammern 44 zur Einlaßleitung 61 zu blockieren oder zu gestatten, und zwar ansprechend auf ein Signal vom Mikroprozessor 218. Ein zweites elektronisch gesteuertes Ventil 234 ist betriebsmäßig in dem einen der Einlaßzweigdurchlässe 56 gelegen, um selektiv den Fluß von frischer Ladeluft in die gewählte eine der Brennkammern 44 durch den einen Einlaßzweigdurchlaß 56 zu blockieren oder zu gestatten, und zwar ansprechend auf ein Signal vom Mikroprozessor 218.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Gebrauch verwendet der Motor 10 die Mittel 76 zur Einheitsbetätigung der Einlaß- und Auslaßventilmittel 72 und 74. Der Mikroprozessor 218 verwendet eine Programmlogik, um die Information zu verarbeiten, die von den Sensoren 216 geliefert wird, und basierend auf den Ergebnissen der Analyse liefert er einen elektrischen Strom an ausgewählte der piezoelektrischen Motoren 136 zur Betätigung der Einlaßventileinheits-Betätigungsvorrichtungsmittel 86, der Auslaßventileinheits-Betätigungsvorrichtungsmittel 156 und der Brennstoffeinspritzeinheits-Betätigungsmittel 194. Die Einlaß- und Auslaßventilbetriebsmittel 72 und 74 und die Brennstoffeinspritzvorrichtungsmittel 186 werden unabhängig voneinander betätigt und somit werden die Einlaßventile 82, die Auslaßventile 152 und die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 190 alle unabhängig gesteuert, um optimale Zeitsteuerereignisse der Ventilöffnung und des Ventilschließens und der Brennstoffeinspritzung für verschiedene Betriebszustände des Motors 10 zu erzeugen, und zwar unabhängig von der Drehposition der Kurbelwelle 36.
Die elektronischen Steuermittel 212 weisen das elektronische Steuersystem 208 auf, die Steuersignale, die Sensoren 216, und der Mikroprozessor 218 ist betriebsmäßig mit den Betätigungsmitteln 76 verbunden, um funktionell den Motor 10 in den ersten und zweiten vorbestimmten Logikmustern zu steuern. Im ersten vorbestimmten Logikmuster wird der Motor 10 im normalen Vier-Takt-Betriebszustand betrieben. Im zweiten vorbestimmten Logikmuster wird ein ausgewählter Untersatz von einer oder mehreren der Brennkammern 44 im Vier-Takt-Rückflußmotor-Betriebszustand zur Abgasrückzirkulation betrieben.
Im Rückflußmotor-Einlaßhub wird Abgas zurück in die Brennkammer 44 von den Auslaßsammelleitungszweigdurchlässen 68 während des Abwärtshubes des Kolbens 34 eingeleitet, und zwar durch Öffnen des Auslaßventils 112. Während des Rückflußmotor-Kompressionshubes wird das Abgas vom Aufwärtshub des Kolbens 34 komprimiert. Während des Rückflußmotor-Expansionshubes expandiert das Abgas während des Abwärtshubes des Kolbens 34. Während des Rückflußmotor-Auslaßhubes wird das Abgas durch das Einlaßventil 82 von der Brennkammer 44 durch den Aufwärtshub des Kolbens 34 ausgestoßen, wo es mit der frischen Ladung von Einlaßluft in den Einlaßsammelleitungszweigdurchlässen 57 rezirkuliert bzw. rückgeleitet wird. Eine Kühlung des Abgases wird während der Rückflußmotor-Kompressions- und Expansionshübe durch die Übertragung von Wärme auf die kühlere Zylinderauskleidung 30 erreicht. Eine Abgasrückzirkulation senkt NOx durch Vermischen der frischen Ladeluft mit dem gekühlten Abgas, was die Spitzenverbrennungstemperaturen senkt und somit die NOx-Erzeugung verringert.
Wie in Fig. 4 gezeigt, wird falls eine zusätzliche Kühlung des Abgases vor dem Eintreten in die Brennkammern 44 erwünscht ist das Abgas von den Einlaßsammelleitungszweigdurchlässen 57 zur Einlaßleitung 60 vor dem Kühler 62 geleitet.
Die elektronischen Steuermittel 212 wirken ansprechend auf die abgefühlten Betriebsparameter des Motors 10, die die Brennstofffüllposition bzw. die Brennstoffregelstangenposition, Stickoxid (NOx), Motordrehzahl (U/min), Belastung, Ladedruckpegel, Temperatur, Umdrehungen/min und Luft-Brennstoff-Mischung aufweisen, was bewirkt, daß die Steuersignale an die Betätigungsmittel 76 ausgegeben werden, und zwar zum Betrieb des Motors 10 im ersten oder zweiten vorbestimmten Logikmuster abhängig von den ausgewählten Parametern.
Die Einrichtung 11 erhält eine gekühlte Abgasrückzirkulation ohne irgendwelche zusätzliche äußere Hardware bzw. Komponenten, wie beispielsweise Rohre und Pumpen, unter Verwendung der Fähigkeiten bzw. Möglichkeiten innerhalb des Motors 10.

Claims

1. Motor (10) zur Abgasrückzirkulation, wobei der Motor (10) folgendes aufweist:

eine Vielzahl von Brennkammern (44),

einen Einlaßanschluß (50) und einen Auslaßanschluß (52) für jede Brennkammer (44), und

einen Kolben (34), der hin- und herbeweglich in jeder der Brennkammern (44) angeordnet ist, und zwar zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt zur Bildung eines Ansaug- bzw. Einlaßhubes, ferner beweglich zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt zur Bildung eines Kompressions hubs, ferner beweglich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt zur Bildung eines Expansions- oder Arbeitshubs und schließlich beweglich zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt zur Bildung eines Auslaßhubes, wobei der Motor eine Vorrichtung (11) aufweist, die Fluß- bzw. Strömungssteuermittel (70) aufweist, einschließlich Einlaßmitteln (72) zum selektiven Blockieren und zum Gestatten des Flusses in jede und weg von jeder der Brennkammern (44), und mit Auslaßmitteln (74) zum selektiven Blockieren und Gestatten von Strömung in jede und weg von jeder der Brennkammern (44); Mittel (76) zur Betätigung jedes der Einlaß- oder Ansaugmittel (72) und Auslaßmittel (74) unabhängig ansprechend auf ein Steuersignal;

Einlaß- oder Ansaugleitmittel (53) betriebsmäßig verbunden mit den Einlaßmitteln (72) zum Leiten von Strömung in und weg von den Brennkammern (44); Auslaßleitmittel (60) betriebsmäßig verbunden mit den Auslaßmitteln (74) zum Leiten von Fluß in die und weg von den Brennkammern (44);

elektronische Steuermittel (212) ansprechend auf die abgefühlten Betriebsparameter des Motors (10) zum Vorsehen des erwähnten Steuersignals, um zu bewirken, daß die Auslaßmittel (74) eines ausgewählten Untersatzes der Brennkammern (44) initiiert bzw. betätigt werden, um Abgas in die Brennkammer (44) von den Auslaßleitmitteln (60) anzusaugen, gekennzeichnet durch

Komprimieren des Abgases in der Brennkammer (44), Expandieren des Abgases in der Brennkammer (44) und Ausstoßen oder Auslaßen des Abgases in die Einlaßleitmittel (53) durch Initiieren der Einlaßmittel (72), wodurch eine gekühlte Abgasrückführung vorgesehen wird.

2. Motor nach Anspruch 1, wobei die Einlaß- bzw. Ansaugmittel (72) eine Vielzahl von Einlaßventilen (82) aufweisen, von denen jedes betriebsmäßig in einem der Einlaßanschlüsse (50) angeordnet ist, und mit Einlaßventilragmitteln (84) für die hin- und herbewegliche Lagerung der Einlaß- oder Ansaug ventile (82).

3. Motor nach Anspruch 2, wobei das Ansaug- oder Einlaßventil (82) einen Einlaßventilschaft (88) aufweist, einen Einlaßventilkopfteil (90) angeordnet an einem Ende des Einlaßventilschaftes (88) und einen Einlaßventilhalter (92) angeordnet an einem entgegengesetzt liegenden Ende, und wobei die Einlaßventiltragmittel (84) eine Einlaßventilführung (98) aufweist, die den Einlaßventilschaft (88) umgibt und eine Einlaßventilfeder (100) angeordnet um den Einlaßventilschaft (88) herum.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlaßmittel (74) eine Vielzahl von Auslaßven tilen (112) aufweisen, von denen jedes betriebsmäßig in einem der Auslaßanschlüsse (52) angeordnet ist, und Auslaßventiltragmittel (114) zur hin- und herbeweglichen Lagerung der Auslaßventile.

5. Motor nach Anspruch 4, wobei das Auslaßventil (112) einen Auslaßventilschaft (118) aufweist, einen Auslaßventilkopfteil (120) angeordnet an einem Ende des Auslaßventilschaftes (118) und einen Auslaßventilhalter (122) angeordnet an einem entgegengesetzt liegenden Ende, wobei die Auslaßventiltragmittel (114) eine Auslaßventilführung (130) aufweisen, welche den Auslaßventilschaft (118) umgibt und fer ner mit einer Auslaßventilfeder (132) angeordnet um den Auslaßventilschaft (118) herum.

6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (76) zur Betätigung einen piezoelektrischen Motor (136) aufweisen.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronischen Steuermittel (212) ein elektronisches Steuersystem (208) aufweisen, ferner ein Steuersignal, einen Sensor (216) und einen Mikroprozessor (214).

8. Verfahren zum Betrieb eines Motors (10) mit einer Vielzahl von Brennkammern (44), einem Einlaß- oder Ansauganschluß (50) und einem Auslaßanschluß (52) für jede der Brennkammern (44), und mit einem Kolben (34), der hin- und herbeweglich in jeder der Brennkammern (44) angeordnet ist, und zwar zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt zur Bildung eines Einlaßhubes, ferner beweglich zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt zur Bildung eines Kompressionshubs, ferner beweglich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt zur Bildung eines Expansions- oder Arbeitshubs und schließlich bewegbar zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt zur Bildung eines Auslaßhubs, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

(a) Überwachung der Betriebszustände des Motors (10);

(b) Ausgeben eines Steuersignals an Einlaßmittel (72) und Auslaßmittel (74) entsprechend dem Betriebszustand;

(c) Betätigung jedes der Ansaugmittel (72) und der Auslaßmittel (74) unabhängig voneinander ansprechend auf das Steuersignal, wobei das Signal vorgesehen ist für einen ausgewählten Sub- oder Untersatz von Brennkammern zum Bewirken von

(d) dem Ansaugen von Ab- oder Auslaßgas in die Brennkammer (44) von den Auslaßleitmitteln (60); gekennzeichnet durch:

(e) Komprimieren des Abgases in der Brennkammer (44);

(f) Expandieren des Abgases in der Brennkammer (44); und

(g) Auslaßen oder Austreiben des Abgases in die Ansaug- bzw. Einlaßleitmittel (53) durch Initiierung der Ansaugmittel (72), wodurch gekühlte Abgasrückzirkulation vorgesehen wird.