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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Brennstoffzufuhr in Motore durch
Einspritzung von Brennstoff-Gas-Mischungen in Brennräume der
Verbrennungsmotore, die typischerweise entweder mit dem Zwei- oder
Viertaktzyklus arbeiten.
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Die
Vorteile in Bezug auf niedrige Emissionen in Auspuffgasen aus Verbrennungsmotoren,
die Brennräume
oder Zylinder aufweisen, in die Brennstoff-Gas-Mischungen direkt
eingespritzt werden, sind anerkannt und ergeben sich aus der besseren Kontrolle über die
Brennstoffverteilungen und die Mengen, als diese, zusätzlich zu
anderen Faktoren, in Vergasermotoren möglich sind.
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In
dieser Hinsicht ist vom Antragsteller zum Beispiel im Patent der
Vereinigten Staaten mit der Nr. 4800862 offenbart worden, dass,
in Anstrengungen, die schädlichen
Komponenten in den Auspuffgasen von Motoren zu kontrollieren, die
Steuerung der Brennstoffverteilung im Brennraum/in den Brennräumen des
Motors förderlich
sein kann. Dementsprechend offenbart dieses Patent, in besonderer
Hinsicht auf eine duale Einspritzanordnung für flüssigen Brennstoff, wobei ein
Gas unter Druck verwendet wird, um eine getrennt dosierte Menge
von Brennstoff mitzuführen
und einem Motor zuzuführen,
die Kontrolle über
die Einleitung von Brennstoff in das Gas, um zum Zeitpunkt der Zündung eine
vorgegebene Brennstoffverteilung im Brennraum/ in den Brennräumen des
Motors zu erzielen. Im Besonderen wird es als in einem Funkenzündungsmotor höchst wünschenswert
beschrieben, dass die vorgegebene Brennstoffverteilung zum Zeitpunkt
der Zündung
ein relativ fettes Kraftstoffgemisch in der Nähe des Zündungsmittels umfasst.
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Das
Zündungsmittel
befindet sich typischerweise im Zylinderkopf des Motors und dementsprechend
wird zum Zeitpunkt der Zündung
wünschenswerter
Weise eine kraftstofffette Region in diesem Bereich des Zylinders
ausgeformt. In bestimmten Motoren, typischerweise denen, die zentral
angeordnete Direkteinspritzungssysteme aufweisen, wird dies von
einer benachbarten Zunahme im Luft-/Brennstoffverhältnis der übrigen Verbrennungsladung
in der axialen Richtung des Zylinders (das heißt, diese wird magerer) begleitet.
Solch eine Verbrennungsladung wird als von geschichteter Art bezeichnet
und weist anerkannte Vorteile bei der Zündung auf, besonders unter
Bedingungen niedriger Last. Bedingungen niedriger Last können im
Allgemeinen als Last von weniger als 25% der mit einer bestimmten
Motorgeschwindigkeit erzielbaren Maximallast beschrieben werden.
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Typischerweise
variiert die bevorzugte Brennstoffverteilung im Zylinder mit der
Motorlast und daher wird, wie in dem
US
Patent Nr. 4800862 des Antragstellers beschrieben, die
Rate der Zuführung
der festgelegten Mengen des Brennstoffs in den/in die Zylinder des
Motors gesteuert, um die effizienteste Verteilung für bestimmte
Betriebszustände des
Motors zu erzielen. Deshalb ist es bei hohen Lasten oft wichtiger, überall in
dem Zylinder ein im Wesentlichen gleichmäßiges Luft-/Brennstoffverhältnis zu
haben, so dass der Brennstoff ausreichender Luft ausgesetzt ist,
um den ganzen innerhalb das Zylinders vorhandenen Brennstoff zu
verbrennen. Hohe Last kann im Allgemeinen als Last größer als
75% der mit einer bestimmten Motorgeschwindigkeit erzielbaren Maximallast
definiert werden.
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In
WO 96/25592 ist ein mit
einer Vorverbrennungskammer ausgestatteter Verbrennungsmotor beschrieben,
die mit dem Brennraum kommuniziert und in die in Luft mitgeführter Brennstoff
zugeführt wird,
wobei eine Zündvorrichtung
in der Vorverbrennungs kammer angeordnet ist, um den Brennstoffsprühnebel zu
entzünden.
Der Brennstoff und die Luft können
in einem ersten Einspritzereignis zugeführt werden, um die Vorverbrennungskammer
zu reinigen, gefolgt von einem zweiten Einspritzereignis, um eine
erwünschtes
Luft-/Brennstoffverhältnis
in der Umgebung der Zündvorrichtung
herzustellen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, um einen Verbrennungsmotor mit Brennstoff zu befüllen, das
einen effizienten Betrieb des Motors mit akzeptabel niedrigen Emissionen
von NOx Kohlenwasserstoffen und anderen
Schadstoffen ermöglicht,
die mit ineffizientem Motorbetrieb verbunden sind.
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In
Hinsicht auf dieses Ziel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Brennstoffzufuhr in einen Verbrennungsmotor durch Einspritzung
einer Brennstoff-Gas-Mischung in einen Brennraum des Motors zur
Verfügung,
umfassend die Zuführung
einer dosierten Menge von Brennstoff durch ein Brennstoffdosiermittel
an eine Zuführungseinspritzdüse, die
sowohl in Verbindung mit dem Brennraum als auch einer Einspeisung
von unter Druck stehendem Gas steht, um dem Brennraum die dosierte
Menge des Brennstoffs zuzuführen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff von der Einspritzdüse direkt in
eine Brennraumaussparung zugeführt
wird, die von einem Kolben des Motors und einer dem Kolben gegenüber liegenden
Oberfläche
des Zylinderkopfs begrenzt wird, die Steuerung der Zuführungseinspritzdüse, um vielfache
Brennstoffzuführungsereignisse über den
Zyklus von mindestens einem Zylinder des Motors zur Verfügung zu
stellen, und das Erzielen einer vorgegebenen Brennstoffverteilung
im Brennraum von mindestens einem Zylinder des Motors bei der Zündung.
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Die
vielfachen Brennstoffzuführungsereignisse
können
während
eines Zyklus des Motorbetriebs auftreten, um bei der Zündung während dieses Zyklus
des Motorbetriebs eine vorgegebene Brennstoffverteilung im Brennraum
zu erzielen. Das Brennstoffdosierungsmittel kann gesteuert werden,
um einen einzelnen Puls von kontrollierter Dauer zu bewirken, um
der Zuführungseinspritzdüse eine
dosierte Menge des Brennstoffs zur Verfügung zu stellen. Solch ein
Puls oder gesteuertes Öffnen
des Brennstoffdosierungsmittels kann als ein „Brennstoffdosierungsereignis" bezeichnet werden.
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Die
dosierte Menge des Brennstoffs wird dann durch Öffnen der Zuführungseinspritzdüse, mitgeführt in unter
Druck stehendem Gas, in den Brennraum zugeführt, wobei solch ein Puls oder
eine Öffnung
der Zuführungseinspritzdüse als ein "Gaseinspeisungsereignis" bezeichnet werden
kann. Die Zuführungseinspritzdüse kann
wünschenswerter
Weise gesteuert werden, um eine Vielzahl von Gaseinspeisungsereignissen
zu bewirken, die Brennstoff direkt in den Zylinder oder Brennraum
des Motors tragen. Die Zuführungseinspritzdüse kann
gesteuert werden, um während
eines einzelnen Zylinderzyklus eine Vielzahl von Pulsen von kontrollierter
Dauer zu bewirken, um dem Motor die dosierte Menge des Brennstoffs
zuzuführen,
und bei Anlass zu ermöglichen, dass
eine erwünschte
Motorsteuerungsstrategie bestimmt wird. Ein Zylinderzyklus kann
durch die Dauer der Hinundherbewegung des Kolbens zwischen dem obersten
Totpunkt und anschließender
Rückkehr zum
obersten Totpunkt definiert werden. Kürzer gefasst kann ein Zylinderzyklus
durch die Dauer gemessen werden, in der der Kolben irgendeine Position
in dem Zylinder aufweist und der anschließenden Rückkehr in diese Position. Daher
kann eine wiederholbare Folge von Ereignissen über einer Anzahl von Zylinderzyklen
auftreten. Die Folge von Brennstoffdosierungen und Gaseinspeisungsereignissen
wird ty pischerweise über
die 360° oder
720° Dauer
abgegrenzt, je nachdem ob der Motor im Zwei- oder Viertaktzyklus
laufen soll. Auf diese Weise, wo manche der Ereignisse in einer
Folge nach dem oberstem Totpunkt auftreten, können sie als ein während desselben
Zylinderzyklus früheres
solches auftretendes Dosierungs- oder Gaseinspeisungsereignis betrachtet
werden, das vor dem obersten Totpunkt auftrat.
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Das
Brennstoffdosierungsmittel ist geeigneter Weise in der Form einer
Brennstoffdosierungseinspritzdüse
und die Einspeisung von unter Druck stehendem Gas in die Zuführungseinspritzdüse erfolgt typischerweise
durch einen Kanal oder einen Durchlass, der die Einspeisung von
unter Druck stehendem Gas kommuniziert, typischerweise einen Luftkompressor
mit einer Vorratskammer der Zuführungseinspritzdüse. Die
Vorratskammer kann zu allen Zeitpunkten während des Betriebs des Motors
unter Druck stehend bleiben und ist während der Vielzahl von Gas-
oder Luftzuführungsereignissen
in jedem Zylinderzyklus vorzugsweise selektiv direkt mit dem Brennraum
in Verbindung stehend.
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In
dieser Hinsicht kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
auf einer Anzahl von Wegen mit den Zeitsteuerungen der Öffnung/Schließung der
Brennstoffdosierungs- und Brennstoffzuführungseinspritzdüsen durchgeführt werden,
die sonst als die Brennstoffdosierungs- beziehungsweise Gaseinspeisungsereignisse
bezeichnet werden, die steuerbar relativ zur Zündungszeitsteuerung und zu einander
zeitlich gesteuert werden durch die Steuereinheit für den Motor,
typischerweise eine elektronische Steuereinheit. Die Zeitsteuerung
und/oder Dauer der Brennstoffdosierungs- und/oder Gaseinspeisungsereignisse
können
als eine Funktion der Motorgeschwindigkeit oder Motorlast oder beidem
ausgeführt
werden. Weiterhin können
die Brennstoffdosierungs- und Gaseinspeisungsereignisse in bestimmten
Anwendungen überlappend
ausgeführt
werden.
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Während jede
Anzahl von Gas- oder Luftzuführungsereignissen
im Zylinderzyklus von mehr als einer eingerichtet werden kann, wäre eine
typische Anzahl zwei pro Zyklus. Die dosierte Menge des Brennstoffs
kann der Zuführungseinspritzdüse durch das
Brennstoffdosierungsmittel in einem zu jedem Zeitpunkt im Zylinderzyklus
relativ zu den Gaseinspeisungsereignissen zeitlich gesteuerten Brennstoffdosierungsereignis
zugeführt
werden. Zum Beispiel kann das Auslösen eines ersten Gaseinspeisungsereignisses
die Zuführung
zum Brennraum von einem Teil, wünschenswerter
Weise einem größeren Anteil
eines dosierten Brennstofferfordernisses für den Motor pro Zylinderzyklus
unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors ermöglichen.
Einige Zeit später,
aber während
desselben Zylinderzyklus, kann ein zweites Gas- oder Luftzuführungsereignis dem
Brennraum jeden übrigen
Teil der zuvor dosierten Brennstoffmenge als ein zweites Brennstoffzuführungsereignis
zuführen.
In einigen Situationen kann dieses zweite Luftzuführungsereignis
ausgelöst werden,
um jeglichen „hängen gebliebenen", innerhalb der Zuführungseinspritzdüse verbliebenen Brennstoff
auszuspülen.
Es kann, wie erwünscht, entweder
in Zusammenhang mit einem Zündungsereignis
ausgelöst
werden oder nicht. Das heißt,
eine typische Zuführungseinspritzung
weist eine Vorratskammer oder Bohrung auf, durch die der Brennstoff durchtritt
oder zurückgehalten
wird. Ein Überzug
aus Brennstoff kann auf Grund der Oberflächenspannungseffekte dem ersten
Luftereignis nachfolgend an den Wänden der Kammer oder der Bohrung
haften, und dies ist das Phänomen,
auf das als Brennstoff „hängen bleiben" oder „hängen gebliebener" Brennstoff Bezug
genommen wird.
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Der
Anteil des dem Brennraum in den ersten und anschließenden Gaseinspeisungsereignissen zugeführten Brennstoffs
kann durch Variieren der Zeitsteuerung, der Dauer und/oder des Zuführungsdrucks
von jedem Gasversorgungsereignis gesteuert werden. Die Gaseinspeisungsereignisse
können dann
verwendet werden, um eine Aufteilung der dosierte Menge des Brennstoffs
in diskrete Pulse von bekannten Merkmalen zu erreichen, wenn diese
unter jeder gegebener Betriebsbedingung des Motors durch letztendliches
Erreichen einer vorgegebenen Brennstoffverteilung im Brennraum zum
Zeitpunkt der Zündung
den effizienten Motorbetrieb erleichtern. Auf diese Weise kann zum
Beispiel die Menge des in Folge eines ersten Gaseinspeisungsereignisses
in den Brennraum zugeführten
Brennstoffs festgelegt werden, um so im gesamten Brennraum ein im
Allgemeinen homogenes Gemisch zu erzielen, jedoch eines, das nicht
leicht entzündbar
ist. Dann kann, gerade kurz vor dem Zeitpunkt der Zündung, ein
zweites Gaseinspeisungsereignis in derselben Betätigung des Zylinderzyklus auftreten,
das die Zuführung
einer ausreichenden Menge an Brennstoff ermöglicht, um speziell ein erwünschtes
entzündbares
Luft-/Brennstoffverhältnis
am Zündungsmittel
zu erreichen. Solch ein Luft-/Brennstoffverhältnis wird von jemand, der
in dieser Technik ausgebildet ist, erkannt als eines innerhalb des
entzündbaren
Bereichs. Die Steuerung der Brennstoffzufuhr zum Motor auf diese
Weise ist höchst
dienlich für
einen stabilen Motorbetrieb mit niedrigen Emissionen.
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Wie
vorstehend erwähnt,
ist die tatsächliche Menge
des während
der separaten Luftzuführungsereignisse
zugeführten
Brennstoffs eine Funktion der Zeitsteuerung der Öffnung, der Dauer und/ oder
des Zuführungsdrucks,
die mit jedem Luftzuführungsereignis
verbunden sind. Dementsprechend würde für das oben genannte Beispiel
die Zuführungseinspritzdüse für das erste
Luftzuführungsereignis
im Vergleich mit dem zweiten Luftzuführungs ereignis typischerweise
für eine
längere
Zeitdauer offen gehalten. Dies würde
natürlich
von dem differentiellen Druckrückgang über der
Zuführungseinspritzdüse bei deren Öffnung abhängen, wäre aber
für eine Mehrheit
der Fälle
der Fall.
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Alternativ
dazu kann es in bestimmten Anwendungen oder Umsetzungen vorteilhafter
sein, dass die dem Motor während
der ersten und zweiten Gaseinspeisungsereignisse zugeführte Menge
an Brennstoff nicht zu verschieden ist. Das heißt, dass die Menge des in jedem
Gaseinspeisungsereignis zugeführten
Brennstoffs ungefähr
gleich sein kann. Dementsprechend können die separaten Gaseinspeisungsereignisse
vorzugsweise von ähnlicher Dauer
sein, um die Zuführung
von ähnlichen
Mengen des in Luft mitgeführten
Brennstoffs in den Brennraum des Motors zu fördern.
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Zusätzlich zu
der Zuführung
der gesamten dosierten Menge des Brennstoffs, um bei der Zündung die
zuvor festgelegte Brennstoffverteilung im Brennraum einzurichten,
kann ein Gaseinspeisungsereignis oder können mehrere Gaseinspeisungsereignisse
verwendet werden, um andere erwünschte
Steuerungsstrategien zu bewirken, wie nachstehend erörtert wird.
Dies ist auch anwendbar in Fällen, in
denen der Brennstoff der Zuführungseinspritzdüse in einer
Vielzahl von Brennstoffdosierungsereignissen zugeführt wird,
wie ebenfalls nachstehend erläutert
werden wird. Ebenso können
die weiteren Steuerungsstrategien, auf die verwiesen wird, in bestimmten
Anwendungen weiterhin während
eines einer Anzahl von Gaseinspeisungsereignissen bewirkt werden,
sogar dann wenn das Gaseinspeisungsereignis in einem Zylinderzyklus
verwendet wird, um eine Menge des Brennstoffs in den Brennraum zuzuführen.
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Zum
Beispiel kann in dem Fall, in dem zwei Gaseinspeisungsereignisse
pro Zylinderzyklus bewirkt werden, das nachfolgende Gaseinspeisungsereignis
spät genug
im Betriebszyklus des Mo tors stattfinden, so dass, im Anschluss
an die Ausführung der
Brennstoffzuführung,
die Zuführungseinspritzdüse jederzeit
offen gehalten werden kann, wenn der Zylinderdruck den in der Kammer
oder der Bohrung der Zuführungseinspritzdüse überschreitet.
Auf diese Weise können
auf eine Weise ähnlich
der in dem
US Patent Nr. 4936279 des
Antragstellers beschriebenen Zylindergase als eine Quelle für unter
Druck stehendes Gas für
nachfolgende Gaseinspeisungsereignisse erfasst und verwendet werden.
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Alternativ
dazu kann ein anschließendes
Gaseinspeisungsereignis einzig für
diese erwünschte Funktion
verwendet werden, nachdem die gesamte dosierte Menge des Brennstoffs
durch die Zuführungseinspritzdüse zugeführt worden
ist. Daher kann dieses Verfahren verwendet werden, um zum Beispiel
die Druckbeaufschlagung einer Luftschiene beim Starten zu beschleunigen
oder die Last des Luftkompressors auf den Motor zu anderen Zeitpunkten
zu reduzieren. Diese Gaserfassungsfunktion kann ausgeführt werden
zu Zeitpunkten der Zeitsteuerung und unter Betriebsbedingungen des
Motors, die dieser Funktion normalerweise nicht dienlich wären.
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Noch
weiter kann jedes nachfolgende Gaseinspeisungsereignis auch verwendet
werden, um eine Reinigung der Einspritzdüse zu bewirken, wie in dem
US Patent Nr. 5195482 des
Antragstellers beschrieben ist. Das heißt, das nachfolgende Gaseinspeisungsereignis
kann, wie gemäß dem vorherigen Gaserfassungskonzept,
spät genug
im Arbeitszyklus des Motors ausgeführt werden, so dass die Zylindergase
mit typischerweise hoher Temperatur, die so gesteuert werden, dass
sie in die Bohrung der Zuführungseinspritzdüse fließen, verwendet
werden können,
um die Oberflächen
der Zuführungseinspritzdüse, die
Kohlenstoffablagerung unterliegen (die die Genauigkeit der Brennstoffzuführung durch die
Zuführungseinspritzdüse negativ
beeinflussen können), in
einem „Säuberungsprogramm" zu reinigen. Auf diese
Weise kann das Einlassen von Zylindergasen in die Zuführungseinspritzdüse die Verbrennung
von unerwünschten
Kohlenstoffablagerungen und die Reinigung der Einspritzdüsenoberflächen bewirken. Wie
gemäß dem vorherigen
Gaserfassungsverfahren, ermöglicht
die Verwendung des Verfahrens der zweifachen Einspritzung entsprechend
der vorliegenden Erfindung, dass solch ein Säuberungsprogramm zu Zeitpunkten
der Zeitsteuerung und unter Betriebsbedingungen des Motors bewirkt
wird, die normalerweise einer solchen Funktion nicht zuträglich wären. Im
Besonderen kann solch ein Säuberungsprogramm
für die
Einspritzdüse
an jedem beliebigen Punkt im Last- und Drehzahlbereich des Motors
bewirkt werden, da der Betrieb des Motors wie erforderlich mit Hilfe
des Brennstoffs aufrecht erhalten oder eingestellt werden kann,
der dem Motor während
des ersten Gas- oder Luftzuführungsereignisses
zugeführt
wird.
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In
noch einer weiteren Erweiterung dieses Verfahrens, kann das nachfolgende
Gaseinspeisungsereignis als Mittel dafür verwendet werden, um das
Bereitstellen von erhöhten
Mengen des Brennstoffs zum Motor zu ermöglichen, um bei der raschen Erwärmung eines
Katalysators einer Auspuffanlage zu unterstützen. Ein solches Verfahren
der Katalysatorerwärmung
oder des „schnellen
Anspringens" ist in
dem
US Patent mit der Nr. 5655365 des
Antragstellers beschrieben. Mit Hilfe des zweiten oder letzteren
Gaseinspeisungsereignisses in einem Verfahren zweifacher Einspritzung
entsprechend der vorliegenden Erfindung kann spätes Einspritzen von zusätzlichem
Brennstoff in den Brennraum verwendet werden, um an Stelle von oder
zusätzlich
zu dem Verfahren gemäß
US Patent Nr. 5655365 erhöhte Pegel
von Wärmeenergie
an irgendeinen flussabwärts
liegenden Katalysator in der Auspuffanlage des Motors zur Verfügung zu stellen.
Solcher Brennstoff kann aufgrund der Zeitsteuerung bei der Zuführung von
diesem in den Brennraum im Brennraum und /oder der Auspuffanlage
in Bezug auf ein vorheriges Zündungsereignis
verbrannt werden. Wiederum ermöglicht
die Verwendung des Verfahrens der zweifachen Einspritzung entsprechend
der vorliegenden Erfindung, dass solch ein Verfahren eines schnellen Anspringens
zu Zeitpunkten der Zeitsteuerung bewirkt wird, die normalerweise
solch einer Funktion nicht zuträglich
wären,
und auf eine Weise, die eine geringere Auswirkung auf den normalen
Motorlauf aufweist. Weiterhin kann die Temperatur des Auspuffgases
unter Laufbedingungen mit geringer Last oberhalb des Anspringens
aufrecht erhalten werden.
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In
einer alternativen Umsetzung des Verfahrens der zweifachen Einspritzung
entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Einspritzdüse zur Dosierung
des Brennstoffs gesteuert werden, um eine Vielzahl von typischerweise
zwei Brennstoffdosierungsereignissen zu bewirken, während die
Einspritzdüse
zur Brennstoffzuführung
auch gesteuert wird, um eine Vielzahl von typischerweise zwei Brennstoffzuführungspulsen
oder Gaseinspeisungsereignisse zu bewirken. Das heißt, eine
erste Menge des Brennstoffs wird früh im Zylinderzyklus in die
Zuführungseinspritzdüse dosiert
und diese dosierte Menge des Brennstoffs wird dann früh im Zylinderzyklus
dem Motor zugeführt.
Diese erste Menge des Brennstoffs dient typischerweise dazu, ein
homogenes Gemisch im Brennraum des Motors zu erzeugen. Eine zweite,
im Allgemeinen vergleichsweise viel kleinere Menge des Brennstoffs
wird anschließend
in die Zuführungseinspritzdüse dosiert,
und wird dem Brennraum dann auf dem Weg eines zweiten Gaseinspeisungsereignisses
zugeführt.
Dieses zweite Gaseinspeisungsereignis ist zeitlich im Allgemeinen
viel später
im Zylinderzyklus angeordnet, um so kurz vor oder zum Zeitpunkt der
Zündung
ein fettes entzündbares
Gemisch um das Zündungsmittel
herum zur Verfügung
zu stellen.
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Daher
wird auf diese Weise im Brennraum eine ähnlich erwünschte Brennstoffverteilung
wie vorstehend beschrieben auf dem Weg von zwei getrennten Brennstoffdosierungsereignissen
und zwei getrennten Gaseinspeisungsereignissen erreicht. Es wird
verstanden werden, dass der Anteil des in jedem Brennstoffdosierungsereignis
dosierten Brennstoffs wie auch der Anteil der eingespritzten Luft
durch Variieren der Pulsweiten beziehungsweise der Öffnungsdauern
der Brennstoffdosierungseinspritzdüse und Zuführungseinspritzdüse variiert
werden können.
Wiederum kann es in bestimmten Anwendungen oder Umsetzungen förderlich
sein, dass die der Zuführungseinspritzdüse zugeführte Menge
an Brennstoff während
des ersten und zweiten Brennstoffdosierungsereignisses nicht zu
unterschiedlich ist. Das heißt,
die Menge des in jedem Brennstoffdosierungsereignis zugeführten Brennstoffs
kann ungefähr
gleich sein. Dementsprechend können
die getrennten Brennstoffdosierungsereignisse vorzugsweise von ähnlicher
Dauer sein, um die Zuführung von ähnlichen
Mengen des Brennstoffs zur Zuführungseinspritzdüse zu fördern.
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Weiterhin
kann solch eine Kombination von Brennstoffdosierungs- und Gaseinspeisungsereignissen
auch verwendet werden, um die anderen wünschenswerten Steuerungsstrategien,
wie zuvor erörtert,
zu bewirken. Das heißt,
ob ein letztes Gaseinspeisungsereignis verwendet wird, um dem Brennraum
eine Menge des Brennstoffs zuzuführen,
oder ob der gesamte Brennstoff während
eines früheren Gaseinspeisungsereignisses
in demselben Zylinderzyklus zugeführt wird, kann das letzte Gaseinspeisungsereignis
unter gewissen Bedingungen verwendet werden um Strategien, wie zum
Beispiel den Zylinder unter Druck zu setzen, die Einspritzdüse zu reinigen
und schnelles Anspringen des Katalysators zu bewirken, wie hierin
vorstehend erwähnt.
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In
noch einer weiteren alternativen Umsetzung des Verfahrens der zweifachen
Einspritzung entsprechend der vorliegenden Erfindung, kann eine erwünschte Brennstoffverteilung
im Brennraum erzielt werden auf dem Weg von zwei Brennstoffdosierungsereignissen
und einem einzelnen Gaszuführungsereignis.
In solch einem Szenario kann ein Zuführen eines ersten Brennstoffdosierungsereignisses die
Hauptmenge an Brennstoff zuführen,
der in die Zuführungseinspritzdüse dosiert
werden soll, die anschließend
geöffnet
wird, um diese gesamte Menge des Brennstoffs dem Motor zuzuführen. Anstatt
jedoch die Zuführungseinspritzdüse zu schließen nachdem
die Gesamtheit des Brennstoffs zugeführt wurde, kann die Zuführungseinspritzdüse offen
gehalten werden, um eine zweite, geringere Menge an Brennstoff zuzuführen, welche
anschließend
auf dem Weg eines zweiten kurzen Brennstoffdosierungsereignisses
in die Zuführungseinspritzdüse dosiert wird.
Sobald diese zweite Menge des Brennstoffs dem Brennraum in einem
Gaseinspeisungsereignis zugeführt
worden ist, kann die Zuführungseinspritzdüse geschlossen
werden, nachdem sie daher nur für
ein einzelnes Gaseinspeisungsereignis geöffnet worden ist. Solch eine
Umsetzung stellt auch eine bessere Steuerung des Brennstoffflusses
zur Verfügung,
wie weitergehend in dem
US Patent
Nr. 4800862 des Antragstellers beschrieben ist.
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Weiterhin
kann es für
ein Luftschienendruckbeaufschlagungsverfahren oder ein Reinigungssteuerungsverfahren
für eine
Zuführungseinspritzdüse in einigen
Anwendungen möglich
sein, dass dieses ausgeführt
wird durch Aufrecht erhalten des geöffneten Zustands der Zuführungseinspritzdüse, nachdem die
Brennstoffzuführung
in den Brennraum beendet worden ist.
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Jedem
der vorherigen beschriebenen Umsetzungen des Verfahrens der zweifachen
Einspritzung entsprechend der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist
die Art, in der die Anordnung zur zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff
geeignet verwendet wird, um eine erwünschte Brennstoffverteilung
im Brennraum des Motors zur Verfügung
zu stellen. Das heißt,
die Anordnung zur zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff wird vorzugsweise
auf solch eine Art gesteuert, dass der Großteil einer dosierte Menge
des Brennstoffs zu einem Zeitpunkt relativ früh im Betriebszyklus des Motors
in den Brennraum zugeführt
wird, und anschließend
so gesteuert wird, dass ein Rest der dosierten Menge an Brennstoff
zu einem Zeitpunkt viel später
im Betriebszyklus des Motors zugeführt wird.
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Vorzugsweise
wird die Anordnung zur zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff
gesteuert, um zu einem Zeitpunkt relativ früh im Motorzylinderzyklus ein
im Allgemeinen homogenes Gemisch im Brennraum zur Verfügung zu
stellen.
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Vorzugsweise
wird die Anordnung zur zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff
gesteuert, um eine kleine Menge fettes entzündbares Gemisch um das Zündmittel
herum zu einem Zeitpunkt relativ spät im Motorzylinderzyklus und
im Allgemeinen nahe, das heißt
kurz vor dem Zündzeitpunkt
zur Verfügung
zu stellen.
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Im
Gegensatz zu den entsprechend dem oben genannten Verfahren unterschiedlichen
Mengen an dem Motor zugeführten
Brennstoff können diese
alternativen Umsetzungen des zweifachen Einspritzverfahrens entsprechend
der vorliegenden Erfindung auch genauso angepasst werden, um dem Motor
wie vorstehend erwähnt
getrennte, jedoch ähnliche
Mengen des Brennstoffs zuzuführen.
Das heißt,
anstatt eines ersten Gaseinspeisungsereignisses, das dem Motor den
Großteil
einer dosierte Menge des Brenn stoffs zuführt, und eines zweiten Gaseinspeisungsereignisses,
das eine kleinere Menge des Brennstoffs zuführt, können die getrennten Ereignisse
gleiche oder andere geeignete Verhältnisse des Brennstoffs in
den Brennraum des Motors zuführen.
Weiterhin können
diese unterschiedlichen Umsetzungen der zweifachen Einspritzverfahrens
entsprechend der vorliegenden Erfindung angewandt werden, um andere
erwünschte
Steuerungsstrategien auszuführen,
während
sie immer noch ermöglichen,
dass vor der Zündung
eine vorgegebenen Brennstoffverteilung im Brennraum/in den Brennräumen des
Motors eingerichtet wird. In einigen Fällen, in denen ein zweites
Gaszuführungsereignis
einzig verwendet wird, um eine erwünschte Motorsteuerungsstrategie
auszuführen,
wird die vorgegebene Brennstoffverteilung im Brennraum mittels des
ersten Gaszuführungsereignisses
eingerichtet.
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Das
Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung kann leicht in
Multizylindermotoren von sowohl Zweitakt- als auch Viertaktart durchgeführt werden.
Das Verfahren weist eine besondere Anwendbarkeit auf Viertaktmotoren
auf, da die Merkmale des Betriebs von solchen Motoren relativ längere Motorzylinderzykluszeiten
ergeben, innerhalb derer vielfache Brennstoffdosierungs- und/oder
Gaseinspeisungsereignisse bewirkt werden können.
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Die
Erfindung wird eindeutiger aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
verstanden werden, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
ausgeführt
wird, in denen:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, das einen entsprechend einer Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung betriebenen Motor zeigt;
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2 eine
Ansicht im Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Dosierungs-
und Einspritzdüsenschieneneinheit
ist, die auf dem Motor verwendet werden können, der entsprechend einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt,
betrieben wird; und
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3 eine
Reihe von graphischen Darstellungen ist, die ein Beispiel für bestimmte
spezifische Zeitsteuerungen und Dauern von Brennstoffzufuhrereignissen
und Gaszufuhrereignissen der Komponenten der Brennstoffeinspritzdüse und der
Schieneneinheit gemäß 2 zeigen,
wenn diese in einem Modus entsprechend der vorliegenden Erfindung
betrieben werden.
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1 zeigt
einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor 20 mit mehrfachen
Zylindern und doppelter oben liegender Nockenwelle im Viertaktbetrieb,
der einen Zylinder 60 aufweist, in dem sich ein Kolben 59 hin-
und herbewegt und in dem der Kolben 59 durch ein Pleuel 58 mit
einer Kurbelwelle 33 des Motors 20 verbunden ist.
Der Motor 20 umfasst ein Luftzufuhrsystem 22,
ein Zündungsmittel 24,
eine Benzinpumpe 23, ein Brennstoffreservoir 28 und
ein Auspuffsystem 25. In einem Zylinderkopf 30 des
Motors 20 ist eine Brennstoff- und Luftschieneneinheit 11 befestigt.
Ein Luftkompressor 29 ist funktionsfähig in Bezug auf den Motor 20 angeordnet
und wird typischerweise durch die Motorkurbelwelle 33 mit
Hilfe eines geeigneten (nicht gezeigten) Riemens angetrieben. Die
Benzinpumpe 23 zieht Brennstoff aus dem Brennstoffreservoir 28,
der dann durch eine Brennstoffzuführungsleitung 55 der
Brennstoff- und Luftschieneneinheit 11 zugeführt wird.
Konventionelle Einlass- und
Auslassventile 15 und 16 sind auf die bekannte
Weise ebenfalls im Zylinderkopf 30 montiert, zusammen mit
einem konventionellen Nockenmittel 17 zur Betätigung der
Ventile 15 und 16. Die Ventile 15 und 16 sind
eingerichtet, um entsprechende Einlass- und Abgasöffnungen 18 und 19 für den Einlass
von frischer Luft und das Entfernen von Auspuffgasen des Motorszylinders 60 während eines
Zylinderzyklus auf die bekannte Weise zu öffnen und zu schließen.
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Der
abnehmbare Zylinderkopf
30 weist einen darin ausgeformten
Hohlraum
31 auf, der an seinem tiefsten Punkt eine darin
angeordnete Einspritzdüse
34 von
einer Zuführungseinspritzdüse
12 der
Brennstoff- und Luftschieneneinheit
11 aufweist. Der Hohlraum
31 definiert
zusammen mit dem Kolben
59 und dem Zylinder
60 einen
Brennraum
32. Das Bereitstellen des Hohlraums
31 in
entsprechender Form und Anordnung im Zylinderkopf
30 unterstützt bei
der Ausformung einer geschichteten Brennstoffverteilung im Brennraum
32,
besonders bei niedrigen Lastzuständen,
entsprechend der Offenbarung in dem
US
Patent Nr. 4719880 des Antragstellers, dessen Inhalt hiermit
hierin als Verweis integriert wird. Eine spätere zeitliche Steuerung der
Brennstoffeinspritzung durch die Einspritzdüse
34 in den Hohlraum
31 unter
Betriebsbedingungen des Motors mit geringer Last unterstützt unter
solchen Bedingungen ebenfalls bei der Ausformung einer geschichteten
Aufladung im Brennraum
32. Zu diesem Zweck kann auch eine Düse mit geringer
Eindringtiefe des Sprühnebels
eingesetzt werden.
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In
dem jetzt auf 2 Bezug genommen wird, wird
die Brennstoff- und Luftschieneneinheit 11 detaillierter
gezeigt. Die Brennstoff- und Luftschieneneinheit 11 umfasst
eine Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 und die Luft-
oder Zuführungseinspritzdüse 12 mit
einer entsprechenden dazwischen angeordneten Schnittstelle 15.
Entsprechende Brennstoffdosierungs- und Brennstoffzuführungseinspritzdüsen 10 und 12 werden
für jeden
Zylinder 60 des Motors 20 zur Verfügung gestellt.
Der Körper 8 der
Brennstoff- und Luftschieneneinheit 11 kann eine extrudierte
Komponente mit einem sich in Längsrichtung
erstreckenden Luftkanal 13 und einem Brennstoffzuführungskanal 14 sein.
Alternativ dazu können
der Luftkanal 13 und/oder der Brennstoffzuführungskanal 14 in
der Form von individuellen länglichen
rohrförmigen
Elementen zur Verfügung
gestellt werden.
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Wie
am besten aus 1 ersehen werden kann, werden
an entsprechenden Stellen Anschlussstücke und geeignete Kanäle zur Verfügung gestellt, die
die Schieneneinheit 11 mit den entsprechenden Luft- und
Brennstoffzuführungen
verbinden: die Luftleitung 49, die den Luftkanal 13 mit
dem Luftkompressor 29 verbindet; die Luftleitung 53,
die einen Luftauslass zur Verfügung
stellt, der Luft in das Luftzufuhrsystem 22 zurückführt; und
eine Brennstoffleitung 52, die den Brennstoffzuführungskanal 14 mit dem
Brennstoffreservoir 28 verbindet und, wie erwünscht, einen
Brennstoffrückführdurchgang
zur Verfügung
stellt. Der Luftkanal 13 steht mit einem geeigneten Luftregler 27 in
Verbindung, welcher den Luftdruck der vom Luftkompressor 29 zur
Verfügung gestellten
Pressluft zum Luftkanal 13 reguliert. Ebenso wird ein Brennstoffregler 26 zur
Verfügung
gestellt, um den Druck des Brennstoffs zu regulieren, der von der
Benzinpumpe 23 bereitgestellt wird.
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Unter
Druck stehende Luft, die vom Luftkompressor
29 bereitgestellt
wird, kann durch Verwendung einer Aufpumpstrategie ergänzt werden,
wie sie in der gleichzeitig anhängigen
PCT Patentanmeldung Nr.
PCT/AU97/00438 des
Antragsteller beschrieben ist. Diese Strategie weist Vorteile auf
in Bezug auf die Reduzierung des Zeitverzugs zwischen dem Beginn
des Motorstarts und bevor zufrieden stellender Betriebsdruck in
dem Luftkanal
13 erreicht werden kann. Weiterhin kann die
Strategie angewen det werden, um die Last des Luftkompressors
29 auf den
Motor
20 zu reduzieren.
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Die
Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 weist
eine Dosierungsdüse 21 auf,
die in Verbindung mit einer Kammer 51 steht, die innerhalb
eines Ventilstamms der Zuführungseinspritzdüse 12 ausgeformt
ist. In einer bestimmten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung führt
die Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 während jedes
Zylinderzyklus und auf Befehl einer elektronischen Steuereinheit (Electronic
Control Unit – ECU) 100 eine
einzelne dosierte Menge des Brennstoffs in einem Brennstoffdosierungsereignis
oder Puls von gesteuerter Dauer über
die Schnittstelle 15 in die Kammer 51 der Zuführungseinspritzdüse 12 zu.
Von der dosierte Menge des Brennstoffs wird angenommen, dass sie
eine Funktion der Öffnungsdauer
der Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 ist.
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Die
Zuführungseinspritzdüse
12 weist
ein Gehäuse
70 mit
einem zylindrischen Zapfen
71 auf, der von einem unteren
Ende davon hervorragt, wobei der Zapfen
71 eine Einspritzöffnung
72 definiert,
die mit einem Durchgang
120 in Verbindung steht, der durch
die Schnittstelle
15 verläuft. Die Einspritzdüse
34 umfasst
ein über
Magnetspule bedientes selektiv zu öffnendes Tellerventil
35,
das auf eine Weise ähnlich
der in dem
US Patent Nr. 4934329 des
Antragstellers beschriebenen arbeitet. Wie am besten aus
1 ersehen
werden kann, verursacht eine Aktivierung der Magnetspule entsprechend
Befehlen von der elektronischen Steuereinheit (ECU)
100,
dass sich das Ventil
35 öffnet, um dem Brennraum
32 des Motors
20 eine
Brennstoff-Gas-Mischung
zuzuführen.
Es ist jedoch nicht beabsichtigt, den Ventilaufbau auf den oben
beschriebenen zu beschränken.
Andere Ventile, wie zum Beispiel Drehbolzenventilanordnungen können stattdessen
eingesetzt sein.
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Die
elektronische Steuereinheit (ECU) 100 empfängt von
geeignet angeordneten Sensoren innerhalb des (nicht gezeigten) Motors
typischerweise Signale, die für
die Geschwindigkeit der Kurbelwelle und den Luftfluss bezeichnend
sind. Die ECU 100, die auch Signale empfangen kann, die
für andere
Betriebsbedingungen des Motors bezeichnend sein können, wie
zum Beispiel die Motortemperatur und die Umgebungstemperatur (nicht
gezeigt), bestimmt aus allen empfangenen Eingangssignalen die Menge des
Brennstoffs, die erforderlich ist, dass sie jedem der Zylinder 60 des
Motors 20 zugeführt
wird. Dieser allgemeine Typ von ECU ist gut bekannt in der Technik
von elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzanordnungen und
wird hierin nicht in weiterem Detail beschrieben werden.
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Die
Dauer der Öffnung
und die Zeitsteuerung für
jede Zuführungseinspritzdüse 12 werden
von der ECU 100 über
ein entsprechendes Kommunikationsmittel 101 in zeitabhängigen Bezug
mit dem Motorzyklus gesteuert, um die Zuführung des Brennstoffs von der
Einspritzöffnung 72 in
einen Brennraum 32 des Motors 20 zu bewirken.
Auf Grund der Merkmale der Anordnung mit zwei Flüssigkeiten wird dem Brennraum 32 des
Motors 20 ein in einem Gas mitgeführter Brennstoff zugeführt. Der
Durchgang 120 steht, wie in 2 gezeigt, über das
Leitungsrohr 80 auch in konstanter Verbindung mit dem Luftkanal 13 und
wird auf diese Weise unter normalen Betriebsbedingungen unter einem
im Wesentlichen konstanten Luftdruck gehalten. Beim Aktivieren der
Magnetspule der Zuführungseinspritzdüse 12 wird
der erwünschte
Anteil der dosierten Menge des durch die Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 in
die Zuführungseinspritzdüse 12 zugeführten Brennstoffs
durch Luft durch die Einspritzöffnung 72 in
den Brennraum 32 von einem Zylinder 60 des Motors 20 getragen.
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Die Öffnungs-
und die Schließdauern
der Brennstoffdosierungs- und
Zuführungseinspritzdüsen 10 und 12 werden
in Bezug auf den Motorzylinderzyklus, zum Beispiel relativ zu dem
Zündungsereignis,
und in Bezug zu einander durch die ECU 100 zeitlich gesteuert.
Diese Zeitsteuerungen entsprechen Brennstoffdosierungs- und Gaseinspeisungsereignissen,
die eine Funktion der Geschwindigkeit und der Lastbedingungen des
Motors 20 sein können
und auf Basis von Versuchen ausgearbeitet werden können. Eine
entsprechende Zündzeitsteuerung
wird typischerweise auch durch Nachschlagetabellen innerhalb der
ECU 100 zur Verfügung
gestellt. Eine Steuerung im Bereich der Kurbelwelle und /oder im
Zeitbereich ist in Hinsicht auf die oben genannten Ereignisse möglich.
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In
einer Ausführungsform
der Steuerungsstrategie einer zweifachen Brennstoffeinspritzanordnung
entsprechend der vorliegenden Erfindung wird der Kammer 51 der
Zuführungseinspritzdüse 12 während jedes
Zylinderzyklus des Motors 20 in einem einzelnen Brennstoffdosierungsereignis
durch die Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 eine einzelner
Puls an Brennstoff zugeführt.
Vielfache Gaseinspeisungsereignisse werden dann so gesteuert, dass
sie während
desselben Zylinderzyklus stattfinden, um den Brennstoff dem Brennraum 32 zuzuführen. Wie
vorstehend erwähnt,
wird die Zeitsteuerung von diesen Ereignissen von der ECU 100 entsprechend
der Geschwindigkeit und den Lastbedingungen des Motors 20 vorgegeben.
Andere Faktoren, wie zum Beispiel die Motortemperatur können ebenfalls
berücksichtigt
werden. Die Zeitsteuerung der Gaseinspeisungsereignisse kann in
Beziehung gesetzt werden mit der Zeitsteuerung der Brennstoffdosierungsereignisse,
um das Ziel einer optimalen Brennstoffverteilung innerhalb des Brennraums 32 bei
der Zündung
zu erreichen.
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In
einem Fall kann die Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 zum
Beispiel früher
als die Zuführungseinspritzdüse 12 öffnen und
einen Brennstoffpuls oder ein Brennstoffdosierungsereignis bewirken, in
dem eine dosierte Menge des Brennstoffs in die Kammer 51 der
Zuführungseinspritzdüse 12 zugeführt wird.
Ein erstes Gaseinspeisungsereignis kontrollierter Dauer kann dann
durch Öffnen
des Ventils 35 der Zuführungseinspritzdüse 12 stattfinden.
Da Luft normalerweise das die Atomisierung und die Verbrennung unterstützende Gas
sein wird, wird hier in der Beschreibung der Begriff „Luftzuführungsereignis" verwendet, um solch
ein Ereignis zu beschreiben. Auf diese Weise wird dem Motorbrennraum 32 in
diesem ersten Luftzuführungsereignis
ein Teil, normalerweise der Großteil
des erforderlichen Brennstoffs zugeführt.
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In
einem Zweitaktmotor kann das erste Luftzuführungsereignis wünschenswerter
Weise zeitlich vor dem Schließen
der Abgasöffnung
gesteuert werden, und es kann erwünscht sein, dass zu diesem Zeitpunkt
mehr als 80% der dosierten Menge des Brennstoffs zugeführt werden.
In einem Viertaktmotor kann das erste Luftzuführungsereignis wünschenswerter
Weise zeitlich gesteuert werden, um zu irgendeinem Zeitpunkt während des
Zuführungshubs stattzufinden.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Öffnung der Zuführungseinspritzdüse
12 nicht
in Folge mit dem Brennstoffdosierungsereignis erfolgen muss. Jedes
der Brennstoffdosierungs- und Luftzuführungsereignisse kann auf jede
erwünschte
Art zeitlich gesteuert werden. In dieser Hinsicht kann ein Überlappen
der Öffnung
der Brennstoffdosierungs- und Zuführungseinspritzdüsen
10 und
12 durchgeführt werden.
Weiterhin kann oft die Zeitbeziehung zwischen der Schließung der
Zuführungseinspritzdüse
12 und
der Zündung
von Bedeutung sein. Eine Zeitsteuerung von einen oder von allen
Ereignissen kann im Zeitbereich oder Kurbelwellenbereich aus geführt werden,
wie zum Beispiel in der ebenfalls anhängigen
Europäischen
Patentanmeldung des Antragstellers mit der Nr. 0852668 beschrieben.
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Das
erste Luftzuführungsereignis
kann gegebenenfalls nicht den ganzen, innerhalb der Kammer 51 der
Zuführungseinspritzdüse 12 vorhandenen Brennstoff
ausstoßen.
Zum Beispiel kann Brennstoff typischerweise einen anhaftenden Überzug auf
den Wänden
der Kammer 51 ausformen (das heißt, ein Hängenbleiben von Brennstoff
tritt auf). Daher kann einige Zeit nach dem ersten Luftzuführungsereignis ein
weiteres Luftzuführungsereignis
durch eine anschließende Öffnung der
Einspritzdüse 34 durchgeführt werden,
um jeglichen Brennstoff in den Brennraum 32 zu spülen, der
nicht durch das erste Luftzuführungsereignis
dorthin zugeführt
wurde. Alternativ dazu, um anstatt oder um auch jeglichen Brennstoff auszuspülen, der
in der Zuführungseinspritzdüse 12 hängen kann,
kann das zweite Luftzuführungsereignis
ausgeführt
werden, um eine typischerweise kleinere, zweite Menge an Brennstoff
in den Brennraum 32 zuzuführen, das während des ersten Luftzuführungsereignisses
nicht zugeführt
wurde (das heißt: die
Differenz zu der Brennstoffmenge, die von der Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 während deren
einzelnen Brennstoffzuführungsereignisses
dosiert wurde). In einem Viertaktmotor kann das zweite Luftzuführungsereignis
typischerweise zeitlich so gesteuert werden, dass es zu einem Zeitpunkt
während des
Kompressionshubs stattfindet.
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Daher
kann die Menge des in jedem diskreten Luftzuführungsereignis in den Brennraum 32 zugeführten Brennstoffs
durch Variation der Öffnungsdauer
der Zuführungseinspritzdüse 12 gesteuert
werden, wie auch deren Zeitsteuerung bei der Öffnung in Bezug auf den Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 und
den Zylinderzyklus. Zum Beispiel kann die Zeitsteuerung der Luftzu führungsereignisse
bei hohen Lasten früher
im Motorbetriebszyklus stattfinden, wodurch eine homogene Ausformung
der Füllung
unter solchen schlechten Bedingungen unterstützt wird. Weiterhin, und wie
vorstehend erwähnt,
können
dem Motor 20 in den separaten ersten und zweiten Luftzuführungsereignissen ähnliche
oder andere geeignete Anteile oder Mengen des Brennstoffs zugeführt werden.
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Wie
vorstehend erwähnt,
können
entsprechend der vorliegenden Erfindung andere Umsetzungen der Strategie
der zweifachen Einspritzung des Einspritzsystems für zwei Flüssigkeiten
angewendet werden. Zum Beispiel können zwei separate Mengen des
in Luft mitgeführten
Brennstoffs dem Brennraum 32 des Motors 20 mit
Hilfe von zwei separaten Brennstoffzufuhrereignissen und zwei entsprechenden
getrennten Luftzuführungsereignissen
zugeführt
werden. Die Brennstoffdosierungs- und Luftzuführungsereignisse können passend
in Bezug auf einander zeitlich gesteuert werden, so dass jede diskrete
dosierte Menge an Brennstoff gefolgt wird von oder überlappt
wird mit einem Luftzuführungsereignis,
um Brennstoff in den Brennraum 32 zuzuführen. Wie in den zuvor beschriebenen
Umsetzungen können
dem Motor 20 im separaten ersten und zweiten Luftzuführungsereignis ähnliche
oder verschiedene Anteile oder Mengen des Brennstoffs zugeführt werden.
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In
einer weiteren alternativen Umsetzung der Strategie der zweifachen
Einspritzung entsprechend der vorliegenden Erfindung, kann ein einzelnes
Luftzuführungsereignis
in Verbindung mit zwei diskretem Brennstoffdosierungsereignissen
durchgeführt
werden als eine andere Art, dem Motor
20 zwei separate Mengen
des Brennstoffs, mitgeführt
in Luft, zuzuführen.
Solch eine Umsetzung wäre
auch dienlich, um andere wünschenswerte Brennstoffflusseffekte
entsprechend der Offenbarung in dem
US
Patent Nr. 4800826 des Antragstellers zu erreichen.
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In
jedem der oben genannten möglichen Modi
der zweifachen Einspritzung durch ein Einspritzsystem für zwei Flüssigkeiten,
wird die erste Menge des in Luft mitgeführten und dem Motor 20 zugeführten Brennstoffs
typischerweise zeitlich früh
genug im Zylinderzyklus gesteuert, um vor der Zündung ein homogen Gemisch zu
erreichen. Vorteilhaft ist das Gemisch fetter als stöchiometrisch.
Im Allgemeinen kann diese erste Menge des Brennstoffs größer sein
als eine dem Motor 20 nachfolgend zugeführte Menge (zum Beispiel: in
einem zweiten Luftzuführungsereignis).
Weiterhin wird die Zuführung
einer zweiten Menge des in Luft mitgeführten und dem Motor 20 zugeführten Brennstoffs
typischerweise zeitlich spät
genug im Zylinderzyklus gesteuert, um kurz vor oder gerade bei der
Zündung
ein lokales, fettes entzündbares
Gemisch um die Zündkerze 24 herum
zu erreichen. Vorteilhaft ist das Gemisch fetter als stöchiometrisch.
Im Allgemeinen ist die zweite Menge des zugeführten Brennstoffs relativ klein
in Bezug auf die Menge des zuerst zugeführten Brennstoffs (zum Beispiel:
in dem ersten Luftzuführungsereignis).
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Um
diese Punkte hervorzuheben, folgt eine Beschreibung der Brennstoffdosierungs-
und Luftzuführungsereignisse,
die in einem einzelnen Zylinderzyklus stattfinden. Diese Beschreibung
wird mit Bezug auf die in 3 gezeigten
graphischen Darstellungen ausgeführt.
Es ist zu beachten, dass sich die 3 auf die
Strategie der zweifachen Einspritzung bezieht, in der ein Brennstoffzuführungsereignis
und zwei Luftzuführungsereignisse
durchgeführt
werden und die gesamte dosierte Brennstoffmenge daher über zwei
Direkteinspritzereignisse zugeführt wird. Die
Beschreibung dient deshalb einem veranschaulichenden, jedoch nicht
eingrenzenden Zweck.
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Die
graphische Darstellung 61 zeigt die Zuführung eines Pulses von Brennstoff
von der Brennstoffeinspritzdüse 10 in
die Kammer 51 der Zuführungseinspritzdüse 12 (das
heißt:
ein einzelnes Brennstoffzuführungsereignis).
Die graphische Darstellung 62 zeigt die Einspritzung dieser
dosierten Menge des Brennstoffs in den Brennraum 32 durch die
Zuführungseinspritzdüse 12 in
zwei separaten Zuführungsereignissen
(das heißt:
zwei Luftzuführungsereignissen).
Die graphische Darstellung 63 zeigt den Zündzeitpunkt
durch das Zündungsmittel 24 relativ
zu der Dosierung des Brennstoffs durch die Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 und
die Zuführung
des in Luft mitgeführten
Brennstoffs durch die Zuführungseinspritzdüse 12.
Jede der graphischen Darstellungen 61, 62 und 63 wird
in Bezug auf die graphische Darstellung 64 gezeigt, die
für einen
einzelnen Zylinderzyklus typisch ist, wie er durch die Zeitdauer
zwischen den zwei Maxima der graphischen Darstellung definiert ist,
die für
die Position des Kolbens 59 in dem Zylinder 60 zum
Zeitpunkt der TDC (Top Dead Center – oberer Totpunkt) Zündung bezeichnend
sind. Die Zeitsteuerungen sind, wie gezeigt, schematisch, für einen
Motor mit Viertaktzyklus angegeben. Daher ist die Zeitdauer zwischen
der Position des Zylinders 59 zum Zeitpunkt des TDC gleich mit
einem Drehwinkel der Kurbelwelle von 720°. Nichtsdestoweniger wären proportional ähnliche Zeitsteuerungen
und Dauern in Bezug auf einen Zweitaktmotor anwendbar, ob mit einem
einzelnen oder vielfachen Zylindern.
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Die
in den graphischen Darstellungen
61,
62 und
63 gezeigten
bestimmten Zeitsteuerungen von jedem Ereignis können von einer Anzahl von Faktoren
abhängig
sein, im Besonderen der Geschwindigkeit und der Last des Motors.
In den Anmerkungen, die fol gen, sind die bezeichnenden Zeitsteuerungen, die
nur auf dem Weg von Beispielen zur Verfügung gestellt werden, typisch
für einen
Motor mit Viertaktzyklus, der bei etwa 3200 U/min läuft. Solche
Zeitsteuerungen (das heißt:
von Beginn und Beendigung eines Ereignisses) können entweder im Bereich des Kurbelwellenwinkels
oder im Zeitbereich oder einer Kombination von beiden festgelegt
werden, wie entsprechend vorherigen bekannten Verfahren bekannt ist.
Zum Beispiel ist eine solche Festlegung in der ebenfalls anstehenden
europäischen Patentanmeldung Nr.
0852668 des Antragstellers beschrieben.
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Wie
aus der graphischen Darstellung 61 ersehen werden kann,
wird die ganze dosierte Menge des Brennstoffs früh im Zylinderzyklus durch die Brennstoffdosierungseinspritzdüse 10 in
die Kammer 51 zugeführt.
Dieses Brennstoffdosierungsereignis kann typischerweise zeitlich
gesteuert werden, um während
des letzteren Teils des Auslasshubs oder während des frühen Teils
des Zuführungshubs
während
des Zylinderzyklus zu beginnen. Nur auf dem Weg des Beispiels kann
das Brennstoffzufuhrereignis zwischen 465° bis 335° BTDC (Zündung) im Zylinderzyklus auftreten.
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Das
erste Luftzuführungsereignis
kann dann typischerweise eingestellt werden, um sofort nach der
Beendigung des Brennstoffzufuhrereignisses stattzufinden und würde daher
als das zweite Luftzuführungsereignis
relativ früher
im Zylinderzyklus stattfinden. Dieses erste Luftzuführungsereignis kann
daher zeitlich gesteuert werden, um während des ersten Teils des
Zuführungshubs
zu beginnen, und würde
typischerweise dazu dienen eine Mehrheit des in die Kammer 51 dosierten
Brennstoffs direkt in den Brennraum 32 zuzuführen. Dies
würde ausreichende
Zeit zur Verfügung
stellen, dass ein relativ mageres homogenes Gemisch vor dem zweiten
Luftzuführungsereignis
und dem an schließenden
Zündungsereignis
in den Brennraum 32 zugeführt wird. Nur auf dem Weg des
Beispiels kann das erste Luftzufuhrereignis zwischen 330° und 270° BTDC (Zündung) im
Zylinderzyklus auftreten.
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Wie
weiterhin in der graphischen Darstellung 62 gezeigt, wird
das zweite Luftzuführungsereignis typischerweise
zeitlich gesteuert, um viel später
in dem Zylinderzyklus stattzufinden, und kann im Allgemeinen während des
Kompressionshubs des Kolbens 59 stattfinden. Im Allgemeinen
wäre das
zweite Luftzuführungsereignis
bedeutend kürzer
in der Dauer als das erste Luftzuführungsereignis und würde ausgeführt, um
den übrigen
Teil der dosierten Menge des Brennstoffs in den Brennraum 32 zuzuführen. Das
zweite Luftzuführungsereignis
kann bewirkt werden, um jeglichen hängengebliebenen Brennstoff aus
der Kammer 51 der Zuführungseinspritzdüse auszuspülen und
wird bewirkt, um kurz vor Zündung eine
fettere, entzündbarere
Luft-/ Brennstoffmischung um die Zündkerze 24 herum zur
Verfügung zu
stellen. Dementsprechend und nur auf dem Weg des Beispiels kann
festgelegt werden, dass das zweite Luftzuführungsereignis zwischen 180° und 155° BTDC (Zündung) stattfindet.
Die Zündung
der Brennstoff-/Luftmischung innerhalb des Brennraums 32 würde dann,
wie in der graphischen Darstellung 63 gezeigt, typischerweise
gerade kurz vor TDC (Zündung)
auftreten und kann, nur auf dem Weg des Beispiels, festgelegt werden,
so dass sie bei etwa 30° BTDC
(Zündung)
auftritt.
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Daher
kann, von der Zeitsteuerung und der Dauer jedes Luftzuführungsereignisses
im Motorbetriebszyklus abhängend,
die Vielzahl von Luftzuführungsereignissen
verwendet werden, um die dosierte Menge des Brennstoffs in vielfache
diskrete Luftzuführungsereignisse
zu unterteilen, wie in der graphischen Darstellung 62 gezeigt.
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Die
ECU 100 kann verwendet werden, um die Zeitsteuerung und
andere Merkmale von jedem der Parameter der Brennstoffdosierung,
Brennstoffeinspritzung und Zündungszeitsteuerung
zu steuern, und dementsprechend kann durch geeignete Zeitsteuerung
bei den Brennstoff- und Gasereignissen eine optimale Brennstoffverteilung
in dem Brennraum 32 des Motors 20 bei der Zündung erreicht
werden oder auf andere Weise, wie erwünscht, entweder in Bezug auf
die Geschwindigkeit des Motors und/oder die Last, oder unabhängig von
diesen Variablen.
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Die
Umsetzung dieser Strategie ermöglicht es,
dass das Verbrennungssystem bei höheren Gas-/Brennstoffverhältnissen
betrieben wird (umfassend eingefangene Reststoffe und Auspuffgaswiederverarbeitung
oder „EGR" (Exhaust Gas Recirculation))
ohne Verbrennungsstabilität
zu opfern, was dann ermöglicht,
dass höhere
Grade von EGR angewendet werden. Die Strategie ist besonders wirkungsvoll
im Bereich von mittleren bis hohen Lasten, die in einigen direkt
eingespritzten Viertaktmotoren typischerweise korrespondieren mit
dem Bereich des Übergangs
von magerer geschichteter Verbrennung zu magerem homogenen Betrieb.
Weiterhin ist eine Verbesserung der Brennstoffwirtschaftlichkeit
möglich,
ohne Motoremissionen durch die Verwendung dieser Strategie zu bewirken,
in erster Linie auf Grund der Möglichkeit
magerer zu betreiben und mit gesteigerten Graden von EGR.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, kann die Strategie der zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff
entsprechend der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um
andere erwünschte Steuerungsstrategien
zu bewirken. Dies ist besonders der Fall für Umsetzungen der Strategie
der zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff, in denen
vielfache Luft versorgungs- oder Lufteinspritzungsereignisse verwendet
werden.
-
Zum
Beispiel und wie vorstehend erwähnt kann
ein zweites Luftzuführungsereignis
spät genug im
Zylinderzyklus des Motorbetriebs stattfinden, so dass die Kammer
51 innerhalb
der Zuführungseinspritzdüse
12 sich
unter einem niedrigeren Druck befindet als der Druck im Zylinder
60,
und es daher ermöglicht
wird, dass Zylindergase in die Kammer
51 fließen. Dies
kann als eine alternative Quelle des unter Druck stehenden Gases
für die
Zuführungseinspritzdüse
12 verwendet
werden, analog zu dem Verfahren, das in der PCT Patentanmeldung
Nr.
PCT/AU97/00438 des
Antragstellers beschrieben ist. Das heißt, nachdem auf dem Weg eines
ersten Luftzuführungsereignisses
ein Teil oder Alles einer dosierten Menge des Brennstoffs dem Motorzylinder
60 zugeführt wurde,
wird das zweite Luftzuführungsereignis
verwendet, um ein unter Druck setzen des Luftkanals
13 zur
Verfügung
zu stellen. Dieses zweite Luftzuführungsereignis kann einzig
verwendet werden, um dieses erwünschte
unter Druck setzen zu bewirken, oder kann auch verwendet werden,
um einen weiteren Teil des Brennstoffs in den Zylinder
60 zuzuführen. In
dieser letzteren Hinsicht würde
der Betrieb der Zuführungseinspritzdüse
12 einfach
zeitlich so gesteuert, dass im Anschluss an die Zuführung einer
weiteren Menge an Brennstoff die Einspritzdüse
34 für eine vorgegebene
Zeitdauer offen gehalten würde
um zu ermöglichen,
dass Gas unter hohem Druck durch die Einspritzöffnung
72 und in den
Luftkanal
13 fließt.
-
Auf
eine ähnliche
Weise kann das zweite oder letztere Luftzuführungsereignis verwendet werden,
um eine Reinigung der Zuführungseinspritzdüse
12 zu
bewirken, wie vorstehend beschrieben. In dieser Hinsicht ist es
zu verstehen, dass die Tempera tur der Zylindergase zu bestimmten
Zeiten ausreichend sein kann, um das Verbrennen von Kohlenstoffablagerungen
zu ermöglichen,
die sich auf der Einspritzdüse
34 und
dem Tellerventil
35 der Zuführungseinspritzdüse
12 ausgeformt
haben können.
Dies dient einem wertvollen Zweck bei der Reinigung der Einspritzdüse
34,
um eine genaue und wiederholbare Zuführung des Brennstoffs zum Brennraum
32 sicher zu
stellen. Dies ist analog zu dem in dem
US Patent Nr. 5195482 des Antragstellers
beschriebenen Verfahren. Solch ein „Säuberungsroutine" kann typischerweise
erreicht werden, wobei das zweite Luftereignis zeitlich gesteuert
wird, um spät
im Zyklus des Motorbetriebs stattzufinden.
-
In
dieser Hinsicht kann ein späteres
Luftzuführungsereignis,
sowohl wie auch dem Zylinder 60 einen Teil des Brennstoffs
zuzuführen,
zeitlich so gesteuert werden, dass das offen Halten der Einspritzöffnung 32,
nachdem der Brennstoff zugeführt
und entzündet
worden ist, ermöglicht,
dass Zylindergase hoher Temperatur über die Einspritzdüse 34 und
das Tellerventil 35 der Zuführungseinspritzdüse 12 fließen und
diese reinigen. Alternativ dazu kann das letztere Luftzuführungsereignis
zeitlich gesteuert werden, um einzig zu ermöglichen, dass eine Säuberungsroutine
bewirkt wird. In diesem Szenario wird die vorgegebene Brennstoffverteilung
im Brennraum durch das erste Luftzuführungsereignis eingerichtet, wobei
das zweite Luftzuführungsereignis
einzig verwendet wird, um zu bewirken, dass eine Säuberungsroutine
ermöglicht
wird. Dementsprechend wird das zweite Luftzuführungsereignis so gesteuert,
dass es zu einem Zeitpunkt im Zylinderzyklus stattfindet, in dem
die Temperaturen und der Druck im Zylinder 60 jene innerhalb
der Zuführungseinspritzdüse 12 übersteigen.
Daher wird solch eine Säuberungsroutine, erreichte
durch Durchführen
des letzteren Luftzuführungsereignisses
entsprechend der Strategie der zwei fachen Einspritzung gemäß der vorliegenden
Erfindung, typischerweise während
des ersten Luftzuführungsereignisses
nach der Zündung
des in den Zylinder 60 zugeführten Brennstoffs auftreten.
-
Noch
weiter können
Umsetzungen der Strategie der zweifachen Einspritzung von flüssigem Brennstoff
entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um bei
der raschen Erwärmung eines
Auspuffgasemissionskatalysators zu unterstützen, der wirkend im Motorauspuffsystem 25 angeordnet
sein kann. Solch eine Strategie teilt einige Ähnlichkeiten mit der in dem
Patent Nr. 5655365 der Vereinigten Staaten des Antragstellers beschriebenen Steuerungsstrategie.
Es ist aus diesem Patent bekannt, dass eine rasche Erwärmung eines
Katalysators, um das „Anspringen" von diesem zu fördern, dadurch
erreicht werden kann, dass dem Katalysator zusätzliche Energie, typischerweise
während
des Anlaufens des Motors, zur Verfügung gestellt wird. Diese zusätzliche
Energie wird typischerweise in der Form von Brennstoff eingebracht,
der bei oder flussaufwärts
von dem Katalysator verbrennt, so dass ein größeres als das normales Maß an Wärmeenergie auf
das Katalysatorsubstrat übertragen
werden kann. Diese zusätzliche
Wärmeenergie
dient typischerweise dazu, die Betriebstemperatur des Katalysators über die
Anspringtemperatur von diesem anzuheben, so dass eine zufrieden
stellende Gasumwandlungseffizienz resultieren kann.
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Dementsprechend
kann dort, wo die Strategie der zweifachen Einspritzung die Verwendung
eines zweiten oder letzteren Luftzuführungsereignisses umfasst,
dieses Luftzuführungsereignis
verwendet werden, um eine größere als
die normale Menge an Brennstoff zum Motor zuzuführen. Zum Beispiel kann das
zweite Luftzuführungsereignis
im Anschluss an ein Zündungsereignis
bewirkt werden und zu einem Zeitpunkt im Zylinderzyklus, in dem
jeglicher Brennstoff, der in einem zweiten Luftzuführungsereignis
zugeführt
wurde, auf Grund des vorherigen Verbrennungsereignisses im Zylinder
und/oder dem Auspuffsystem 25 verbrannt ist. Zum Beispiel kann
das zweite Luftzuführungsereignis
zu einem Zeitpunkt nach der Position im oberen Totpunkt (Top Dead
Center – TDC)
des Kolbens 59 während
des Ausdehnungshubs oder des Auslasshubs bewirkt werden. Die Verwendung
solch einer Steuerungsstrategie ist besonders auf den Motorbetrieb
beim Start anwendbar, ist aber gleichermaßen auf jede Betriebsbedingung
eines Motors anwendbar, in der der Katalysator unterhalb seiner
Anspringtemperatur fallen kann, und zusätzliche Wärmeenergie erforderlich ist,
um die Betriebstemperatur des Katalysators rasch zu steigern.
-
Alternativ
dazu kann der zusätzliche
Brennstoff, der in einem zweiten oder letzteren Gaseinspeisungsereignis
in den Brennraum 32 zugeführt wird, von einem zugehörigen zweiten
verzögerten
Zündungsereignis
im Zylinder 60 und/oder dem Auspuffsystem verbrannt werden.
Während
weiterhin der zusätzliche
Brennstoff, um das Anspringen des Katalysators zu fördern, durch
ein zweites Brennstoffzuführungsereignis
in die Zuführungseinspritzdüse 12 zugeführt werden
kann, kann es manchmal vorteilhaft sein, Brennstoff, der erforderlich
ist, um das Anspringen des Katalysators zu fördern, als Teil eines einzelnen
großen
Brennstoffzuführungsereignisses
zuzuführen.
Diese Menge würde
dann dem Motor 20 über zwei
Luftzuführungsereignisse
zugeführt,
wobei das zweite Luftzuführungsereignis
so gesteuert wird, dass dem Motor die notwendige Menge des Brennstoffs
zugeführt
wird, um das Anspringen des Katalysators zu fördern.
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Während die
Beschreibung des Verfahrens der zweifachen Einspritzung mit Bezug
auf Zeichnungen ausgeführt
worden ist, die einen Viertaktmotor
20 darstellen, kann
das Verfahren auf gleiche Weise in direkt eingespritzten Zweitaktmotoren
durchgeführt werden.
Es ist tatsächlich
möglich,
das Verfahren durch Nachrüsten
geeigneter Brennstoffdosierungs- und Einspritzeinheiten und Steuereinheiten
in Viertakt- oder Zweitaktmotoren von sonst konventioneller Ausführungsform
durchzuführen.
Solch eine Nachrüstung
kann durch Verwendung von Unteranordnungen der Art ausgeführt werden,
wie sie zum Beispiel in der vorläufigen
australischen Patentanmeldung Nr. PP3239 des
Antragstellers offenbart werden.