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Hintergrund
und Kurzdarlegung
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Motoren
können
Aufladevorrichtungen wie Turbolader nutzen, um die Motorleistungsdichte
zu steigern. Somit können
turbogeladene Motoren kleineren Hubraums unter Betrieb bei stationärem Zustand
Leistung erzeugen, die der von Motoren größeren Hubraums entspricht.
Unter dynamischen Fahrbedingungen kann aber der kleinere turbogeladene Motor
eine geringere transiente Leistung als ein größerer Saugmotor aufweisen.
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Wenn
zum Beispiel ein turbogeladener Motor bei niedriger Last arbeitet,
ist die Turbolader-Drehzahl
gering und der Ansaugkrümmerdruck
niedrig. Wird die Motorlast plötzlich
angehoben, kann es zu einer Verzögerung
kommen, bevor die Turboladerdrehzahl steigt und der Ansaugkrümmerdruck
zunimmt. Diese Verzögerung
kann als „Turboloch" bezeichnet werden.
Während
dieser Verzögerung
können
die Motorleistung bzw. Drehmomentabgabe unter dem Sollwert und unter
der bei stationärem
Zustand verfügbaren
Leistung liegen.
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Ein
Ansatz, der versucht, eine Ansaugkrümmerdruckverstärkung mit
minimaler Verzögerung vorzusehen,
wird in der SAE-Schrift 670109, veröffentlicht im Jahr 1967, beschrieben.
Dieses System nutzte Speicherbehälter
zum Speichern von Druckluft bei einem Benzinsaugmotor mit Vergaser.
Bei diesem System wurden bei Betätigen
des Systems die Sollaufladedrücke
schnell erreicht.
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Ein
anderer Ansatz wird in JP 59-99028 beschrieben. Dieses System nutzt
einen Drucklufteinspritzanschluss, der Luft von einem Druckluftbehälter aufnimmt,
wobei der Anschluss in einem Ventilsitz des Einlassventils ausgebildet
war und der Anschluss geöffnet
wird, wenn das Einlassventil geöffnet
wird. Ein Ein-Aus-Ventil wird für
eine festgelegte Zeitdauer vorübergehend
geöffnet,
wenn ein Gaspedal schnell getreten wird. Wenn das Einlassventil
offen ist, wird durch den Ventilsitz Luft zum Ergänzen fehlender
Luft eingespritzt, wozu es bei Treten des Gaspedals vorübergehend
kommt. Wenn im Einzelnen das Gaspedal-Trittsignal einen festgelegten
Wert überschreitet,
wird das Ein-Aus-Ventil von einem Rechner für eine festgelegte Zeitdauer
geöffnet,
die der Pedaltretgeschwindigkeit entspricht. Bei einem solchen System
ist eine Kompensation der Aufladung angeblich unnötig.
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Die
vorliegenden Erfinder haben aber Nachteile bei jedem der vorstehenden
Ansätze
ausgemacht. Bei Verwenden von zum Beispiel der Speicherstrategie
von SAE 670109 wurde nur für
eine begrenzte Dauer Aufladung vorgesehen, da die Speicherbehälter die
einzige Druckluftquelle waren. Weiterhin erforderte das System zwei
Behälter
von jeweils etwa 12 Zoll (30,54 cm) Durchmesser, wodurch es erheblichen
Unterbringungsraum im Fahrzeug erfordert.
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Bei
Verwenden eines Systems wie JP 59-99028 kann zwar dem Motor Druckluft
zugeführt werden,
es scheint aber nicht, dass die Verdichtungsenergie der zugeführten Luft
zum Verstärken
des Luftstroms durch den Haupteinlasskanal genutzt wird. Dies bedeutet,
dass der Druckluftbehälter
groß genug
sein muss, um die gesamte Sollzunahme der Ansaugluftmasse zu liefern.
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Bei
einem Ansatz können
die obigen Nachteile durch ein System für ein sich auf der Fahrbahn fortbewegendes
Fahrzeug überwunden
werden. Das System umfasst: einen Motor mit mindestens einem Zylinder
mit einem Einlassventil, das zum Bedecken und Aufdecken einer Einlassöffnung in
den Zylinder ausgelegt ist, wobei der Zylinder mit einem Ansaugkrümmer verbunden
ist; eine mit dem Motor verbundene Verdichtungsvorrichtung; und
eine Luftzufuhrdüse,
die zum Liefern von Druckluft mittels der Öffnung zu dem Zylinder ausgelegt
ist, wobei die Düse eine
zulaufende-auseinanderlaufende Form aufweist, so dass ausgestoßene Luft
zumindest unter manchen Betriebsbedingungen Überschallgeschwindigkeit hat.
Ferner kann in manchen Ausführungen die
ausgestoßene Luft
mit einem Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit gemischt werden,
wobei der Luftstrom unter der Schallgeschwindigkeit von dem Ansaugkrümmer kommt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
die Verdichtungsvorrichtung zum Ermöglichen reduzierter Luftspeicherung
zu nutzen, während
eine Düse
zum effektiveren Nutzen der verfügbaren
Druckluft eingesetzt wird. Wenn zum Beispiel der Überschall-Luftstrom
mit einem Unterschall-Strom von dem Ansaugkrümmer gemischt wird, wird der
Gesamtmoment der beiden Ströme
kombiniert und erhalten, so dass die Geschwindigkeit des Mischstroms
und folglich der Stagnationsdruck angehoben wird. Somit ist es möglich, Energie
des Druckluftstroms zum Verstärken des
Stroms von dem Ansaugkrümmer
niedrigeren Drucks zu nutzen. Auf diese Weise kann weniger druckbeaufschlagte
Luft zum Erreichen erwünschter Kompensation
verwendet werden, wodurch die Effizienz bei der Verwendung der Druckluft
und des erforderlichen Speicherraums verbessert wird.
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Beschreibung
der Figuren
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Die 1–3 sind
jeweils ein schematisches Diagramm eines Motors;
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4 zeigt
ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Luftspeichersystems,
das bei verschiedenen Arten von Motoren, beispielsweise den in 1–3,
verwendet werden kann;
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5–7 zeigen
beispielhafte Ausführungen
von Ejektorsystemen, die mit dem Speichersystem von 4 verwendet
werden können;
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8–10 zeigen Übersichtsflussdiagramme
eines beispielhaften Motorbetriebs; und
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11 zeigt
eine Kurve, die für
Kraftstoffeinspritzung verfügbare
Zeit zeigt.
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Eingehende Beschreibung
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Wie
vorstehend erwähnt
beschreibt die vorliegende Anmeldung einen Ansatz, der Aufladungskompensation
zur Minderung von Wirkungen von Verdichterverzögerungen, beispielsweise der
als Turboloch bekannten Phänomene,
sowie zur Verbesserung verschiedener anderer Motorbetriebe, beispielsweise
von Motorkaltstarten, bietet. In einem bestimmten Beispiel steht
eine separate Quelle von Druckluft zur Verfügung, die dem Motor (z.B. mittels des
Ansaugkrümmers,
des Einlasskanals oder Zylinderkopfs) während ausgewählten Bedingungen,
beispielsweise als Reaktion auf ein Gasgeben durch den Fahrer, schnell
zugeführt
werden kann, wodurch ein Turboloch reduziert wird. Die zusätzliche
Luft von dem Luftverstärker
dient zum Vorsehen einer schnellen Zunahme der Zylinderfüllung, selbst
wenn der Krümmerdruck
erst durch einen Turbolader erhöht werden
muss. Weiterhin führt
das Einspritzen von Luft höheren
Drucks in die Motorzylinder zu einer nahezu sofortigen Zunahme des
Abgasstroms, was die Funktion des Turboladers verbessert, und kann
somit den Turbolochzeitraum weiter reduzieren. Es ist mit anderen
Worten möglich,
mehr Strom in die Zylinder zu erzeugen, als von einer Druckluftquelle
kommt, doch in einem Beispiel wird diese Verstärkung des Luftstroms nur umgesetzt,
bis der Turbolader die Drehzahl erreicht.
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In
einem Beispiel kann die Druckluftzufuhr stromaufwärts des
Motors zwischen dem Motorluftfilter und dem Ansaugkrümmer, entweder
vor oder nach dem Turbolader, vorgesehen werden. Alternativ könnte die
Druckluft in dem Ansaugkrümmer
oder Zylinderkopf zugeführt
werden. Ferner kann ein Ejektor verwendet werden, um ein Ejektor-Aufladungssystem
zu erzeugen. Ein Ejektor kann zum Beispiel in einen Ventilsitz integriert
werden, um den Betrieb weiter zu verbessern. In einem noch weiteren
Beispiel kann das System bei Direkteinspritz-Benzinmotoren verwendet
werden, um eine verbesserte Steuerung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses
zu erreichen, oder kann zur Verbessern von Motorkaltstarten von
Benzin- oder Dieselmotoren verwendet werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
eine Luftquelle in Kombination mit einer Verdichtungsvorrichtung
zu nutzen, um verbesserten Betrieb bei einem Benzin, Diesel oder
verschiedene andere Kraftstoffarten verwendenden Motor vorzusehen.
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Unter
Bezug nun auf 1 wird ein Verbrennungsmotor 10,
der mehrere Zylinder umfasst, wovon ein Zylinder in 1 gezeigt
wird, durch ein elektronisches Steuergerät 12 gesteuert. Der
Motor 10 umfasst einen Zylinderkopf 46, einen
Brennraum 30 und Zylinderwände 32 mit einem darin
positionierten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen
Kolben 36. Der Brennraum 30 wird mit dem Ansaugkrümmer 44 und
Abgaskrümmer 48 mittels
eines jeweiligen Einlassventils 52 und Auslassventils 54 in
Verbindung stehend gezeigt. Jedes Einlass- und Auslassventil kann
durch eine Nockenwelle betrieben werden oder beide können durch
eine gemeinsame Nockenwelle betrieben werden. Mittels eines hydraulischen
Aktuators kann ein veränderlicher
Ventilsteuerbetrieb verwendet werden. In einer alternativen Ausführung können die
Ventile durch eine elektromechanisch gesteuerte Ventilspulen- und
Ankeranordnung betätigt
werden.
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Der
Zylinder 30 wird ferner mit einem damit verbundenen Direkteinspritzventil 65 zum
Zuführen von
flüssigem
Kraftstoff proportional zur Impulsbreite des Signals FPW des Steuergeräts 12 mittels
einer Kraftstoffeinspritzanlage 87 gezeigt, die eine Hochdruck-Benzinkraftstoffanlage
mit gemeinsamen Verteilerrohr sein kann. Die Kraftstoffanlage 87 kann
einen Kraftstofftank, Hoch- und/oder Niederdruck-Kraftstoffpumpen
und ein (nicht dargestelltes) Kraftstoffverteilerrohr umfassen.
Der Motor 10 von 1 ist so
ausgelegt, dass der Kraftstoff direkt in den Motorzylinder eingespritzt
wird, was dem Fachmann als Direkteinspritzung bekannt ist. Ferner
wird der Ansaugkrümmer 44 mit
einer optionalen elektronischen Drosselklappe 125 kommunizierend
gezeigt.
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Der
Motor 10 wird ferner mit einer Turboladeranlage 130 gekoppelt
gezeigt, die eine beispielhafte Verdichtungsvorrichtung ist, die
verwendet werden kann. Die Turboladeranlage 130 umfasst
einen Verdichter 132 an der Einlassseite und eine Turbine 134 an
der Auslassseite, die mittels einer Welle 136 verbunden
sind. In einer alternativen Ausführung kann
bei Bedarf ein zweistufiger Turbolader verwendet werden. In einer
anderen alternativen Ausführung kann
ein Lader mit einem Verdichter ähnlich
dem von 132 verwendet werden, der mittels der Motorkurbelwelle 40 angetrieben
wird.
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Eine
unbeheizte Lambdasonde 76 (UEGO-Sonde) wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts der
Turbine 134 und einer Schadstoffbegrenzungsvorrichtung 72 verbunden
gezeigt. Die Vorrichtung 70 kann ein NOx-Katalysator, ein SCR-Katalysator
(selektive katalytische Reduktion, vom engl. selective catalytic
reduction), ein Partikelfilter oder Kombinationen derselben sein.
Ein zweite Abgassonde 98 wird stromabwärts des Katalysators 70 mit
der Abgasanlage verbunden gezeigt. Die Temperatur der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
wird durch einen Temperatursensor 77 gemessen und/oder
anhand Betriebsbedingungen wie Motordrehzahl, Last, Lufttemperatur,
Motortemperatur und/oder Luftdurchsatz oder Kombinationen derselben
geschätzt.
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Das
Steuergerät 12 wird
in 1 als herkömmlicher
Mikrocomputer gezeigt, welcher aufweist: einen Mikroprozessor 102,
Input/Output-Ports 104 sowie einen Festspeicher 106,
einen Arbeitsspeicher 108, einen batteriestromgestützten Speicher 110 und
einen herkömmlichen
Datenbus. Das Steuergerät 12 wird
gezeigt, wie es verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen
Sensoren zusätzlich
zu den bereits erläuterten
Signalen empfängt,
einschließlich:
Motorkühlwassertemperatur (ECT)
von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen
Temperatursensor 112; ein mit einem Gaspedal verbundener
Stellungssensor 119; eine Messung des Motorsaugrohrdrucks
(MAP) von einem mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen
Druckfühler 122; eine
Messung (ACT) der Ladelufttemperatur des Motors oder einer Krümmertemperatur
von einem Temperaturfühler 117;
und ein Motorpositionssensor von einem Hallgeber 118, der
die Position der Kurbelwelle 40 erfasst. In einer bevorzugten
Ausgestaltung der vorliegenden Beschreibung erzeugt der Motorpositionssensor 118 eine
vorbestimmte Azahl von Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle, woraus
die Motorzahl (U/min) ermittelt werden kann.
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In
manchen Ausführungen
kann der Motor mit einem Elektromotor/einer Batterieanlage in einem Hybridfahrzeug
verbunden sein. Das Hybridfahrzeug kann eine parallele Konfiguration,
eine Reihenkonfiguration oder Abwandlungen oder Kombinationen derselben
aufweisen.
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Der
Motor 10 weist weiterhin eine Druckluftzufuhranlage zum
Zuführen
von Luft höheren
Drucks zu dem Brennraum auf, wobei ein Beispiel hierfür in dieser
Anmeldung nachstehend unter Bezug auf 4 eingehender
beschrieben wird.
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2 zeigt
eine alternative Ausführung
eines Benzin-Direkteinspritzmotors 11 ähnlich dem von 1.
In dem Beispiel von 2 wird ein Zylinderkopf 46 gezeigt,
der ein damit verbundenes Einspritzventil 66 zum Zuführen flüssigen Kraftstoffs
proportional zur Impulsbreite des Signals FPW vom Steuergerät 12 aufweist.
Durch eine (nicht dargestellte) Kraftstoffanlage, die einen Kraftstofftank,
eine Kraftstoffpumpe und ein (nicht dargestelltes) Verteilerrohr aufweist,
wird dem Einspritzventil 66 Kraftstoff zugeführt. In
einem Beispiel kann eine Niederdruck-Direkteinspritzanlage verwendet
werden, bei der der Kraftstoffdruck auf etwa 20–30 Bar angehoben werden kann.
Alternativ kann eine zweistufige Hochdruck-Kraftstoffanlage zum
Erzeugen höherer
Kraftstoffdrücke
verwendet werden. 2 zeigt ferner eine verteilerlose
Zündanlage 88,
die dem Brennraum 30 mittels einer Zündkerze 92 als Reaktion
auf das Steuergerät 12 einen
Zündfunken
liefert.
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Weiter
mit 2 zeigt diese den Katalysator 72, der
in einem Beispiel mehrere Katalysator-Bricks aufweisen kann. In
einem anderen Beispiel können mehrere
Schadstoffbegrenzungsvorrichtungen, jeweils mit mehreren Bricks,
verwendet werden. Der Katalysator 72 kann in einem Beispiel
ein Dreiwegekatalysator sein.
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Motor 11 weist
ferner ein Druckluftzufuhrsystem zum Zuführen von Luft höheren Drucks
zum Brennraum auf, wofür
ein Beispiel hierin nachstehend unter Bezug auf 4 eingehender
beschrieben wird.
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In
einem noch anderen alternativen Beispiel kann der Motor 9 ein
Benzinmotor mit Kanaleinspritzung sein. Im Einzelnen zeigt 3 eine
noch andere alternative Ausführung
eines Benzinmotors 9 mit Kanaleinspritzung, der dem der 1 und 2 ähnelt. In
dem Beispiel von 3 wird ein Ansaugkanal des Krümmers 44 gezeigt,
der ein damit verbundenes Einspritzventil 66 zum Zuführen von
flüssigem Kraftstoff
proportional zur Impulsbreite des Signals FPW des Steuergeräts 12 aufweist.
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Jeder
der Motoren 9, 10, 11 kann für Straßenfahrzeuge,
Boote, Erdbewegungsgeräte,
Flugzeuge, Generatoren, Pumpen etc. verwendet werden.
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Unter
Bezug nun auf 4 wird ein beispielhaftes Luftspeichersystem 310 beschrieben,
das mit dem Motor 9, 10 oder 11 gekoppelt
sein kann. Im Einzelnen wird Druckluft 312 von einer Hochdruckverdichtungsvorrichtung
(beispielsweise einem (nicht dargestellten) Verdichter) durch ein
Rückschlagventil 314 zu
dem Speicherbehälter 316 dem
System zugeleitet. Das Ventil 314 ermöglicht Strömen in den Behälter 316,
drosselt aber Strömen
von dem Behälter 316 zur
Verdichtungsvorrichtung. Weiter umfasst in einem Beispiel das System 310 auch
ein Steuerventil 318, das vom Steuergerät 12 ein Steuersignal 320 empfängt, zum
Steuern von Luft mittels eines Druckregelventils 324 zu
dem Luftverstärker,
wie bezüglich der
beispielhaften Ausführungen
der 4–6 eingehender
beschrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, dem Motor Luft höheren Drucks
zuzuführen,
selbst wenn ein Turbolader-Druckaufbau
aufgrund von zum Beispiel Turboloch verzögert wird. Ferner ist es durch
Verwenden eines solchen Systems möglich, Druckluft allmählich mit
einem kleineren Verdichter zu speichern, aber immer noch in dem zum
Verhindern eines Turbolochs erforderlichen Maße eine große Strömrate über kürzere Zeitintervalle vorzusehen.
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Der
Speicherdruck in dem Behälter 316 kann abhängig von
der in dem Behälter
gespeicherten Luftmasse variieren, kann aber so hoch wie der Abgabedruck
des Verdichters, der bei 1.500 psi oder höher liegen kann, variieren.
Da der Arbeitszykluseinsatz von Druckluft im Motor aber verglichen
mit dem gesamten Motorbetrieb (z.B. während Turbolochbedingungen
oder Motorstartbedingungen) relativ niedrig sein kann, kann ein
Hochdruckverdichter niedrigen Volumens zum langsamen Laden des Behälters verglichen
mit der während
Gebrauch austretenden Strömrate
verwendet werden.
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Der
Druckregler 324 wird allgemeinen so eingestellt, dass er
einen Druck von etwa 150 psi hält,
so dass dem primären
Düseneinlass
zugeführte
Luft allgemein bei etwa diesem Druck gehalten wird, der erheblich
höher als
der Krümmerdruck
sein kann. Wie hierin nachstehend eingehender beschrieben wird, verwendet
die primäre
Düse dann
diese Druckluft bei etwa 150 psi, zusammen mit Luft im Ansaugkrümmer (dessen
Druck abhängig
vom Zustand des Turboladers, der Motordrehzahl, der Drosselstellung,
etc. variieren kann), um vermehrtes Strömen in den Motorzylinder zu
erzeugen.
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Wie
hierin erwähnt,
kann der Luftverstärker als
Ejektor-Anordnung, Luftejektor, Luftverstärker und Strömverstärkung bezeichnet
werden.
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Unter
Bezug nun auf 5 wird eine erste beispielhafte
Ausführung
zum Zuführen
von Luft höheren
Drucks zu Motor 9, 10 oder 11 beschrieben.
In diesem Beispiel wird der Ansaugkrümmer 44 mit einem
Saugrohr 44a mit einem Kehlenbereich 44b gezeigt,
der zu dem Einlassventil 52 und Zylinder 30 führt, wobei
ein Hochdruckrohr 410 Druckluft zuführt. Im Einzelnen ist das Druckluftrohr 410 in
dem Ansaugkrümmer
angeschlossen und weist eine Überschalldüse 412 auf,
die in jedes Saugrohr (wovon nur eines gezeigt wird) gerichtet ist.
Auf diese Weise dient der Ansaugluftsammler des Krümmers als
Umgebungslufteinlass, das Druckluftrohr 410 dient als primäre Düse, das
Krümmer-Saugrohr dient als
sekundäre
Düse, die
Kehle des Kanals (44b) dient als Mischrohr und der Zylinder
dient schließlich
als Diffusor. Ein solches System kann durch Platzieren einer Düse in jedem
Saugrohr für
jeden Zylinder des Motors erzeugt werden. Auf diese Weise ist es
nicht erforderlich, das gesamte Ansaugluftsammlervolumen mit Druck
zu beaufschlagen, was zu einer schnelleren Zufuhr von Ladedruck
zu den Zylindern und weniger Wärmeverlust
zu den Krümmerwänden für eine weitere
Verbesserung von Motorkaltstart führt.
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Bei
einem beispielhaften Betrieb kann zusätzlich zur Steuerung von Druckluft
mittels des Ventils 318 jede einzelne Düse mit einem Ventil zum Synchronisieren
des Düsenstroms
mit der offenen Stellung des Einlassventils ausgestattet werden.
In einer alternativen Ausführung
können
die mehreren Düsen mittels
eines einzigen Ventils gesteuert werden.
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Unter
Bezug nun auf 6 wird eine zweite beispielhafte
Ausführung
zum Zuführen
von Luft höheren
Drucks zum Motor 9, 10 oder 11 beschrieben. 6 zeigt
im Einzelnen eine Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführung zum
Zuführen
von Luft höheren
Drucks zu einem Motor 9, 10 oder 11.
In diesem Beispiel wird das Saugrohr 44a des Ansaugkrümmers gezeigt,
wie es zu dem Einlassventil 52 führt. Das Ventil 52 sitzt
auf einem einteiligen Ventileinsatz/Sitz 512, der sich
im Zylinderkopf 510 befindet. Der Einsatz 512 umfasst
einen Kanalabschnitt 520 und einen Kopfabschnitt 522.
Der Einsatz 512 umfasst eine ringförmige Überschalldüse 514, die im Einsatz 512 ausgebildet
ist. Die Düse
kann wie in 6 gezeigt eine zulaufendeauseinanderlaufende Form
aufweisen. Mittels eines oder mehrerer Zufuhrrohre 530 kann
der ringförmigen
Düse 514 Druckluft zugeführt werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
eine Überschalldüse in den
Zylinderkopf mit mindestens einer Düse an jedem Zylinder zu integrieren.
Wenn das Einlassventil geschlossen ist, wie in 6 gezeigt wird,
ist der Druckluftauslass durch den Einlassventilkopf blockiert.
Wenn das Einlassventil offen ist, lenkt die in dem Einsatz ausgebildete
auseinanderlaufende Düse
einen Überschallausstoß an dem Ventilkopf
vorbei und in den Zylinder, wodurch ein Ejektor mit einer ringförmigen Überschalldüse gebildet
wird. Somit kann die während
der Zufuhr verbrauchte Menge an Druckluft verringert werden, da Luft
nur während
des Betriebs, bei dem das Einlassventil offen ist, zugeführt wird.
Wenn ferner ein Steuergerät
zum Schätzen
einer mittels der Düse
zugeführten
Luftmenge verwendet wird, kann die Menge basierend auf den Öffnungs-
und Schließzeiten
des Einlassventils sowie auf Zylinderdruck und Druck stromaufwärts (z.B.
Druckluftzufuhr) geschätzt
werden. Bei veränderlichen
Ventilsteuerzeiten sowohl des Einlass- und/oder Auslassventils kann
zum Beispiel eine Veränderung
der Ventilsteuerzeiten die Menge der zugeführten Druckluft beeinflussen,
wie zum Beispiel in den Systemen der 6–7.
Daher kann das Steuergerät
Routinen zum Schätzen
einer Druckluftmenge umfassen, die eine Veränderung der Ventilöffnungs- und/oder Ventilschließsteuerzeiten
berücksichtigt.
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Zurück zum Aufbau
von 6 ist es durch Verwenden eines einteiligen Einsatzes
möglich,
eine Überschalldüse mit einer
verringerten Anzahl an Teilen vorzusehen und eine verbesserte Steuerbarkeit der
Maße vorzusehen,
was verbessertes Spiel ermöglicht.
Weiterhin können
strukturelle Brücken 524 (siehe 6A)
in der ringförmigen
Düse integriert werden,
um die Kanal- und Kopfabschnitte aneinander zu befestigen und die
Einbaukräfte
und den Aufprall beim Schließen
des Einlassventils in den Kopf zu verlegen. Die Brücken können Unterbrechungen in
der ringförmigen
Auslegung der Düse
verursachen, sollten aber keine wesentliche Funktionsverschlechterung
bewirken. Die Brücke
kann zum Beispiel mit einer Länge
(in Strömrichtung)
ausgelegt werden, die länger
als eine Breite ist, wodurch eine erwünschte bauliche Festigkeit
vorgesehen wird, während
Aufprall bei Strömen
reduziert wird.
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Unter
Bezug nun auf 7 wird eine Schnittansicht einer
dritten beispielhaften Ausführung
zum Zuführen
von Luft höheren
Drucks zu Motor 9, 10 oder 11 beschrieben.
In diesem Beispiel wird das Saugrohr 44a des Ansaugkrümmers gezeigt,
das zu dem Einlassventil 52 führt. Das Ventil 52 sitzt
auf einem zweitteiligen Ventileinsatz/Sitz 612, der sich
im Zylinderkopf 610 befindet. Der Einsatz 612 umfasst ein
Kanalstück
(Einsatz) 620 und ein Kopfstück (Sitz) 622. Der
Einsatz 612 bildet somit eine in dem Einsatz 612 ausgebildete
ringförmige Überschalldüse 614. Mittels
eines oder mehrerer Zufuhrrohre 624 kann der ringförmigen Düse 614 Druckluft
zugeführt
werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
eine Überschalldüse in den
Zylinderkopf mit mindestens einer Düse an jedem Zylinder zu integrieren.
Wenn das Einlassventil geschlossen ist, wie in 7 gezeigt wird,
ist der Druckluftauslass durch den Einlassventilkopf blockiert.
Wenn das Einlassventil offen ist, lenkt die zwischen den beiden
Einsätzen
ausgebildete auseinanderlaufende Düse einen Überschallausstoß an dem
Ventilkopf vorbei und in den Zylinder, wodurch ein Ejektor mit einer
ringförmigen Überschalldüse gebildet
wird. Somit kann die während
der Zufuhr verbrauchte Menge an Druckluft verringert werden, da
Luft nur während
des Betriebs, bei dem das Einlassventil offen ist, zugeführt wird.
Wenn ferner ein Steuergerät
zum Schätzen
einer mittels der Düse
zugeführten
Luftmenge verwendet wird, kann die Menge basierend auf den Öffnungs- und Schließzeiten
des Einlassventils sowie auf Zylinderdruck und Druck stromaufwärts (z.B.
Druckluftzufuhr) geschätzt werden.
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Unter
Bezug nun auf 8 wird eine erste beispielhafte
Ausführung
einer Routine zum Steuern von Motorbetrieb zum Reduzieren eines
Turbolochs beschrieben. In diesem Beispiel, das ein Diesel- oder Benzinmotor
sein kann, ermittelt die Routine zunächst bei 710 die Motorbetriebsbedingungen,
beispielsweise Motordrehzahl, Motorlast, Drosselstellung, Motorsaugrohrdruck,
Motortemperatur, Speicherdruck von Behälter 316, Temperatur
von Behälter 316,
Drehzahl von Turbine/Verdichter usw.
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Dann
ermittelt die Routine bei 712, ob ein Gaspedaltreten unter
Bedingungen erfolgt ist, bei denen ein Turboloch vorliegen kann.
Dies kann zum Beispiel während
niedrigerer Drehzahlbedingungen der Turbine oder Luftdurchsatzbedingungen
niedriger Masse eintreten. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 714,
um zu ermitteln, ob Druckluft verfügbar ist, zum Beispiel als
Reaktion auf Druck im Behälter 316. Ferner
kann Bedarf nach zusätzlicher
Druckluft auch auf anderen Hinweisen beruhen, beispielsweise einem
Sollmotordrehmoment, einem vom Fahrer geforderten Drehmoment, etc.
Zusätzlich
oder in einer Alternative kann auch ein Hinweis erzeugt werden, dass
zusätzliche
Druckluft während
Motorkaltstartens erwünscht
ist. Zum Beispiel kann ein Verstärken von
Zylindereinlassdruck zu höheren
Verdichtungstemperaturen im Brennraum führen und zur Verbesserung von
Verbrennung bei Motorkaltstarts führen, insbesondere bei einem
Dieselmotor. Es kann eine separate Aufladesteuerstrategie eingesetzt
werden, um das Kaltstarten von Dieselmotoren zu optimieren, zum
Beispiel Ermitteln einer Menge verstärkten Luftstroms, die basierend
auf Lufttemperatur, Atmosphärendruck,
Kühlmitteltemperatur,
etc. zu erzeugen ist.
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Wenn
Druckluft zur Verfügung
steht, geht die Routine weiter zu 716, um eine hinzuzufügende Druckluftmenge
und/oder eine Dauer der Druckluftzugabe zu ermitteln. Zum Beispiel
kann es unter manchen Bedingungen vorteilhaft sein, für eine erste Anzahl
an Verbrennungsvorgängen
oder bis zum Erreichen einer ausgewählten Turbinendrehzahl Druckluft
zu liefern, während
es unter anderen Bedingungen vorteilhaft sein kann, über eine
längere
Dauer oder eine größere Anzahl
an Verbrennungsvorgängen
oder bis zu einer höheren
Turbinendrehzahl Druckluft zu liefern. Weiterhin aktiviert die Routine das
Ventil 320, um dem Ejektorsystem Druckluft verfügbar zu
machen.
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Als
Nächstes
ermittelt die Routine bei 720, ob die Dauer (oder ein anderes
Maß) von 716 verstrichen
ist, wodurch angezeigt wird, dass eine weitere Luftzufuhr nicht
mehr erforderlich ist. Wenn ja, geht die Routine weiter zu 718,
um die Druckluftzugabe zu deaktivieren, z.B. durch Deaktivieren
des Ventils 320. Ansonsten geht die Routine weiter zu 722,
um den Motorzylindern Druckluft zuzugeben. Die Routine kann zum
Beispiel zusätzliche
Ventile (falls vorhanden) steuern, um die Steuerzeiten der Druckluftzugabe
zu steuern, oder kann ein Ventileinsatz-Ejektorsystem nutzen, wie
es hierin beschrieben wird.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
zusätzliche Luft
zuzuführen,
wenn diese zum Ausgleichen des Turbolochs erforderlich ist. Weiterhin
kann der Ejektor nur für
die Dauer eines Turbolochzeitraums verwendet werden, wodurch die
Größe des erforderlichen
Druckluftspeichers reduziert wird.
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Es
versteht sich, dass während
des Zeitraums der Lufteinspritzung bei 722, bevor ein Verstreichen
der bei 716 berechneten Solldauer der Einspritzung bei 720 ermittelt
wird, die Betriebsbedingungen und der Gaspedalbetätigungszustand
bei 710 und 712 ständig überwacht werden. Wenn eine Änderung
von Bedingungen vorliegt, beispielsweise bei „Meinungsänderung" des Fahrers, wobei die Drosselklappe
schnell geschlossen wird, wird eine neue Berechnung der Solldauer
zu 720 geschickt, um eine frühere Entscheidung möglicherweise
aufzuheben.
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Unter
Bezug nun auf 9 wird eine zweite beispielhafte
Ausführung
einer Routine zum Steuern von Motorbetrieb zum Reduzieren eines
Turbolochs beschrieben. In diesem Beispiel, das ein Diesel- oder Benzinmotor
sein kann, ermittelt die Routine zunächst bei 810 Motorbetriebsbedingungen,
beispielsweise Motordrehzahl, Motorlast, Drosselstellung, Saugrohrdruck
des Ansaugkrümmers,
Motortemperatur, Speicherdruck des Behälters 316, Temperatur von
Behälter 316,
Turbinen-/Verdichterdrehzahl usw. Dann ermittelt die Routine bei 812,
ob ein Pedalbetätigungszustand
oder anderer Zustand, der auf ein mögliches Turboloch hinweist,
oder eine Druckluftforderung vorliegt. Zum Beispiel kann Druckluft
bei der Kaltstartleistung hilfreich sein, vor allem bei einem Dieselmotor.
Wie ferner bezüglich 812 erläutert wurde,
können
auch andere Parameter und Faktoren verwendet werden. Wenn die Antwort
auf 812 ja lautet, geht die Routine weiter zu 814,
um eine Menge und/oder Dauer von Druckluftzugabe als Reaktion auf
Betriebsbedingungen, beispielsweise der bei 810 ermittelten,
zu ermitteln. Dann gibt die Routine bei 816 die extra Luft
zu den Zylindern ab, wie vorstehend bezüglich 8 erläutert wurde.
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Dann
ermittelt die Routine eine Kraftstoffmengenanpassung basierend auf
der Zugabe von Druckluft. Weiterhin kann die Routine auch eine Einspritzsteuerzeitverstellung
ermitteln, da bei Zugabe von Druckluft andere Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten als
bei der Einspritzsteuerung ohne Druckluft verwendet werden können. In
dem Beispiel eines Benzinmotors, bei dem ein Kraftstoff-/Luftverhältnis auf einen
Sollwert gesteuert wird, beispielsweise um die Stöchiometrie,
kann die Routine eine Kraftstoffanpassungsmenge ermitteln, um der
zusätzlichen
Luft aufgrund der Druckluftzugabe zu entsprechen und dadurch ein
Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis
beizubehalten.
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Als
Nächstes
ermittelt die Routine bei 820, ob eine Mehrfacheinspritzung
verwendet werden kann, die auf Druckluftzugabe oder anderen Betriebsbedingungen
beruhen kann. Die Verwendung von mehreren Einspritzungen kann verwendet
werden, um eine schnellere Kraftstoffeinspritzung später im Ansaugtakt
vorzusehen, statt darauf zu warten, dass spätere Zylinderkraftstoffversorgungsvorgänge der
zugegebenen Luft entsprechen. Wenn die Antwort auf 820 ja
lautet, geht die Routine weiter zu 822, um die relative
Kraftstoffmenge und Steuerzeiten zwischen den mehreren Einspritzvorgängen zu
wählen.
Dann liefert die Routine bei 824 die Sollkraftstoffeinspritzung
(oder -einspritzungen) bei der gewählten Steuerzeit (bzw. Steuerzeiten).
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Auf
diese Weise ist es möglich,
Kraftstoffeinspritzmengen und/oder Steuerzeiten mit der Druckluftzugabe
zu koordinieren, um die Wirkungen eines Turbolochs zu reduzieren,
während
das Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis
beibehalten wird.
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Anzumerken
ist, dass die Routine die zuzugebende Druckluftmenge basierend auf
verschiedenen Faktoren ermitteln kann, beispielsweise Krümmerdruck,
Druck im Behälter 316,
Einlassventilsteuerung usw. Zusätzlich
oder alternativ kann die Routine Drucksensoren oder einen Luftmengenmesser
verwenden, um die Luftmenge aus dem Ejektorsystem zu messen.
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Unter
Bezug nun auf 10 wird eine Routine zum Steuern
von Druck der den Ejektoranordnungen gelieferten Druckluft beschrieben.
Die Routine liest zunächst
bei 910 Betriebsbedingungen wie Temperatur, Krümmerdruck,
etc. und ermittelt dann einen Sollzufuhrdruck bei 912,
der auf den Betriebsbedingungen von 910 beruht. Dann passt
die Routine einen Parameter an, beispielsweise ein verstellbares Druckregelventil,
um den Sollzufuhrdruck zu erreichen. Auf diese Weise kann unter
Bedingungen, bei denen ein höherer
Ejektorstrom erwünscht
ist oder bei denen die Ventilöffnungszeit
verkürzt
ist, ein höherer
Druck geliefert werden.
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Zu
beachten ist, dass es Bedingungen geben kann, bei denen es möglich sein
könnte,
mittels der Ejektoranordnung zusätzliche
Luft zuzugeben, es aber nicht möglich
ist, entsprechenden zusätzlichen Kraftstoff
vorzusehen. Unter solchen Bedingungen kann die Zufuhr der zusätzlichen
Luft verzögert
werden, bis auch entsprechender Kraftstoff geliefert werden kann,
beispielsweise unter Stöchiometriesteuerung
bei Benzinmotoren.
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Unter
Bezug nun auf 11 zeigt eine Kurve den vorteilhaften
Betrieb der Verwendung von Kraftstoffdirekteinspritzung mit einem
Ejektorkompensationssystem, wie es hierin vorstehend beschrieben wurde.
Im Einzelnen zeigt die Kurve den zusätzlichen Intervall (von x1
bis x2), der zum Vorsehen einer extra Kraftstoffeinspritzung zum
Ausgleichen der zusätzlichen
Luft des Ejektors bei einer Direkteinspritzanlage verglichen mit
einer Kanaleinspritzanlage mit Einspritzung bei geschlossenem Ventil
zur Verfügung steht.
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Zum
Beispiel kann es unter Annahme eines Gaspedaltretens an dem festgelegten
Punkt bei Verwenden von Kanal-Kraftstoffeinspritzung nicht erwünscht sein,
die Druckluft für
den anstehenden Zylinder zuzugeben, dessen Ventilsteuerzeit gezeigt wird (da
die Einspritzung von zusätzlichem
Kraftstoff auch eine gewisse Zeitdauer erfordert). Wenn aber eine
Kraftstoff-Direkteinspritzung verwendet wird und zum Beispiel die
Dauer der Kraftstoffeinspritzung verlängert wird (oder eine zweite
Einspritzung verwendet wird), kann es immer noch möglich sein,
die Kraftstoffeinspritzung für
die zusätzliche
Luft auszugleichen, und somit können
die zusätzliche
Luft und der zusätzliche
Kraftstoff für
den gezeigten Zylinder vorgesehen werden. Ein solcher Betrieb kann
eine schnellere Reaktion auf Fahrerintervention ermöglichen,
während
immer noch ein erwünschtes
Kraftstoff-/Luftverhältnis
der Verbrennung beibehalten wird. Auf diese Weise ist es immer noch
möglich,
den Kraftstoff und die Luft eines bald zu zündenden Zylinders anzupassen,
selbst wenn eine unerwartete Fahrerintervention erfolgt.
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Es
versteht sich, dass die hierin offenbarten Prozesse beispielhafter
Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend zu betrachten
sind, da zahlreiche Veränderungen
möglich
sind. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen
und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der
verschiedenen Nockenwellen- und/oder Ventilsteuerzeiten, Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten
und sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin
offenbart werden.
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Ferner
können
die hierin offenbarten Konzepte auf duale Kraftstoffmotoren angewendet
werden, die verschiedene Arten von gasförmigen Kraftstoffen und flüssigen Kraftstoffen
verbrennen können.
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Als
noch weiteres Beispiel kann die bestimmte Anordnung von Sensormessungen
verändert und/oder
abgewandelt werden. Zum Beispiel kann ACT vor einem Turboladerverdichter
gemessen werden und MAP nach dem Verdichter gemessen werden. Solche
Mess-Stellen können
besonders vorteilhaft sein, da der MAP bei einem gewissen Betrieb des
Zylinders/der Zylinder einflussreicher als der Druck stromabwärts sein
kann und der ACT-Sensor eine Zeitverzögerung haben kann, die ihn
während Transienten
unpräzis
machen würde,
bei denen der Ladedruck und die resultierende Temperatur sich schnell ändern. Somit
kann das Platzieren des ACT-Sensors vor dem Verdichter stabiler
bleiben.
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In
einer anderen Ausführung
kann eine Strategie der Zündverstellung
in Richtung früh
bei einem Benzinmotor angepasst werden, um Druckluftzufuhr zu berücksichtigen.
Zum Beispiel kann das Steuergerät
während
Ejektorfunktion eine Zündverstellung
in Richtung früh
in einer zumindest teilweise rückführungslosen
Weise anpassen, um schnelle transiente Bedingungen zu bewältigen,
da Sensorzeitverzögerungen
erheblich sein können.
Auf diese Weise kann während
der Zufuhr ein andernfalls mögliches
Motorklopfen reduziert oder vermieden werden, wodurch eine verbesserte
Leistung erreicht wird.
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Die
folgenden Ansprüche
heben insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen
hervor, die als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden.
Diese Ansprüche
können
auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung
desselben verweisen. Diese Ansprüche
sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer
solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente
weder fordern noch ausschließen.
Andere Kombinationen und Unterkombinationen der Einspritz- und Temperaturverfahren,
-prozesse, -vorrichtungen sowie andere Merkmale, Funktionen, Elemente
und/oder Eigenschaften können
durch Abänderung
der vorliegenden Ansprüche
oder durch Vorlage neuer Ansprüche
in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche
Ansprüche
werden, ob sie nun gegenüber
dem Schutzumfang der ursprünglichen
Ansprüche
breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als
im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.