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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Zündsystem und insbesondere auf ein Zündsystem mit Zusatzenergie und magerer Vorkammerverbrennung.
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Hintergrund
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Kraftmaschinen, umfassend Dieselkraftmaschinen, Benzinkraftmaschinen, gasbetriebene Kraftmaschinen und andere bekannte Kraftmaschinen, zünden ein Luft-Kraftstoffgemisch zum Erzeugen von Wärme oder ermöglichen, dass das Luft-Kraftstoffgemisch Wärme erzeugt. In einem Beispiel kann in eine Verbrennungskammer der Kraftmaschine geleiteter Kraftstoff durch eine Zündkerze gezündet werden. Die Wärme und sich ausdehnenden Gase, die aus diesem Verbrennungsvorgang resultieren, werden zum Verschieben eines Kolbens oder zum Bewegen einer Turbinenschaufel geleitet, die beide mit einer Kurbelwelle der Kraftmaschine verbunden sein können. Wenn der Kolben verschoben oder die Turbinenschaufel bewegt wird, wird die Kurbelwelle dazu gebracht, sich zu drehen. Diese Drehung wird dann zum Antreiben einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Getriebe oder einem Generator, zum Antreiben eines Fahrzeugs oder zum Erzeugen von elektrischer Leistung verwendet.
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Während des oben beschriebenen Betriebs der Kraftmaschine wird eine komplexe Mischung von Luftschadstoffen als ein Nebenprodukt des Verbrennungsprozesses erzeugt. Diese Luftschadstoffe bestehen aus festen Partikeln bzw. Schwebeteilchen und gasförmigen Komponenten, umfassend Stickoxide (NOx). Aufgrund der gesteigerten Aufmerksamkeit gegenüber der Umwelt sind Abgasemissionsstandards strenger geworden und die Menge an Festpartikeln und gasförmigen Bestandteilen, die in die Atmosphäre von einer Kraftmaschine abgegeben werden, ist in Abhängigkeit von dem Typ der Kraftmaschine, der Größe der Kraftmaschine und/oder der Klasse der Kraftmaschine reguliert.
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Ein Verfahren, das von Kraftmaschinenherstellern zum Verringern der Erzeugung dieser Schadstoffe implementiert wurde, ist es, ein mageres Luft-Kraftstoffgemisch in die Verbrennungskammern der Kraftmaschine einzuleiten. Dieses magere Gemisch brennt bei einer relativ niedrigeren Temperatur, wenn es gezündet wird. Die verringerte Verbrennungstemperatur verlangsamt die chemische Reaktion des Verbrennungsvorgangs, wodurch die Bildung von regulierten Emissionsbestandteilen verringert wird. Da Emissionsregulierungen strenger werden, werden immer magere Gemische eingesetzt.
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Auch wenn sehr magere Luft-Kraftstoffgemische erfolgreich beim Verringern von Emissionen sind, sind sie schwierig zu zünden. D.h., der Einpunktbogen von einer herkömmlichen Zündkerze kann zum Auslösen und/oder Halten einer Verbrennung eines Gemischs, das wenig Kraftstoff (verglichen mit der Menge von vorliegender Luft) aufweist, ungenügend sein. Als eine Folge kann die Emissionsverringerung, die bei einer typischen funkengezündeten, in einem mageren Modus betriebenen Kraftmaschine möglich ist, beschränkt sein.
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Ein Ansatz zum Verbessern der Verbrennungsauslösung eines mageren Luft-/Kraftstoffgemischs ist in dem am 31. Januar 2012 erteilten
US-Patent mit der Nummer 8,104,444 von Schultz beschrieben (das ‘444-Patent). Das ‘444-Patent offenbart einen Zünder mit einem Körper und einer Vorkammer, die integral mit dem Körper ausgebildet ist und mindestens eine Öffnung aufweist. Der Zünder weist auch mindestens eine der Vorkammer zugeordnete Elektrode auf. Die mindestens eine Elektrode ist dazu ausgebildet, eine hochfrequente elektromagnetische Energie (RF-Energie) zum Verringern einer Zünddurchbruchspannungsanforderung (Zünddurchschlagsspannungsanforderung) eines Luft-Kraftstoffgemischs in die Vorkammer zu leiten. Die mindestens eine Elektrode ist auch dazu ausgebildet, einen Bogen zu erzeugen, der sich zu einer Innenwand der Vorkammer erstreckt und das Luft-Kraftstoffgemisch zündet. Die Verwendung der RF-Energie kann eine Verbrennung eines mageren Luft-/Kraftstoffgemischs in einer Hauptverbrennungskammer ermöglichen bzw. erleichtern.
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Obwohl der Zünder des
‘444 -Patents dabei hilft, eine gleichförmigere und zuverlässigere Verbrennung vorzusehen, sind noch weitere Verbesserungen möglich. Im Einzelnen könnten das Luft-/Kraftstoffgemisch in der Vorkammer des ‘444-Patents magerer sein, was die Bildung von regulierten Emissionsbestandteilen weiter verringern würde.
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Das offenbarte Zündsystem ist auf das Überwinden einer oder mehrerer der oben dargelegten Probleme und/oder anderer Probleme im Stand der Technik gerichtet.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Zündsystem für eine Kraftmaschine gerichtet. Das Zündsystem kann eine Vorkammer in Fluidverbindung mit einer Verbrennungskammer, die der Kraftmaschine zugeordnet ist, und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Kraftstoffgemisch direkt in die Vorkammer einzuspritzen, aufweisen. Das Zündsystem kann auch eine Zündkerze, die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoffgemisch in der Vorkammer zu zünden, und eine Steuerung, die in Verbindung mit einer Primärenergieversorgung und einer Zusatzenergieversorgung steht, aufweisen. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, einen ersten Strom von der Zusatzenergieversorgung zu der Zündkerze zu leiten, nachdem das Kraftstoffgemisch in die Vorkammer eingespritzt wurde. Die Steuerung kann auch dazu ausgebildet sein, einen zweiten Strom von der Primärenergiequelle zu der Zündkerze zu leiten. Der zweite Strom kann eine Frequenz aufweisen, die kleiner als die des ersten Stroms ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Auslösen einer Verbrennung in einer Kraftmaschine gerichtet. Das Verfahren kann das Einspritzen eines ersten Kraftstoffgemischs direkt in eine Vorkammer, die der Kraftmaschine zugeordnet ist, aufweisen. Das Verfahren kann auch das Leiten eines ersten Stroms von einer Zusatzenergieversorgung zu einer Zündkerze, die der Vorkammer zugeordnet ist, und das Leiten eines zweiten Stroms von einer Primärenergieversorgung zu der Zündkerze aufweisen. Der zweite Strom kann eine Frequenz aufweisen, die kleiner als die des ersten Stroms ist. Das Verfahren kann ferner das Zünden des ersten Kraftstoffgemischs in der Vorkammer aufweisen. Das Verfahren kann ferner das Einspritzen eines zweiten Kraftstoffgemischs in eine Hauptverbrennungskammer, die der Kraftmaschine zugeordnet ist, und das Zünden des zweiten Kraftstoffgemischs in der Hauptverbrennungskammer aufweisen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaft offenbarten Kraftmaschine, und
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaft offenbartes Verfahren darstellt, das von der Kraftmaschine von 1 ausgeführt werden kann.
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Ausführliche Beschreibung
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1 stellt eine beispielhafte Verbrennungskraftmaschine 10 dar. Für die Zwecke dieser Offenbarung ist die Kraftmaschine 10 als eine gaskraftstoffbetriebene Viertaktkraftmaschine, zum Beispiel eine Erdgaskraftmaschine, dargestellt und beschrieben. Fachleute werden allerdings erkennen, dass die Kraftmaschine 10 jeglicher andere Typ von Verbrennungskraftmaschine sein kann, zum Beispiel eine benzinbetriebene Kraftmaschine oder eine Zweikraftstoffkraftmaschine (zum Beispiel eine erdgas- und dieselbetriebene Kraftmaschine). Die Kraftmaschine 10 kann einen Kraftmaschinenkörper 12, der mindestens teilweise einen oder mehrere Zylinder 14 definiert (nur einer ist in 1 gezeigt), aufweisen. Ein Kolben 16 kann verschiebbar in jedem Zylinder 14 zum Hin- und Herbewegen zwischen einer oberen Totpunktposition (TDC) und einer unteren Totpunktposition (BDC) vorgesehen sein, und ein Zylinderkopf 18 kann jedem Zylinder 14 zugeordnet sein. Der Zylinder 14, der Kolben 16 und der Zylinderkopf 18 können zusammen eine Verbrennungskammer 20 definieren. Es wird in Betracht gezogen, dass die Kraftmaschine 10 jegliche Anzahl an Verbrennungskammern 20 aufweisen kann, und dass die Verbrennungskammern 20 in einer Reihenkonfiguration, in einer V-Konfiguration, in einer „gegenüberliegende Kolben“-Konfiguration oder in jeglicher anderen geeigneten Konfiguration vorgesehen sein können.
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Die Kraftmaschine 10 kann auch eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) aufweisen, die drehbar in dem Kraftmaschinenkörper (Kraftmaschinenblock) 12 vorgesehen ist. Ein Pleuel 24 kann jeden Kolben 16 mit der Kurbelwelle verbinden, sodass eine Verschiebebewegung bzw. Gleitbewegung des Kolbens 16 zwischen der TDC-Position und der BDC-Position in jedem jeweiligen Zylinder 14 zu einer Drehung der Kurbelwelle führt. Gleichermaßen kann eine Drehung der Kurbelwelle zu einer Verschiebebewegung des Kolbens 16 zwischen der TDC-Position und der BDC-Position führen. In einer Viertaktkraftmaschine kann sich der Kolben 16 zwischen der TDC-Position und der BDC-Position während eines Einlasstaktes, eines Verdichtungstaktes, eines Verbrennungs- oder Arbeitstaktes und eines Auslasstaktes bewegen. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass die Kraftmaschine 10 alternativ eine Zweitaktkraftmaschine sein kann, bei der ein vollständiger Zyklus einen Verdichtungs-/Auslasstakt (BDC zu TDC) und einen Arbeits-/Auslass-/Einlasstakt (TDC zu BDC) aufweist.
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Der Zylinderkopf 18 kann einen Einlassdurchgang (Einlasskanal) 26 und ein Auslass- bzw. Abgasdurchgang(-kanal) 28 definieren. Der Einlassdurchgang 26 kann verdichtete Luft oder ein Luft-/Kraftstoffgemisch aus einer Einlasssammelleitung 30 durch eine Einlassöffnung 32 in die Verbrennungskammer 20 leiten. Der Auslassdurchgang 28 kann gleichermaßen Abgase von der Verbrennungskammer 20 durch eine Auslassöffnung 34 in eine Auslasssammelleitung 36 leiten. In einigen Ausführungsformen kann ein Turbolader (nicht gezeigt) von dem die Sammelleitung 36 verlassenden Abgas zum Verdichten der in die Sammelleitung 30 eintretenden Luft angetrieben werden.
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Ein Einlassventil 38 mit einem Ventilelement 40 kann in der Einlassöffnung 32 vorgesehen und dazu ausgebildet sein, selektiv bzw. wahlweise mit einem Sitz 42 in Eingriff zu sein. Das Einlassventil 38 kann zwischen einer ersten Position, in der das Ventilelement 40 mit dem Sitz 42 zum Verhindern eines Fluidflusses relativ zu der Einlassöffnung 32 in Eingriff ist bzw. diesen berührt, und einer zweiten Position, in der das Ventilelement 40 von dem Sitz 42 zum Ermöglichen des Fluidflusses entfernt ist, bewegbar sein.
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Ein Auslassventil (Abgasventil) 44 mit einem Ventilelement 46 kann gleichermaßen in der Auslassöffnung 34 vorgesehen und dazu ausgebildet sein, selektiv in Eingriff mit einem Sitz 48 zu sein. Das Ventilelement 46 kann zwischen einer ersten Position, in der das Ventilelement 46 mit dem Sitz 48 zum Verhindern eines Fluidflusses relativ zu der Auslassöffnung 34 in Eingriff ist bzw. diesen berührt, und einer zweiten Position, in der das Ventilelement 46 von dem Sitz 48 zum Ermöglichen des Fluidflusses entfernt ist, bewegbar sein.
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Eine Reihe von Ventilbetätigungsbaugruppen (nicht gezeigt) kann in Betriebsverbindung mit der Kraftmaschine 10 zum Bewegen der Ventilelemente 40 und 46 zwischen der ersten und zweiten Position sein. Es versteht sich, dass jeder Zylinderkopf 18 mehrere Einlassöffnungen 32 und mehrere Auslassöffnungen 34 aufweisen könnte. Jede solche Öffnung würde entweder einem Einlassventilelement 40 oder einem Auslassventilelement 46 zugeordnet sein. Die Kraftmaschine 10 kann eine Ventilbetätigungsbaugruppe für jeden Zylinderkopf 18 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, alle Einlassventile 38 oder alle Auslassventile 44 von diesem Zylinderkopf 18 zu betätigen. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass eine einzelne Ventilbetätigungsbaugruppe die Einlassventile 38 oder die Auslassventile 44, die mehreren Zylinderköpfen 18 zugeordnet sind, betätigen könnte, falls gewünscht. Die Ventilbetätigungsbaugruppen können beispielsweise als Nocken-/Schubstangen-/Kipphebelanordnung, ein Elektromagnetaktor (Solenoidaktor), ein Hydraulikaktor oder jegliches bekannte Betätigungsmittel ausgebildet sein.
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Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 kann der Kraftmaschine 10 zum Leiten von unter Druck stehenden Kraftstoff in die Verbrennungskammer 20 zugeordnet sein. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 kann beispielsweise als ein elektronisches Ventil, das an einer Position stromaufwärts der Einlasssammelleitung 30 positioniert ist, ausgebildet sein. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 alternativ als eine hydraulisch, mechanisch oder pneumatisch betätigte Vorrichtung, die selektiv Kraftstoff unter Druck setzt und/oder unter Druck stehendem Kraftstoff ermöglicht, direkt oder auf einer andere Weise in die Verbrennungskammer 20 zu strömen, ausgebildet sein. Der Kraftstoff kann verdichteten Gaskraftstoff aufweisen, wie beispielsweise Erdgas, Propan, Biogas, Deponiegas oder Wasserstoff. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass der Kraftstoff beispielsweise verflüssigtes bzw. flüssiges Benzin, Diesel, Methanol, Ethanol oder jeglicher andere Flüssigkraftstoff, der in die Verbrennungskammer 20 eingespritzt werden kann, sein kann und dass eine eingebaute Pumpe (nicht gezeigt) zum unter Druck Setzen des Kraftstoffs erforderlich sein kann.
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Die von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 abgegebene Kraftstoffmenge kann einem in die Verbrennungskammer 20 eingeleiteten Luft-Kraftstoffverhältnis zugeordnet sein. Zum Beispiel kann erwünscht sein, ein stöchiometrisches Gemisch von Luft und Kraftstoff (ein Gemisch mit gerade genug Luft zum vollständigen Verbrennen einer Kraftstoffmenge) in die Verbrennungskammer 20 einzuleiten. In anderen Ausführungsformen, wenn es erwünscht ist, ein mageres Gemisch von Luft und Kraftstoff (Gemisch mit einer relativ kleinen Menge an Kraftstoff verglichen mit der Luftmenge) in die Verbrennungskammer 20 einzuleiten, kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 allerdings in einer Einspritzposition für eine kürzere Zeitdauer verbleiben (oder anderweitig zum Einspritzen von weniger Kraftstoff je gegebenem Zyklus gesteuert werden) als wenn ein fettes Gemisch von Kraftstoff und Luft (ein Gemisch mit einer relativ großen Menge Kraftstoff verglichen mit der Luftmenge) gewünscht ist. Falls gleichermaßen ein fettes Gemisch von Luft und Kraftstoff gewünscht ist, kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 in der Einspritzposition für eine längere Zeitdauer verbleiben (oder anderweitig zum Einspritzen von mehr Kraftstoff je gegebenem Zyklus gesteuert werden) als wenn ein mageres Gemisch gewünscht ist.
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Wie in 1 gezeigt ist, kann ein Zündsystem 52 der Kraftmaschine 10 zum Helfen beim Regeln der Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs in der Verbrennungskammer 20 zugeordnet sein. Das Zündsystem 52 kann eine Zündkerze 54 und eine Vorkammer 56, die der Verbrennungskammer 20 zugeordnet ist, aufweisen. Die Zündkerze 54 kann dazu ausgebildet sein, eine Zündung eines Gemischs von Luft und Kraftstoff in der Vorkammer 56 zu ermöglichen. Die Vorkammer 56 kann in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 20 über eine oder mehrere Öffnungen 58 sein. Es wird in Erwägung gezogen, dass jegliche Anzahl von Öffnungen 58 in der Verbrennungskammer 56 umfasst sein können. Auch wenn sie in 1 als einzelne Komponenten gezeigt sind, wird in Erwägung gezogen, dass die Zündkerze 54 und die Vorkammer 56 stattdessen eine einzelne integrale Einheit sein können, wie zum Beispiel eine Kammerzündkerze.
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Die Zündkerze 54 kann eine Elektrode 62 aufweisen, die sich durch einen Körper der Zündkerze 54 und mindestens teilweise in die Vorkammer 56 erstreckt. Die Elektrode 62 kann aus einem elektrisch leitfähigen Metall hergestellt sein, wie zum Beispiel Wolfram, Iridium, Silber, Platin und Gold-Palladium, und kann dazu ausgebildet sein, einen Strom von einer oder mehreren Leistungsversorgungen (Stromversorgern) zum Ionisieren (d.h., Erzeugen einer Korona innerhalb) des Luft-/Kraftstoffgemischs der Verbrennungskammer 56 zum Zünden des Luft-/Kraftstoffgemischs zu leiten. In der offenbarten Ausführungsform erstreckt sich ein Bereich der Elektrode 62 mindestens teilweise in die Vorkammer 56 zum Bilden eines Funkenendes 64. Das Funkenende 64 kann dicht an bzw. nahe zu einer Masseelektrode 66 positioniert sein, sodass sich ein Strom von den Leistungsversorgungen durch die Elektrode 62 und dann von dem Funkenende 64 zu der Masseelektrode 66 zum Erzeugen eines Funkens zum Zünden des Luft-/Kraftstoffgemischs in der Verbrennungskammer 56 bewegen kann.
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In der offenbarten Ausführungsform ist eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68 zum Leiten von unter Druck stehendem Kraftstoff in die Vorkammer 56 und Auslösen einer Verbrennung in der Vorkammer 56 vorgesehen. Es wird in Erwägung gezogen, dass in einigen Ausführungsformen die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68 im Wesentlichen ähnlich zu der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 sein kann. Nach der Zündung in der Vorkammer 56 bewegen sich einer oder mehrere Flammenstrahlen von der Vorkammer 56 durch die Öffnungen 58 in die Verbrennungskammer 20, wodurch das Luft-/Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer 20 gezündet wird. Die Flammenstrahlen können sich in die Verbrennungskammer 20 bewegen, wenn sich der Kolben 16 dem TDC während des Verdichtungstaktes nähert, wenn der Kolben 16 den TDC während des Arbeitstaktes verlässt oder zu einer anderen geeigneten Zeit. Das Einspritzen in die Vorkammer 56 anstatt direkt in die Verbrennungskammer 20 kann ein mageres Luft-/Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer 20 erlauben. In herkömmlichen Kraftmaschinen allerdings, bei denen Kraftstoff direkt in eine Vorkammer eingespritzt wird, weist die Vorkammer typischerweise ein viel fetteres Luft-/Kraftstoffgemisch auf, das noch immer zu ungewünschten Emissionsmengen führen kann.
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Zum weiteren Verringern der Emissionen von der Kraftmaschine 10 sieht das offenbarte Zündsystem 52 demnach ein mageres Luft-/Kraftstoffgemisch in der Vorkammer 56 vor. Um dies zu erreichen, verwendet das Zündsystem 52 sowohl eine Primärenergieversorgung 70 als auch eine Zusatzenergieversorgung 72 zum Auslösen der Verbrennung in der Verbrennungskammer 56. Das Zündsystem 52 kann ferner eine Steuerung 74 in Kommunikation mit der Zündkerze 54, der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68, der Primärenergieversorgung 70 und/oder der Zusatzenergieversorgung 72 zum Regeln des Verbrennungsvorgangs in der Vorkammer 56 aufweisen.
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Die Primärenergieversorgung 70 kann neben anderen Dingen eine Gleichstromhochspannungsquelle, wie sie typisch in den meisten funkengezündeten Verbrennungskraftmaschineanwendungen besteht, aufweisen. In einer Ausführungsform können mehrere Hochspannungsquellen vorliegen, wobei eine Hochspannungsquelle mit jeder Zündkerze 54 gepaart ist. In einer anderen Ausführungsform kann eine einzelne Gleichstromhochspannungsquelle für alle Zündkerze 54 verwendet werden. In dieser Konfiguration kann ein Verteiler (nicht gezeigt) zwischen der Hochspannungsquelle und den Zündkerzen 54 zum selektiven Verteilen der Leistung zu jeder Zündkerze 54 zu einem geeigneten Zeitpunkt relativ zu der Bewegung jedes Kolbens 16 positioniert sein. Die Primärenergieversorgung 70 kann einen gepulsten Hochspannungsgleichstrom mit einer Frequenz in einem Bereich, der sehr viel kleiner als ein Bereich ist, der von der Zusatzenergieversorgung 72 bereitgestellt wird (d.h. in einem Bereich von ungefähr 0–50 kHz), erzeugen und diesen Strom zu den Zündkerzen 54 leiten.
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Die Zusatzenergieversorgung 72 kann eine Mikrowellenenergiequelle, eine Plasmaenergiequelle und/oder eine andere bekannte Zusatzenergiequelle aufweisen. Die Zusatzenergiequelle 72 kann einen elektrischen Strom von einer Batterieleistungsversorgung (nicht gezeigt) oder einem Wechselstromgenerator (nicht gezeigt) aufnehmen und den Strom auf ein Energieniveau wandeln, das von den Zündkerzen 54 zum Ionisieren (d.h. Erzeugen einer Korona) eines Luft- und Kraftstoffgemischs verwendbar ist. Für die Zwecke dieser Offenbarung kann die Zusatzenergie als eine elektromagnetische Energie mit einer Frequenz in einem Bereich von ungefähr 0,3–300 GHz angesehen werden. Die Zusatzenergieversorgung 72 kann den Niedrigspannungsstrom von der Batterieleistungsversorgung oder dem Wechselstromgenerator zu Zusatzenergie (verstärkte bzw. erhöhte Energie) durch die Verwendung von Mikrowellenvorrichtungen, Plasmavorrichtungen oder anderen bekannten Vorrichtungen wandeln bzw. transformieren.
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Die Steuerung 74 kann als eine einzelne oder mehrere Mikroprozessorsteuerungen, feldprogrammierbare Gatearrays (FPGAs), Digitalsignalprozessoren (DSPs) etc., ausgebildet sein, der bzw. die dazu ausgebildet ist/sind, eine oder mehrere Aspekte des Betriebs der Kraftmaschine 10 zu steuern. Zum Beispiel kann die Steuerung 74 zum Steuern der Zündkerze 54, der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68, der Primärenergieversorgung 70 und/oder der Zusatzenergieversorgung 72 programmiert sein. Die Steuerung 74 kann die Zündkerze 54, die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68, die Primärenergieversorgung 70 und/oder die Zusatzenergieversorgung 72 durch Übertragen von Signalen, wie beispielsweise Strömen, zu der Zündkerze 54, der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68, der Primärenergieversorgung 70 und/oder der Zusatzenergieversorgung 72 steuern. Die übertragenen Signale führen zu einer Betätigung der Zündkerze 54, der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68, der Primärenergieversorgung 70 und/oder der Zusatzenergieversorgung 72. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 74 die Zündkerze 54, die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68, die Primärenergieversorgung 70 und/oder die Zusatzenergieversorgung 72 basierend auf aktuellen Betriebsbedingungen der Kraftmaschine 10, einer oder mehrerer Karten bzw. Kennfelder, die sich auf Zündsystemparameter beziehen, die in dem Speicher der Steuerung 74 gespeichert sind (zum Beispiel Kraftstoffeinspritz- und/oder Funkenzeitpunkte) und/oder Informationen, die von einem oder mehreren Sensoren (nicht gezeigt) empfangen wurden, die über die Kraftmaschine 10 hinweg strategisch positioniert sind, steuern. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 74 auch zum Steuern der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 programmiert sein. Eine Vielzahl von im Handel verfügbaren Mikroprozessoren kann zum Durchführen der Funktionen dieser Komponenten ausgebildet sein. Verschiedene bekannte Schaltungen können diesen Komponenten zugeordnet sein, umfassend Leistungsversorgungsschaltungen, Signalbehandlungsschaltungen, Aktortreibschaltungen (zum Beispiel Schaltungen, die Elektromagnetaktoren, Motoren oder Piezoaktuatoren antreiben) und Kommunikationsschaltungen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 74 dazu ausgebildet sein, einen ersten Strom von der Zusatzenergieversorgung 72 zu der Elektrode 62 der Zündkerze 54 zu leiten, nachdem Kraftstoff in die Vorkammer 56 über die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68 eingespritzt wurde. Die Steuerung 74 kann auch dazu ausgebildet sein, einen zweiten Strom von der Primärenergieversorgung 70 zu der Elektrode 62 der Zündkerze 54 kurz bevor, während oder kurz nachdem der erste Strom zu der Elektrode 62 der Zündkerze 54 geleitet wurde, zu leiten. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 74 den zweiten Strom zu der Elektrode 62, kurz nachdem der erste Strom zu der Elektrode 62 geleitet wird, leiten. Das Leiten von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Strom zu der Elektrode 62 der Zündkerze 54 kann die Zündenergie in der Vorkammer 56 vergrößern bzw. erhöhen.
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Die Verwendung der Zusatzenergie bzw. erhöhten Energie kann eine stärkere Korona in der Vorkammer 56 erzeugen als in Betrieben, die nur die Primärenergiequelle, die typischerweise in funkengezündeten Kraftmaschine verwendet wird, verwenden. Als eine Folge muss weniger Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68 zum Erreichen einer gewünschten Verbrennung in der Vorkammer 56 bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Steuerung 74 dazu ausgebildet sein, die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68 so zu betätigen, dass ein Luft-Kraftstoffäquivalenzverhältnis (Verhältnis des tatsächlichen Luft-Kraftstoffverhältnisses zu einem stöchiometrischen Verhältnis für ein gegebenes Gemisch) (λ) der Vorkammer 56 ungefähr 1,6–1,7 kurz vor der Zündung des Luft-/Kraftstoffgemischs in der Vorkammer 56 ist. Ohne die Verwendung der Zusatzenergie kann ein Luft-Kraftstoffäquivalenzverhältnis von weniger als ungefähr 1,3 zum Erreichen der gewünschten Verbrennung in der Vorkammer 56 notwendig sein. Demnach kann ein magereres Luft-/Kraftstoffgemischs in der Vorkammer 56 vorgesehen sein, was zu verringerten Emissionen von der Kraftmaschine 10 führt.
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Die Verwendung der Zusatzenergie kann auch zum Verringern der benötigten Funkenspannung der Zündkerze 54 verwendet werden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Versorgung des ersten Stroms von der Zusatzenergieversorgung 72 gestoppt werden, kurz bevor der zweite Strom von der Primärenergieversorgung 70 zugeführt wird. Der erste Strom kann ein Gebiet um die Zündkerze 54 (zum Beispiel dicht an dem Funkenende 64) ionisieren, was der Zündkerze 54 erlaubt, mit einer niedrigeren Spannung über den zweiten Strom zu zünden, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze 54 verlängert wird.
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaft offenbartes Verfahren 200 zeigt, das von der Kraftmaschine von 1 durchgeführt werden kann. 2 wird ausführlicher unten zum weiteren Darstellen der offenbarten Konzepte beschrieben.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte Zündsystem kann auf jegliche Verbrennungskraftmaschine angewendet werden, bei der eine Kraftmaschine mit einer mageren Verbrennung und einer niedrigen NOx-Erzeugung gewünscht ist. Insbesondere kann das offenbarte Zündsystem eine magerere Vorkammer 56 durch Verringern des in die Vorkammer 56 eingespritzten Kraftstoffs und Vorsehen von Zusatzenergie zum Zünden des Kraftstoffs in der Vorkammer 56 vorsehen. Die magerere Vorkammer 56 kann der Kraftmaschine 10 erlauben, niedrigere Niveaus an regulierten Abgasbestandteilen zu erzeugen als Kraftmaschinen mit herkömmlichen fetteren Vorkammern. Der Betrieb der Kraftmaschine 10 wird jetzt beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann Kraftstoff in die Vorkammer 56 bei Schritt 202 eingespritzt werden. Im Einzelnen kann zu einem geeigneten Zeitpunkt relativ zu der Bewegung des Kolbens 16 in der Verbrennungskammer 20, wie von der Steuerung 74 erfasst oder bestimmte wird, die Steuerung 74 die Kraftstoffinjektorvorrichtung 68 dazu bringen, Kraftstoff in die Vorkammer 56 einzuspritzen. In einigen Anwendungen kann die Steuerung 74 die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 68 basierend auf aktuellen Betriebsbedingungen der Kraftmaschine 10, einer oder mehreren Kennfeldern, die sich auf Kraftstoffsystemparameter beziehen, die in dem Speicher der Steuerung 74 gespeichert sind (zum Beispiel Kraftstoffeinspritzzeitpunkte) und/oder Informationen, die von einem oder mehreren Sensoren (nicht gezeigt) empfangen wurden, die strategisch über die Kraftmaschine 10 hinweg positioniert sind, betätigen. In einer Anwendung kann die in die Vorkammer 56 eingespritzte Kraftstoffmenge im Wesentlichen kleiner als eine Kraftstoffmenge sein, die eingespritzt wird, wenn keine Zusatzenergie verwendet wird. Im Einzelnen kann das Luft-Kraftstoffäquivalenzverhältnis (Luftzahl bzw. Luftverhältnis bzw. Verbrennungsluftverhältnis) λ der Vorkammer 56 ungefähr 1,6–1,7 kurz vor der Zündung des Luft-/Kraftstoffgemischs in der Vorkammer 56 sein. Der eingespritzte Kraftstoff in der Vorkammer 56 kann sich mit Luft und/oder Kraftstoff, der in die Vorkammer 56 über Öffnungen 58 während eines Einlass- und/oder Verdichtungstaktes bzw. -hubs des Kolbens 16 eintritt, mischen.
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Bei Schritt 204 kann zu einem geeigneten Zeitpunkt relativ zu der Bewegung des Kolbens 16 in der Verbrennungskammer 20, wie von der Steuerung 74 erfasst oder bestimmt wurde, die Steuerung 74 die Zusatzenergieversorgung 72 zum Leiten eines ersten Stroms zu der Elektrode 62 der Zündkerze 54 steuern. Der erste Strom mit einer ersten Frequenz innerhalb des Zusatzenergiebereichs kann eine Korona in der Vorkammer 56 erzeugen.
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Bei Schritt 206 kann kurz vor, während oder kurz nachdem die Zusatzenergie in die Vorkammer 56 geleitet wird, die Steuerung 74 die Primärenergieversorgung 72 zum Leiten eines zweiten Stromes zu der Elektrode 62 der Zündkerze 54 steuern. Es wird in Erwägung gezogen, dass in einigen Ausführungsformen eine zweite, separate Elektrode vorgesehen ist, in die der zweite Strom geleitet wird, anstatt dass der erste und zweite Strom zu derselben Elektrode geleitet werden. Der zweite Strom mit einer Frequenz, die kleiner als die des Zusatzenergiebereichs ist, kann einen Hochtemperaturbogen erzeugen, der sich von der Elektrode 62 nach außen in Richtung zu den Innenwänden der Vorkammer 56 erstreckt, was das Luft-/Kraftstoffgemisch in der Vorkammer 56 dazu bringt, bei Schritt 208 gezündet zu werden. Wenn das Luft-/Kraftstoffgemisch in der Vorkammer 56 zündet, breiten sich Flammenstrahlen durch die Öffnungen 58 in die Verbrennungskammer 20 aus.
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Bei Schritt 210 kann entweder vor oder nach dem Ausstoßen der Flammenstrahlen in die Verbrennungskammer 20 ein Gemisch von Luft und Kraftstoff in die Verbrennungskammer 20 über den Einlassdurchgang 26 eingeleitet bzw. eingespritzt werden. Es wird in Erwägung gezogen, dass in einigen Ausführungsformen das Luft-/Kraftstoffgemisch in die Verbrennungskammer 20 eingespritzt werden kann, bevor Kraftstoff in die Vorkammer 56 eingespritzt wird. Im Speziellen kann die Steuerung 74 die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 dazu bringen, Kraftstoff an einer Position stromaufwärts von der Verbrennungskammer 20 einzuspritzen, wo es sich mit Luft mischt und in die Verbrennungskammer 20 eingeleitet wird. In einigen Ausführungsformen kann Kraftstoff in den Einlassdurchgang 26 eingespritzt werden, während in anderen Ausführungsformen Kraftstoff in Richtung der Verbrennungskammer 20 eingespritzt werden kann. In einigen Anwendungen kann die Steuerung 74 die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 basierend auf aktuellen Betriebsbedingungen der Kraftmaschine 10, einem oder mehreren Kennfeldern, die sich auf Kraftstoffsystemparameter beziehen, die in den Speicher der Steuerung 74 gespeichert sind (zum Beispiel Kraftstoffeinspritzzeitpunkte) und/oder Informationen, die von einem oder mehreren Sensoren (nicht gezeigt) empfangen wurden, die über die Kraftmaschine 10 hinweg strategisch positioniert sind, direkt steuern. Bei Schritt 212 kann das Luft-/Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer 20 durch das Kreuzen bzw. Aufeinandertreffen mit den Flammenstrahlen aus der Vorkammer 56 zum Erzeugen einer mechanischen Arbeitsausgabe und einer Auslassströmung von heißen Gasen gezündet werden.
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Da das offenbarte Zündsystem Zusatzenergie während der Zündung verwendet, kann weniger Kraftstoff in der Vorkammer zum Auslösen der Verbrennung benötigt werden. Weniger Kraftstoff in der Vorkammer kann der Vorkammer erlauben, mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben zu werden, was zu geringeren von der Kraftmaschine produzierten Emissionen führt. Als eine Folge kann das offenbarte Zündsystem eine gleiche Leistung wie in herkömmlichen Kraftmaschinen erreichen, während niedrigere Niveaus von regulierten Abgasbestandteilen erreicht und Kraftstoffkosteneinsparungen vorgesehen werden.
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Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Zündsystem getätigt werden können. Andere Ausführungsformen werden Fachleute aus der Berücksichtigung der Beschreibung und Anwendung des offenbarten Zündsystems erkennen. Die Beschreibung und Beispiele sind nur als beispielhaft gedacht, wobei ein wahrer Umfang durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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