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Diese Erfindung bezieht sich allgemein
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines kompressionsgezündeten Motors
und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Betrieb eines Motors in einer homogenen Ladungskompressionszündbetriebsart
um während
normaler Betriebslastbedingungen niedrige Emissionen zu erreichen.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren mit interner
Verbrennung werden im großen
Maße für unterschiedliche
Zwecke verwendet. Die Transportinfrastruktur vertraut nahezu ausschließlich auf
die Verwendung von Motoren, um die für Mobilität erforderliche Leistung zu
liefern. Auch die elektrische Leistungserzeugung vertraut in starkem Maße auf Verbrennungsmotoren
mit interner Verbrennung.
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Die profilierte Verwendung von Motoren
in unserer Gesellschaft hat eine Anzahl von Problemkreisen aufgeworfen,
von denen einer sich auf die stets ansteigenden Mengen von emittierten
Verbrennungsnebenprodukten bezieht. Obwohl heutige Motoren mit wesentlich
niedrigeren Emissionspegeln arbeiten, als frühere Motorgenerationen, schafft
die Schnelligkeit des Anstiegs der Motorzahlen die Notwendigkeit
die Emissionsniveaus noch weiter zu reduzieren.
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Regierungen der ganzen Welt haben
dieses Problem erkannt und stellen sich auf die Emissionsniveaus
der Motoren beziehende Richtlinien auf. Beispielsweise müssen die
Niveaus von Stickoxiden (NOx), Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid
(CO) und Rauch unter anderem drastisch reduziert werden, um die sich
entwickelnden Regierungsstandards zu erfüllen.
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Funkengezündete Motoren haben in Folge
ihres Betriebs und der verwendeten Kraftstoffarten die Tendenz niedrige
Niveaus an NOx und Teilchenemissionen zu
erzeugen. Kompressionsgezündete
Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren erzeugen im Allgemeinen
hohe Niveaus an NOx und Teilchenemissionen.
Dieselmotoren sind jedoch noch immer gefragt im Gebrauch, da sie
eine höhere
thermische Effizienz vorsehen, als die entsprechenden funkengezündeten Motoren
und auf diese Weise eine höhere
Leistungsausgangsgröße für Arbeitsanwendungen
bieten.
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Motoren, die in der homogenen Ladungskompressionszünd-(HCCI)-Betriebsart
(Homogeneous Charge Compression Ignition = HCCI) arbeiten, haben
großes
Interesse erzeugt, und zwar wegen des Potentials mit hoher Kraftstoffeffizienz
zu arbeiten, wobei niedrige Verbrennungsemissionen erzeugt werden.
HCCI-Motoren unterscheiden sich von konventionellen Dieselkompressionszündmotoren
insofern, als die Dieselmotoren fetten Kraftstoff, d.h. Kraftstoff,
der in einem Gebiet einer Verbrennungskammer hochkonzentriert ist,
zünden,
während
die HCCI-Techniken
eine verteilte oder dispergierte (disperse) homogene Kraftstoff/Luftmischung
zur Zeit der Verbrennung schaffen. Die Verbrennung einer homogenen
Kraftstoff/Luftmischung gestattet den Betrieb eines Motors derart,
dass die Emissionsnebenprodukte in signifikanter Weise reduziert
werden.
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Die Theorie der HCCI-Betriebsart
(HCCI Mode Operation) wurde jedoch durch die Realität noch nicht erfüllt. Es
hat sich als extrem schwierig herausgestellt eine gewünschte homogene
Mischung aus Kraftstoff und Luft zu schaffen und noch immer den
Betrieb des Motors zu steuern. Beispielsweise ist es sehr schwierig
die Zeitsteuerung (Timing) der Verbrennung dann zu steuern, wenn
eine homogene Mischung in eine Verbrennungskammer eingeführt wird.
Erfolgte Versuche von anderen führten
nur zu einem partiellen Erfolg bei geringerer Last beispielsweise
bei Bedingungen oder Zuständen
halber Last oder weniger. Im U.S. Patent Nr. 6,286,482 von Flynn
et al. wird dieses Problem erkannt und es erfolgt nur der Betrieb
eines Motors in der PCCI-Betriebsart (was äquivalent zu HCCI ist) bei
niedrigen bis mittleren Lastbedingungen oder Lastzuständen. Der
Betrieb schaltet bei hohen Lasten auf die Funkenzündbetriebsart
um. Yanagihara begrenzt in einem Aufsatz mit dem Titel „Ignition
Timing Control at Toyota 'UNIBUS' Combustion System" den Maschinen- oder
Motorbetrieb auf eine Hälfte
der Last um den Betrieb in der HCCI-Mode oder -Betriebsart zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Überwindung
eines oder mehrerer der oben genannten Probleme.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressionszündmotors
vorgeschlagen, der eine Zylinderwand, einen Kolben und einen Kopf
besitzt, wobei eine Verbrennungskammer definiert wird. Das Verfahren
weist die folgenden Schritte auf: Liefern von Kraftstoff im Wesentlichen
gleichförmig
in die Verbrennungskammer, wobei der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer
hindurch verteilt und von der Zylinderwand beabstandet ist, Liefern
eines Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer hinreichend um
eine Verbrennung mit einer ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer
zu unterstützen
oder zu erhalten, und Lieferung eines Verdünnungsmittels in die Verbrennungskammer
ausreichend, um die erste vorbestimmte Verbrennungsdauer in eine
zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer zu ändern, die unterschiedlich
ist von der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kompressionszündmotors
vorgesehen, der eine Zylinderwand aufweist, ferner eine Kolben und
einen Kopf, wobei eine Verbrennungskammer definiert wird. Das Verfahren
umfasst bzw. weist auf die folgenden Schritte: Liefern von Kraftstoff
im Wesentlichen gleichförmig
in die Verbrennungskammer, wobei der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer
verteilt und von der Zylinderwand beabstandet ist, Liefern eines
Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer ausreichend um die Verbrennung
mit einer ersten vorbestimmten Druckanstiegsrate zu unterstützen, und
Liefern eines Verdünnungsmittels
in die Verbrennungskammer ausreichend um die erste vorbestimmte
Druckanstiegsrate in eine zweite vor bestimmte Druckanstiegsrate
zu ändern,
wobei letztere unterschiedlich ist von der ersten vorbestimmten
Druckanstiegsrate.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Lieferung von Kraftstoffen
in eine Verbrennungskammer eines Kompressionszündmotors vorgesehen, wobei
die Verbrennungskammer durch eine Zylinderwand, einen Kolben und
einen Kopf definiert wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte
auf: Liefern des Kraftstoffs an eine Düse eines Injektors oder einer
Einspritzvorrichtung, wobei die Düse eine Vielzahl von Löchern verteilt
in einem gewünschten
oder Soll-Muster aufweist, und ferner Einspritzen des Kraftstoffs
durch die Düsenlöcher in
die Verbrennungskammer in einem vorbestimmten Sprühmuster derart,
dass der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer hindurch verteilt
wird und von der Zylinderwand beabstandet ist.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines
Kompressionszündmotors
vorgeschlagen, der eine Zylinderwand, einen Kolben und einen Kopf
aufweist, und zwar eine Verbrennungskammer definierend. Die Vorrichtung
weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auf, und zwar mit einer
Düse, die
derart positioniert ist, dass Kraftstoff in einem dispergierten
oder verteilten Muster durch die Verbrennungskammer hindurch und
beabstandet von der Zylinderwand eingespritzt wird und ferner mit
einem, Luftversorgungs- oder -liefersystem zur Lieferung von mindestens
einem Oxidationsmittel und/oder einem Verdünnungsmittel in die Verbrennungskammer.
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Verbrennungsmotors mit
interner Verbrennung geeignet zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches einen Motor veranschaulicht, und zwar
einschließlich
eines Abgasrückführungssystems
(EGR = Exhaust-Gas-Recirculation-System);
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches eine Abwandlung des EGR-Systems der 2 darstellt;
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4a ist
eine schematische Veranschaulichung eines Kraftstoffeinspritzmusters; 4b ist eine weitere Ansicht
des Kraftstoffeinspritzmusters der 4a;
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5a ist
eine Teilansicht einer beispielhaften Kraftstoffeinspritzspitze;
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5b ist
ein Diagramm, welches die Verwendung der Kraftstoffeinspritzspitze
der 5A in einer ersten
Betriebsart zeigt;
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5c ist
ein Diagramm, welches die Verwendung der Kraftstoffeinspritzspitze
der 5a in einer zweiten
Betriebsart zeigt;
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6a ist
eine graphische Darstellung, die die NOx und Rauchemissionen als
eine Funktion der Einspritzzeitsteuerung (Einspritztiming) darstellt;
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6b ist
eine graphische Darstellung, welche die HC- und CO-Emissionen als
eine Funktion der Einspritzzeitsteuerung bzw. Einspritzzeit darstellt;
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7 ist
eine graphische Darstellung, welche ein Verbrennungsereignis als
eine Funktion von Druck und Zeit darstellt;
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8 ist
ein Blockdiagramm, welches die Abgase veranschaulicht, die vom Ausgang
eines Motors zum Eingang des Motors geleitet werden;
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9a ist
eine graphische Darstellung, welche ein Verbrennungsereignis als
eine Funktion des Zylinderdrucks und der Kurbelwinkelgerade darstellt;
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9b ist
eine graphische Darstellung, die ein Verbrennungsereignis als einen
Funktion einer Wärmefreigaberate
und der Kurbelwinkelgerade darstellt;
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10 ist
eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften variablen
Kompressionsverhältniskonfiguration;
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11 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Dreiwegekatalysators;
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12 ist
eine schematische Veranschaulichung eines ersten beispielhaften
Luftunterstützungssystems
für einen
Motor;
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13 ist
eine schematische Darstellung eines zweiten beispielhaften Luftunterstützungssystems;
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14 ist
eine schematische Darstellung eines dritten Beispiels oder Ausführungsbeispiels
eines Luftunterstützungssystems;
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15 ist
ein Blockdiagramm, welches ein beispielhaftes Steuer- oder Regelsystem
für einen
Motor darstellt;
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16 ist
ein Blockdiagramm der 2,
welches weitere Merkmale aufweist;
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17 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Membrantechnologiesystems geeignet
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
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18 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Motors mit einem beispielhaften
variablen Ventilbetätigungssystem;
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19 ist
eine graphische Darstellung, welche die Versetzung oder Verschiebung
eines Einlassventils darstellt, und zwar als eine Funktion der Kurbelwinkelgerade;
und
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20 ist
ein Flussdiagramm, welches ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnung
und die Beschreibung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung 100 zum
Betrieb eines Kompressionszündungsmotors 102 offenbart.
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1 zeigt
eine Motoranordnung 104, die den grundlegenden Betrieb
eines Kompressionszündungsmotors 102 zeigt.
Zusätzliche
Merkmale der Motoranordnung 104 der 1 beispielsweise eine Abgasrückführungsanordnung
werden unten unter Bezugnahme auf die zusätzlichen Figuren beschrieben.
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Die Motoranordnung 104 weist
ein Raumglied 106 und eine Luftquelle 108 auf.
Das Raumglied 106 besitzt eine Einlassöffnung 112 und eine
ebenfalls darin definierte Auslassöffnung 110. Die Luftquelle 108 liefert
Luft an die Einlassöffnung 112.
Luft von der Luftquelle 108 schreitet in eine Hohlraumkammer 114 fort,
die in dem Hohlraumglied 106 definiert ist und zwar über die
Einlassöffnung 112.
Es sei bemerkt, dass die sich auf die 1 beziehende
Beschreibung auf Luft als das Medium Bezug nimmt, welches an die
Motoranordnung 104 geliefert wird. Wie unten beschrieben
kann jedoch irgendein geeignetes Strömungsmedium oder Flu idmedium
verwendet werden, beispielsweise rezirkulierte Abgase kombiniert
mit Luft und dergleichen.
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Die Motoranordnung 104 weist
eine Zylinderanordnung 116 auf. Die Zylinderanordnung 116 umfasst einen
Block 118, der einen Zylinder 119 darinnen definiert.
Der Zylinder 119 wird durch eine Zylinderwand 120 definiert.
Ein Motorkopf 122 ist am Block 118 befestigt.
Der Motorkopf 122 besitzt einen Einlassanschluss 124, einen
Auslassanschluss 126 und darinnen ebenfalls definiert eine
Kraftstoffeinspritzöffnung 154.
Eine Einlassleitung 128 bringt den Einlassanschluss 124 in
Strömungsmittelverbindung
mit der Auslassöffnung 110 des Hohlraumgliedes 106.
Ein Auslassdurchlass 146 bringt den Auslassanschluss 126 in
Strömungsmittelverbindung
mit einer Auslasssammelleitung 148.
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Die Motoranordnung 104 weist
ferner einen Kolben 130 auf, der den Zylinder 119 im
Allgemeinen in Richtung der Pfeile 132, 136 in
eine Translationsbewegung bringt. Wenn sich der Kolben 130 nach
unten, im Allgemeinen in der Richtung des Pfeils 136, zu
der in 1 gezeigten Position
hin bewegt, so drückt
eine Verbindungsstange 134 eine Kurbelwelle 142 zur
Rotation in der allgemeinen Richtung des Pfeiles 144. Darauffolgend,
wenn die Kurbelwelle 142 ihre Rotation der allgemeinen
Richtung des Pfeiles 144 fortsetzt, drückt die Kurbelwelle 142 die
Verbindungsstange 134 des Kolbens 130 in die allgemeine
Richtung des Pfeils 132, um den Kolben 130 in
seine (nicht gezeigt) oberste Position zurück zu bringen.
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Der Kolben 130, die Zylinderwand 120 und
der Motorkopf 122 arbeiten zur Definition einer Verbrennungskammer 138 zusammen.
Insbesondere dann, wenn der Kolben 130 in der allgemeinen
Richtung des Pfeils 132 voran bewegt wird, wird das Volumen
der Verbrennungskammer 138 verringert. Wenn andererseits der
Kolben 130 in der allgemeinen Richtung des Pfeils 136 voran
bewegt wird, so wird das Volumen der Verbrennungskammer 138,
wie in 1 gezeigt vergrößert.
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Die Motoranordnung 104 weist
ferner ein Kraftstoffreservoir, einen Kraftstoffbehälter 158 auf.
Eine Kraftstoffpumpe 160 zieht Niederdruckkraftstoff von
dem Kraftstoffreservoir 158 ab, und schickt Hochdruckkraftstoff
zu einer Kraftstoffeinspritz vorrichtung (Kraftstoffinjektor) 156 über eine
Kraftstoffleitung 162. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 ist
in der Injektor- oder Einspritzöffnung 154 positioniert
und betreibbar, um eine Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer 138 durch
die Einspritzöffnung 154 einzuspritzen.
Insbesondere spritzt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 Kraftstoff
in die Verbrennungskammer 138 ein, und zwar in Folge Empfangs
eines Einspritzsteuer- oder -regelsignals auf einer Signalleitung 166.
Fernerhin sei bemerkt, dass der Kraftstoff irgendeiner aus der folgenden
Gruppe von Kraftstoffen sein kann: Dieselkraftstoff, Rohöl, Schmieröl, eine
Emulsion aus Wasser- und Dieselkraftstoff. Insbesondere kann der
Kraftstoff irgendeine Kraftstoffart sein, die eine hohe Cetanzahl
besitzt, auf welche Weise die Eigenschaft der Verbrennungsbereitschaft vorhanden
ist.
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Es sei bemerkt, dass die durch die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 eingespritzte Kraftstoffmenge
das Verhältnis
von Luft zu Kraftstoff oder das Luft/Kraftstoffverhältnis steuert
bzw. regelt und zwar wie dies in die Verbrennungskammer 138 geliefert
wird. Wenn es erwünscht
ist eine magerere Mischung in die Verbrennungskammer 138 zu
liefern, so gilt insbesondere, dass ein über die Signalleitung 166 empfangenes
Kraftstoffsteuer- oder -regelsignal bewirkt, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 derart
arbeitet, dass weniger Kraftstoff in die Verbrennungskammer 138 eingespritzt
wird. Wenn es andererseits erwünscht
ist, eine reichere oder fettere Mischung aus Luft und Kraftstoff
in die Verbrennungskammer 138 zu liefern, so bewirkt ein über Signalleitung 166 empfangenes
Kraftstoffsteuersignal, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 derart
arbeite, dass mehr Kraftstoff in die Verbrennungskammer 138 geliefert
wird.
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Es sei bemerkt, dass andere Verfahren
zur Einführung
der Kraftstoff- und Luftmischung in die Verbrennungskammer 138 verwendet
werden können,
ohne den Sinn und den Rahmen der vorliegenden Erfindung den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der
Kraftstoff mit Luft an irgendeinem Punkt gemischt werden und zwar
von der Lichtquelle 108. Durch die Einlassleitung 128 einschließlich stromaufwärts gegenüber einem
(nicht gezeigten) Turbolader.
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Ein Einlassventil 170 bringt
die Hohlraumkammer 114 selektiv in Strömungsmittelverbindung mit der Verbrennungskammer 138.
Das Einlassventil 140 kann in einer bekannten Art und Weise
durch eine (nicht gezeigte) Nockenwelle, eine (nicht gezeigt) Schubstange
und einen (nicht gezeigten) Kipparm angetrieben durch Drehung der
Kurbelwelle 142 betätigt
werden. Alternativ kann das Einlassventil 140 durch andere
Mittel betätigt
werden, wie beispielsweise hydraulisch-elektronisch, durch eine
elektro-hydraulische Kombination oder dergleichen. Wenn das Einlassventil 140 in
der offenen Position (1 zeigt
dies), so wird Luft von der Einlassleitung 128 zur Verbrennungskammer 138 über den
Einlassanschluss 124 geleitet. In das Einlassventil 140 in
der geschlossenen Position (nicht gezeigt) angeordnet ist, so wird
Luft daran gehindert, von der Einlassleitung 128 zur Verbrennungskammer 138 zu
fließen,
da dass Einlassventil 140 den Strömungsmittelfluss durch den
Einlassanschluss 124 blockiert.
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Ein Äußeres Ventil 152 bringt
die Auslasssammelleitung 148 selektiv in Strömungsmittelverbindung mit
der Verbrennungskammer 138. Das Auslassventil 152 kann
in bekannter Art und Weise durch eine Nockenwelle (nicht gezeigt),
eine Schubstange (nicht gezeigt), einen Kipparm (nicht gezeigt)
betätigt
werden, wobei jedes dieser Elemente durch die Drehung der Kurbelwelle 142 angetrieben
wird. Alternativ kann das Auslassventil 152 durch andere
Mittel betätigt
werden, wie beispielsweise durch hydraulische, elektronische oder
eine Kombination elektrohydraulischer und dergleichen Mittel. Wenn
das Auslassventil 152 in der offenen Position (nicht gezeigt)
positioniert ist, so werden die Auslassgase oder Abgase von der
Verbrennungskammer 138 zur Auslasssammelleitung 148 laufen,
und zwar über
einen Strömungsmittelpfad,
der den Auslassanschluss 126 und den Auslassdurchlass 146 umfasst.
Von der Auslasssammelleitung 148 werden die Auslassgase
(Abgase) zu einer Auslassseite 150 fortschreiten. Wenn
das Ausstoß – oder Auslassventil 152 in
der geschlossenen Position (in 1 gezeigt)
angeordnet ist, so werden die Auslass- oder Ausstoßgase daran
gehindert von der Verbrennungskammer 138 zu der Auslasssammelleitung 148 fortzuschreiten,
da das Auslassventil 142 den Strömungsmittelfluss durch den
Auslassanschluss 126 blockiert.
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Die Verbrennung der Kraftstoffluftmischung
in der Verbrennungskammer 138 erzeugt eine Anzahl von Abgasen
oder Ausstoßgasen.
Nachdem die Mischung aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer 138 verbrannt
ist, werden die Ausstoß-
oder Abgase durch die Ausstoß-
oder Ablassleitung (Abgasleitung) 150 weitergeleitet. Die
Abgase umfassen Mengen an Stickstoffoxiden (NOx),
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Rauch und dergleichen.
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Die Motoranordnung 104 weist
ferner eine Steuer- oder Regelvorrichtung 164 auf. Die
Steuer- bzw. Regelvorrichtung 164 ist vorzugsweise eine
auf einem Mikroprozessor basierende Motorsteuer- oder -regeleinheit
(ECU). Die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 kann eine
Verschiedenheit von Funktionen ausführen und zwar einschließlich der
oben beschriebenen und zwar zur Steuerung der Betätigung der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung oder des Kraftstoffinjektors 156.
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Unter Bezugnahme auf 2 sei bemerkt, dass eine schematische
Darstellung eines Motors 102 vorgesehen ist, und zwar mit
einer Einlassleitung 128 und einem Auslassdurchlass 146.
Ein Motorblock 230 sieht ein Gehäuse für mindestens einen Zylinder 119 vor. 2 zeigt sechs Zylinder 119.
Es kann jedoch irgendeine Anzahl von Zylindern 119 verwendet
werden, und zwar beispielsweise einen, drei, sechs, acht, zehn,
zwölf oder
irgendeine andere Anzahl von Zylindern. Die Einlassleitung 128 sieht
einen Einlasspfad für
jeden Zylinder 119 vor und zwar für Luft, rezirkulierte Abgase
und eine Kombination davon. Der Auslassdurchlass 146 sieht einen
Abgas- oder Ausstoßpfad
für jeden
Zylinder 119 für
die Abgase oder Ausstoßgase
vor.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein zweistufiges
Turboladersystem 208 dargestellt. Das Turboladersystem 208 weist
eine erste Turboladerstufe 210 auf mit einer Niederdruckturbine 216 und
einem einer ersten Stufe bildenden Kompressor 218. Das
Turboladersystem 218 weist auch eine zweite Turboladerstufe 212 auf,
mit einer Hochdruckturbine 214 und einem Kompressor 220 der
zweiten Stufe. Das zweistufige Turboladersystem 208 arbeitet
zur Erhöhung
des Drucks der Luft und der Abgase, die an die Zylinder 119 geliefert
werden und zwar über
die Einlassleitung 128, um ein gewünschtes Luft-zu-Kraftstoffverhältnis (Soll- Luft/Kraftstoffverhältnis) während einer
ausgedehnten offenen Dauer eines Einlassventils aufrecht zu erhalten,
was im Einzelnen unten beschrieben wird. Es sei bemerkt, dass ein
zweistufiges Turboladersystem 208 nicht für den Betrieb
der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Andere Bauarten von
Turboladersystemen, wie beispielsweise ein Hochdruckverhältniseinzelstufenturboladersystem,
ein Turboladersystem mit variabler Geometrie und dergleichen können anstelle
verwendet werden.
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Die Motoranordnung weist ein Ausstoß- oder
Abgassystem 202 auf, welches seinerseits ein Abgasrezirkulations-(EGR
= Exhaust Gas Recirculation)-System 204 aufweist. Das in 2 gezeigte EGR-System 204 ist
für ein
Niederdruck-EGR-System
in einem Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung typisch. Abwandlungen
des gezeigten EGR-Systems 204 können auch mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Ferner könnten andere Bauarten von EGR-Systemen,
beispielsweise „By-Pass", Venturi, kolbengepumpte,
spitzenabschneidende und Rückdrucksysteme
ebenso verwendet werden.
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Ein Oxidationskatalysator 222 nimmt
Abgase von der Niederdruckturbine 216 auf. Der Oxidationskatalysator 222 kann
auch mit einem De- oder Ent-Nox-Katalysator
gekoppelt sein, um die NOx-Emissionen weiter
zu reduzieren. Ein Teilchen(Particulate Matter = PM oder Teilchenmaterial)-Filter 206 empfängt oder
nimmt auf Abgase von dem Oxidationskatalysator 222. Obwohl
der Oxidationskatalysator 222 und der PM-Filter 206 als
gesonderte Gegenstände
dargestellt sind, können
sie alternativ in einer Packung kombiniert sein.
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Einige der Abgase werden aus dem
Abgas vom PM-Filter 206 geliefert. Ein Teil der Abgase
wird jedoch zu der Einlassleitung 128 zurückgeführt, und
zwar durch einen EGR-Kühler 224,
durch ein EGR-Ventil 226 und durch das Turboladersystem 208.
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3 zeigt
eine Abwandlung des EGR-Systems 204 der 2. In 3 werden
einige der Abgase von der Niederdruckturbine 216 durch
den Oxidationskatalysator 222 und durch den PM-Filter 206 geleitet.
Ein Teil der Abgase wird jedoch zu rückgeführt zu der Zylindereinlassleitung 128,
und zwar von der Niederdruckturbine 216, d.h. vor dem Eintritt
in den Oxidationskatalysator 222 und durch ein zusätzliches
PM-Filter 302, so dann durch den EGR-Kühler 224, EGR-Ventil 226 und
das Turboladersystem 208. Der zusätzliche PM-Filter 302 kann
eine kleinere Größe besitzen
als der PM-Filter 206, und zwar in dem Hauptabgasstrom,
da nur ein Teil der Abgase gefiltert werden muss. Zudem wird durch
die Installation des zusätzlichen
PM-Filters 302 in dem Rückführungspfad
des EGR-Systems 204, durch die Packung und die Leitung
des Filters 302 und die zugehörigen Eingangs- und Ausgangskanäle eine
kompaktere und leichter zu managende Umgebung um den Motor 102 herum
geschaffen.
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Es sei nunmehr auf die 4a und 4b Bezug genommen, wo der Betrieb einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung 156 geeignet für die Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. In 4a ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 154,
d.h. die Spitze der Einspritzvorrichtung oder des Injektors 156 in
mehr Detail gezeigt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsdüse 154 weist
eine Vielzahl von einer Mikrogröße besitzenden
Löchern oder Öffnungen 401 auf,
beispielsweise 10, 16, 24, 32 und dergleichen, und zwar angeordnet
in einem Muster derart, dass eine gewünschte oder Soll-Kraftstoffsprühung 402 erreicht
wird. Die beispielhafte Kraftstoffeinspritzöffnung 154 der 4a und 4b reflektiert eine 24-Loch „Brause" oder „Showerhead" Design und zwar derart
angeordnet, dass ein erster Satz von Löchern eine Kraftstoffsprühung oder
ein Kraftstoffstrahl mit einem ersten Winkel injiziert, und zwar
einem ersten Winkel mit einer Dispersion oder Verteilung α und ferner
mit einem zweiten Satz von Löchern,
der eine Kraftstoffsprühung
mit einem zweiten Winkel der Verteilung oder Dispersion β injiziert.
Beispielsweise injiziert ein erster Satz von 8 Löchern eine Kraftstoffsprühung oder
ein Kraftstoffstrahl mit einem Winkel α gleich ungefähr 50 Grad
und ein zweiter Satz von 16 Löchern
injiziert oder spritz ein eine Kraftstoffsprühung oder einen Kraftstoffstrahl
mit einem Winkel β gleich
ungefähr
90 Grad. Es sei bemerkt, dass irgendeine Anzahl und Kombination
von Löchern,
Sätzen
von Löchern
und Winkeln der Dispersion oder Verteilung verwendet werden kann,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Konstruktion der Kraftstoffeinspritzdüse 154 gemäß den 4a und 4b offeriert den Vorteil der Verteilung
der Kraftstoffsprühung
oder des Kraftstoffstrahls 402 gleichförmig über die gewünschten Teile der Verbrennungskammer 138 hinweg,
und zwar insbesondere bezüglich
der speziellen Geometrie des Kolbens 130. Diese Steuerung
oder Regelung über
den Kraftstoffstrahl und die Kraftstoffsprühung 402 hinweg gestattet,
dass die Kraftstoffeinspritzung vor der normalen Einspritzzeitsteuerung
erfolgt, um hinreichend Zeit zur Verfügung zu stellen für Kraftstoff
und Luft, d.h. dass das Strömungsmittelmedium
sich homogen mit dem Kraftstoff mischt, der zur Abscheidung oder
zur Abgabe an der Zylinderwand 130 vor der Verbrennung
zugelassen ist. Vorzugsweise ist die Kraftstoffeinspritzung oder
Einsprühung 402 derart
konfiguriert, dass Kraftstoff derart eingesprüht oder eingespritzt wird,
dass der Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig in die Verbrennungskammer 138 eingegeben
wird, und zwar beabstandet von der Zylinderwand 120. Mehr
ins Einzelne gehend, ist beabsichtigt, dass der Kraftstoffsprühvorgang
oder die Kraftstoffeinspritzung 402 sich über die
Verbrennungskammer 138 hinweg verteilt, ohne dass irgendein
Kraftstoff die Zylinderwand 120 kontaktiert, auf welche
Weise verhindert wird, dass der Kraftstoff die Zylinderwand 120 kühlt, was
bei einer niedrigeren Temperatur erfolgen kann als der Rest der
Verbrennungskammer 138 und auf diese Weise erhöhte Pegel
an HC und CO während
der Verbrennung verursachen könnte.
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Alternative Kraftstoffeinspritztechniken
können
zusammen mit der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise veranschaulichen
die 5a bis 5c die Funktion einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 geeignet zur
Verwendung mit Betriebsweisen der gemischten Betriebsart. Insbesondere
weist die Kraftstoffeinspritzöffnung 154 mindestens
einen HCCI-Düsenauslass 504 auf
und mindestens einen konventionellen Düsenauslass 506. Der
HCCI-Düsenauslass 504 ist
derart konfiguriert, dass ein Winkel θ von einer Längsachse 502 des Kraftstoffinjektors 156 vorliegt,
um eine Kraftstoffsprühung
und einen Kraftstoffstrahl 504 einzuspritzen oder zu injizieren,
und zwar mit einem in 5b dargestellten
Muster. Der konventionelle Düsenauslass 506 ist
mit einem Winkel λ konfiguriert,
und zwar gegenüber
der Längsachse 502,
um eine Kraftstoffsprühung 504 in
einen durch 5c repräsentierten
Muster einzuspritzen.
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Während
HCCI-Betriebsartvorgängen
wird die Kraftstoffeinspritzung 402 nach unten zum Kolben 130 gerichtet.
Die Einspritzung oder Injektion erfolgt mehr vor der oberen Totpunktmitte,
wie man durch die Relativposition des Kolbens 130 in 5b verglichen mit 5c erkennen kann, was mehr
Zeit dafür
gestattet, dass sich der Kraftstoff und das Fluidmedium, beispielsweise
Luft, in eine homogene Mischung kombinieren.
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Während
konventionellen Betriebsartvorgängen,
beispielsweise der Dieselkompressionsbetriebsart, wird die Kraftstoffeinspritzung
oder der Kraftstoffstrahl 402 mehr zu den Seiten des Zylinders 119 gerichtet
und die Einspritzung erfolgt näher
an dem oberen Totmittelpunkt oder -zentrum, wie dies durch die Position
des Kolbens 130 in 5c gezeigt
ist.
-
Es sei bemerkt, dass Variationen
der Einspritzvorrichtungs- oder Injektorkonfiguration der 5a verwendet werden können ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann eine
Ausgangsdüse
der Brausebauart anstelle des HCCI-Düsenauslasses 504 für HCCI-Operationen
oder Vorgänge
verwendet werden, während
der konventionelle Düsenauslass 506 während konventioneller
Dieseloperationen verwendet werden kann. Ferner können in
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 156 der 5a die Winkel θ und λ der Düsenauslässe 504, 506 über einen
großen
Bereich, um besondere Anwendungsfälle zu berücksichtigen, variiert werden.
Alternativ kann die HCCI-Einspritzung mit einer Anschluss- oder
Porteinspritzung erreicht werden, d.h. der Kraftstoff wird beispielsweise
in die Einspritz- oder
Zuführungsleitung 128 eingespritzt,
um einen homogene Mischung aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer 138 vorzusehen.
Dieses Verfahren kann jedoch zur Folge haben, dass sich eine Kraftstoffkondensation
an der Zylinderwand 120 ergibt, was zur Öldegradierung
beiträgt.
-
Die Zeitsteuerung oder das Timing
der Kraftstoffeinspritzung kann verändert oder variiert werden,
um die Performance oder die Leistungsfähigkeit während der HCCI-Operation oder
des HCCI-Vorgangs zu verbessern. Ein Timing oder Zeitsteuerbereich
von ungefähr
50 Grad vor dem oberen Totpunkt oder Totzentrum (TDC = Top Dead
Center) bis ungefähr
180 Grad vor TDC wird typischerweise verwendet, um eine nahe vollständige homogene
Mischung von Kraftstoff und Fluidmedium sicher zu stellen. Es wird
jedoch bevorzugt, den Kraftstoff so spät wie möglich einzuspritzen, d.h. näher an dem
TDC, da eine übermäßige Zeit
für das
Vorhandensein von Kraftstoff im Zylinder 119 zur Kraftstoffkondensation
an den Zylinderwänden 120 führt, was
seinerseits das Motoröl
verunreinigt und verschlechtert. Es wurde, wie in den 6a und 6b gezeigt, dargestellt, dass mit einem
24 Loch Brausekopfkraftstoffinjektor (Kraftstoffeinspritzvorrichtung)
und keiner EGR eine optimale Einspritzzeitsteuerung von ungefähr 70 Grad
vor dem TDC erreicht werden kann. Genauer gesagt, sind bei ungefähr 70 Grad
vor TDC die Pegel von NOx und Rauch minimal
und die Pegel von HC und CO sind stark vermindert. Es wurde ferner
festgestellt, dass die Hinzufügung
von EGR die optimale Einspritzzeitsteuerung auf ungefähr 60 Grad
vor TDC verzögern
kann, auf welche Weise die Kraftstoffkondensation noch weiter erleichtert
wird. Weitere Verfeinerungen bei den Betriebsbedingungen, wie beispielsweise
der Einspritzspitzengeometrie, der Kraftstoffdispersions- oder -verteilungsmuster,
der EGR-Menge, des Lufteinlasses und dergleichen, haben die Kraftstoffeinspritzung
ermöglicht
im Bereich von ungefähr
30 Grad vor dem TDC bis ungefähr 90
Grad vor dem TDC und zwar mit optimalen Emissionen, die dann berichtet
werden, wenn die Kraftstoffeinspritzung bei ungefähr 40 Grad
vor dem TDC auftritt.
-
Während
HCCI-Vorgängen
oder Operationen ist es erwünscht
eine geringe Verbrennungstemperatur aufrecht zu erhalten. Ein Grund
besteht darin, dass die Pegel von NOx bei niedrigen Verbrennungstemperaturen
reduziert werden. Ein Verfahren zum Erreichen von niedrigen Verbrennungstemperaturen
besteht darin einen hohen Pegel von Überschussmasse einzuführen, d.h.
große
Mengen an Fluidmedium, wie beispielsweise Luft, EGR, Wasser, inertes
Gas und dergleichen, und zwar in die Verbrennungskammer 138.
Die Verwendung von Luft , d.h. von frischer Luft, als das überschüssige Massenmedium
erfordert große
Mengen an Luft, die an die Verbrennungskammer 138 geliefert
werden müssen,
um die gewünschten überschüssigen Massenniveaus oder
Pegel zu erreichen. Beispielsweise kann ein Luft-zu-Kraftstoffverhältnis von
ungefähr
36 zu 1 oder größer er wünscht oder
zweckmäßig sein,
und zwar entsprechend einem Äquivalenzverhältnis von
0,4 oder weniger.
-
Alternativ kann irgendeine andere
Art eines Strömungsmittelmediums
verwendet werden, um eine überschüssige Masse
zu erreichen. Beispielsweise kann die Verwendung von EGR anstelle
von mindestens einem Teil frischer Luft den Betrieb des Motors 102 nahe
dem stoichometischen Äquivalenzverhältnis ermöglichen,
d.h. mit einem Luft-zu-Kraftstoffverhältnis von ungefähr 14,5
zu 1.
-
EGR kann auch zur Steuerung oder
Regelung der Wärmefreigaberate
und einer Druckanstiegsrate innerhalb der Verbrennungskammer 138 verwendet
werden. Beispielsweise – wie
in dem Graph 702 der 7 dargestellt,
ist eine erste Darstellung 704 eine Anzeige für die Druckanstiegsrate
während
der Verbrennung in der HCCI-Betriebsart ohne die Zugabe von EGR.
Die Darstellung 704 veranschaulicht einen scharfen oder starken
Anstieg des Drucks in der Verbrennungskammer 138. Dieser
starke Anstieg des Drucks erzeugt Beanspruchungen in den Komponenten,
wie beispielsweise dem Motorkopf 122. Eine zweite Darstellung 704 ergibt
die Druckanstiegsrate bei hinzugegebenen EGR an. Als erstes sei
Folgendes bemerkt: die Verbrennungsdauer, d.h. die Zeit während der
die Verbrennung erfolgt, hat sich geändert. Insbesondere wird die
Verbrennungsdauer verlängert.
Zum zweiten sei bemerkt: der Spitzendruck hat sich geändert. Speziell
ist der Spitzendruck reduziert. Es wurde festgestellt, dass die
Zugabe von EGR es ermöglicht,
dass die mittleren effektiven Bremsdruck-(BMEP = Brake Mean Effective
Meassure)-Pegel 1600 kPa annähern.
Ohne EGR ist BMEP auf ungefähr
1100 kPa, d.h. ungefähr
die Hälfte
der Last begrenzt.
-
Das hinzugefügte Fluid oder Strömungsmittel
muss nicht notwendigerweise EGR sein. Allgemein gesagt, führt die
Zugabe eines Verdünnungsmittels,
wie beispielsweise EGR, Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff und dergleichen,
die Funktion der Absenkung der Verbrennungstemperatur, des Begrenzens
des Spitzenverbrennungsdrucks und das Verlängern der Verbrennungsdauer
durch. Das Verdünnungsmittel
beeinflusst die Verbrennung durch Absenkung der Wärmefreigaberate
in der Verbrennungskammer 138 und Erzeugen eine Anzahl
von chemi schen Interim oder Zwischenreaktionen während der Verbrennung, die
dazu dienen, das Verbrennungsereignis zu verlängern. Es sei bemerkt, dass
die Masse des Verdünnungsmittels
zur Gesamtströmungsmittelmasse
in der Verbrennungskammer 138 beiträgt, wobei der andere Teil der
Strömungsmittelmasse
das Oxidationsmittel beispielsweise Luft ist und zwar eingeführt zur
Unterstützung
der Verbrennung.
-
Unter Bezugnahme auf
8 sei Folgendes ausgeführt. Die
Menge an zugegebenen EGR ist vorzugsweise als ein volumetrischer
Prozentsatz quantifiziert, und zwar durch die folgende Gleichung
exemplifiziert:
-
Dabei ist CO2(in)
(CO2 EIN) eine zum Motor durch das EGR-System 204 zurückgeführte Kohlendioxidmenge,
und CO2(ex) (CO2 AUS)
eine vom Motor 102 ausgestoßene Kohlendioxidmenge. Die
EGR-Menge kann ein signifikanter Prozentsatz, beispielsweise 40%
bis 60%, bei bestimmten Betriebsbedingungen, sein. Es sei bemerkt,
dass der Prozentsatz an EGR durch irgendein anderes Verfahren quantifiziert
werden kann, wie beispielsweise die Masse des EGR dividiert durch
die Gesamtmasse in der Verbrennungskammer 138.
-
9a zeigt
einen Graphen 902 des Zylinderdrucks abhängig von
den Kurbelwinkelgeraden (CAD = Crank Angle Degrees). Die Darstellung
zeigt einen ersten Druckanstiegsteil 906 mit einer Anstiegsneigung,
die auf einem Niveau endet und so dann in der Neigung auf einen
zweiten Druckanstiegsteil 908 ansteigt. Die einen „doppelten
Buckel" aufweisende
Kurve, zeigt eine homogene Mischung während der Verbrennung an und definiert
somit eine HCCI-Betriebsart. In ähnlicherweise
ist in 9b ein Graph 904 gezeigt,
der die Wärmefreigaberate
abhängig
von CAD zeigt. Die Darstellung umfasst einen ersten Wärmefreigabespitzenteil 910 gefolgt
von einem zweiten Wärmefreigabespitzenteil 912.
Es sei bemerkt, dass der zweite Wärmefreigabespitzenteil 912 in
seinem Wert wesentlich größer ist
als der erste Wärmefreigabespitzenteil 910.
Die Kurve dient zur Definition auch einer HCCI-Betriebsart.
-
Die Überschuss oder Exzessmasse
kann vorgesehen werde durch die Verwendung eines hohen „Boost"- oder Verstärkungsdruckes
an der Einlassleitung 128, d.h. der Einlasssammelleitung
des Motors 102. Beispielhafte Techniken zum Liefern des
hohen Verstärkungsdruckes
werden unten beschrieben.
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Obwohl die Einführung der Überschussmasse dazu dient die
Druckanstiegsrate in der Verbrennungskammer 138 zu steuern,
ist es ebenfalls erwünscht,
einen Spitzendruck während
der Verbrennung zu steuern bzw. zu regeln. Wie die 7 veranschaulicht, besitzt die erste
Darstellung 704 einen Spitzendruck, der höher ist
in seinem Wert als der Spitzendruck der zweiten Darstellung 706.
Ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung des Spitzendrucks besteht
darin, dass man ein variables Kompressionsverhältnis (VCR = Variable Compression
Ratio) verwendet.
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Viele Verfahren sind im Gebrauch,
die VCR eines Motors vorsehen. Eine übliche Strategie besteht darin,
die variable Ventilzeitsteuerung zu verwenden, und zwar insbesondere
die variable Einlassventilzeitsteuerung. Beispielsweise kann ein
Einlassventil für
eine Zeitperiode in einem Kompressionszyklus offengehalten werden,
beispielsweise von ungefähr
20 bis ungefähr
50 Grad in die Kompression hinein. Eine variable Ventilzeitsteuerung
kann durch verschiedene Mittel erreicht werden. Beispielhafte Techniken
oder Verfahren können
mechanische Verfahren umfassen, beispielsweise die Steuerung einer
Nockenbetätigung,
hydraulische elektrische, elektro-hydraulische und ähnliche
Verfahren können
ebenfalls verwendet werden.
-
Eine andere übliche Strategie und eine die
effektiver sein kann, als die variable Ventilzeitsteuerung, besteht
darin, die geometrischen Charakteristika eines Zylinders zu verändern. Beispielsweise,
wie in 10 gezeigt, kann
ein Sekundärzylinder 1002 in
Zusammenarbeit mit einem Sekundärkolben 1004 verwendet
werden, um das effektive Volumen des Zylinders 119 zu verändern. Eine
mit dem Sekundärkolben 1004 verbundene
Stange 1006 ist ebenfalls mit einem Betätigen 1008, wie beispielsweise
einem Nockenbetätiger,
einem hydraulischen Betätiger,
einem Elektromagnetbetätiger
oder einer anderen Betätigungsvorrichtung
verbunden. Wenn die Position des Sekundärkolbens 1004 im Sekundärzylinder 1002 verändert wird,
so wird das effektive Kompressionsverhältnis des Kolbens 130 und
des Zylinders 119 verändert.
Es sei bemerkt, dass das Beispiel der 10 nur
eines von vielen Verfahren darstellt, durch die das Kompressionsverhältnis eines
Zylinders unter Verwendung geometrischer Techniken verändert werden
kann.
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Vorzugsweise wird die VCR als eine
Funktion der Motordrehzahl und der Motorlast verändert, um zu ermöglichen,
dass die Verbrennung zu einer bestimmten Zeit (Soll-Zeit) erfolgt.
Wenn die Drehzahl und Last ansteigen, wird typischerweise mehr Kraftstoff
an die Verbrennungskammer 138 geliefert. Dieser zusätzliche Kraftstoff
bewirkt einen Druckanstieg. Die VCR kann dann abgesenkt werden,
wenn die Drehzahl und Last ansteigen, um bei der Kompensation dieses
Druckanstieges mitzuhelfen. Ein exemplarischer Kompressionsverhältnisbereich
kann von 8 : 1 bis 16 : 1 betragen. Beispielsweise wurde ein Kompressionsverhältnis von
10 : 1 in einem Testmotor verwendet, der mit ungefähr 75% Last
lief. Vorzugsweise wird die Kompressionszündung anstelle der Funkenzündung während der
oben erwähnten
niedrigeren Kompressionsverhältnisse
aufrecht erhalten.
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Obwohl der Motor 102 in
der HCCI-Betriebsart arbeiten kann und einen Kraftstoff, wie beispielsweise Dieselkraftstoff
verwendet, ermöglicht
die Zugabe von EGR, wie oben beschrieben, beispielsweise ungefähr 40% bis
ungefähr
60% EGR den Betrieb nahe dem stoichometrischen Verhältnis. Unter
diesen Bedingungen ist es möglich,
einen Dreiwegekatalysator für
die weiteren Reduktionen hinsichtlich HC, CO und NOx zu
verwenden. Unter Hinweis auf 11 sei
bemerkt, dass beispielsweise ein Dreiwegekatalysator für die Verwendung
mit der Erfindung gezeigt ist.
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11 zeigt
einen katalytischen Serienkombinationskonverter 1110 in
dem drei unterschiedliche katalytische Substrate 1133, 1134, 1135 in
Serie innerhalb eines individuellen Rohrgehäuses 1122 angebracht sind.
Die Innenstruktur weist die Anbringung jedes katalytischen Substrats
in seiner eigenen Unterkapsel 1130, 1131,
1132 auf.
Das Rohrgehäuse 1122 kann
aus dünnem
rostfreiem Stahl geformt sein und kann am Auslassende 1124 mit
einer ringförmigen
Haltelippe 1125 ausgebildet sein, welche verhindert, dass
individuelle Subkapseln durch den Auslass entweichen. Zudem kann
die Krümmung
der Biegung, die die Haltelippe 1125 schafft nützlich als
eine Führung
dann sein, wenn der Konverter 1110 in einer Öffnung angebracht
wird, die einen Durchmesser sehr nahe zu dem des Gehäuses 1122 besitzt.
Jede der Unter- oder Subkapseln 1130, 1131 und 1132 kann
innerhalb des Rohrgehäuses 1122 durch
eine Umfangsschweißnaht
an Ecken 1128 gehalten werden.
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Das Substrat 1133 kann mit
einem typischen de-NOx-Katalysator beschichtet sein, wie beispielsweise eine
Kombination aus einem Edelmetall und einem Zeolit-Katalysator. Das
Substrat 1134 kann mit einem Katalysator beschichtet sein,
der dazu geeignet ist, um auf sekundäre unerwünschte Stickstoffverbindungen
abzuzielen, die im Abgas nach dem Austritt aus dem Substrat 1133 vorhanden
sind. Nach dem Austritt aus dem Substrat 1134 enthält das Abgas
sehr niedrige Pegel an NOx-Verbindungen und noch weniger unerwünschte sekundäre Stickstoffverbindungen,
die ansonsten NOx-Verbindungen nach dem Fortschreiten durch einen Oxidationskatalysator
werden würden.
Das Substrat 1135 kann mit einem Oxidationskatalysator
beschichtet sein, um die Umwandlung von jedwedem existierenden HC
und CO in Kohlendioxid und Wasser zu fördern. Nur kleine Mengen des
Abgases werden zurück
in unerwünschte
NOx-Verbindungen umgewandelt, nachdem der Durchlauf durch das Oxidationskatalysatorsubstrat 1135 erfolgte.
Nach dem Austreten aus dem Konverter 1110 am Auslass 1124 besitzt
das Abgas akzeptable Niveaus oder Pegel von sowohl HC und NOx.
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Die Unterkapseln 1130, 1131 und 1132 sind
vorzugsweise aus einem relativ dünnen
rostfreien Stahl hergestellt, der an beiden Enden gewalzt bzw. grollt
ist, um eine ringförmige
Haltelippe zu erzeugen, welche die einzelnen oder individuellen
Keramiksubstrate 1133, 1134, 1135 innerhalb
der Subkapseln hält.
Ein Matten- oder
Auskleidungsmaterial 1129 kann zwischen der Innenoberfläche jeder
Subkapsel und der Außenoberfläche jedes
Substrats angebracht sein. Die Kanten einzelner Streifen der Auskleidung 1129 können von
korrodierenden Effekten des Abgases durch Endringe 1127 geschützt sein.
Jede der Subkapseln kann innerhalb des Rohrgehäuses 1122 über eine
Umfangsschweißnaht
an den Winkelecken 1128 befestigt sein.
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Es sei bemerkt, dass das obige Beispiel
eines Dreiwegekatalysators nur beispielhaften Zwecken dient und
dass Abwandlungen des obigen Katalysators ebenso verwendet werden
können.
Ferner können
auch andere Bauarten von Katalysatoren, beispielsweise de-NOx-Katalysatoren
allein, Oxidationskatalysatoren allein und dergleichen ebensogut
verwendet werden.
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Große Mengen an Überschussmasse,
beispielsweise EGR, erfordern einen signifikanten Verstärkungsdruckpegel,
d.h. Einlasssammelleitungsdruck, um die Überschussmasse in die Verbrennungskammer 138 zu
liefern. Beispielsweise kann ein Verstärkungsdruckwert von ungefähr 4,5 bis
1 oder höher
bei Volllastbetriebsbedingungen erforderlich sein. D.h., der Druck
an der Einlasssammelleitung muss mindesten 456 kPa betragen. Um
diesen hohen Verstärkungsdruck
zu erreichen ist ein Luftsystem erforderlich, welches in der Lage
ist einen hinreichenden Druck zu erzeugen. Beispielsweise veranschaulicht
das zweistufige Turboladersystem 208 der 2 und 3 ein
mögliches
Luftsystem, welches in der Lage ist einen hinreichenden Verstärkungsdruck
zu erzeugen.
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Es sein nunmehr auf die 12 bis 14 hingewiesen, in denen beispielhafte
Abwandlungen des Turboladersystems 208 gezeigt sind. Unten
erfolgt eine Diskussion der Komponenten der 12 bis 14,
wobei neue Elementbezeichnungen zur weiteren Klärung der verschiedenen Luftsysteme
verwendet werden.
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Die 12 zeigt
ein beispielhaftes Luftversorgungssystem 1202 für einen
Verbrennungsmotor 1204 mit interner Verbrennung, beispielsweise
einen Viertaktdieselmotor. Der Verbrennungsmotor 1204 weist
einen Motorblock 1206 auf, der eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 1208 definiert,
wobei die Anzahl der Zylinder von dem speziellen Anwendungsfall
abhängt.
Beispielsweise würde
ein Vierzylindermotor vier Verbrennungszylinder, ein Sechszylindermotor
würde sechs Verbrennungszylinder
usw. aufweisen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der 12 sind sechs Verbrennungszylinder 1208 gezeigt.
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Der Verbrennungsmotor 1204 weist
auch eine Einlasssammelleitung 1210 und eine Auslasssammelleitung 1212 auf.
Die Einlasssammelleitung 1210 liefert ein Fluid oder Strömungsmittel,
beispielsweise Luft oder einen Kraftstoff/Luftmischung, an die Verbrennungszylinder 1208.
Die Auslasssammelleitung 1212 empfängt Ausstoß oder Abgasströmungsmittel,
beispielsweise Abgas von den Verbrennungszylindern 1208.
Die Einlasssammelleitung 1210 und die Auslasssammelleitung 1212 sind
aus Gründen
der Einfachheit der Zeichnung in einer Einzelteilkonsiruktion gezeigt.
Es sei jedoch bemerkt, dass die Einlasssammelleitung 1210 und/oder
die Auslasssammelleitung 1212 als mehrteilige Sammelleitungen
abhängig
von dem bestimmten Anwendungsfall konstruiert sein können.
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Das Luftversorgungssystem 1202 weist
einen ersten Turbolader 1214 auf und kann einen zweiten
Turbolader 1216 aufweisen. Die ersten und zweiten Turbolader 1214, 1216 können in
Serie miteinander derart angeordnet sein, dass der zweite Turbolader 1216 eine
Unterdrucksetzung einer ersten Stufe vorsieht und der erste Turbolader 1214 sieht
eine Unterdrucksetzung einer zweiten Stufe vor. Beispielsweise kann
der zweite Turbolader 1216 ein Niederdruckturbolader sein
und erster Turbolader 1214 kann ein Hochdruckturbolader sein.
Der erste Turbolader 1214 umfasst eine Turbine 1218 und
einen Kompressor 1220. Die Turbine 1218 ist strömungsmittelmäßig mit
der Auslasssammelleitung 1212 über einen Auslasskanal 1222 verbunden.
Die Turbine 1218 weist ein Turbinenrad 1224 auf,
welches durch eine Welle getragen wird, wobei die Welle 1226 ihrerseits
drehbar durch ein Gehäuse 1228 gelagert
wird, beispielsweise ein Einzelteil oder Mehrteilgehäuse. Der
Strömungsmittelströmungspfad
von der Auslasssammelleitung 1212 zur Turbine 1218 kann
eine variable (nicht gezeigt) Düse
aufweisen, oder eine andere Anordnung mit variabler Geometrie geeignet
zur Steuerung der Geschwindigkeit des Ausstoßfluids, welches auf das Turbinenrad 1224 auftrifft.
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Der Kompressor 1220 weist
ein Kompressorrad 1230 getragen durch die Welle 1226 auf.
Auf diese Weise kann die Drehung der Welle 1226 durch das
Turbinenrad 1224 wiederum die Drehung des Kompressorrads 1230 bewirken.
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Der erste Turbolader 1214 kann
eine Leitung 1232 für
komprimierte Luft aufweisen und, zwar zum Empfang der komprimierten
Luft von dem zweiten Turbolader 1216 und ferner eine Luftauslassleitung 1234 zum
Empfang komprimierter Luft vom Kompressor 1220 und zur
Lieferung der komprimierten Luft an die Einlasssammelleitung 1210 des
Motors 1204. Der erste Turbolader 1214 kann auch
einen Auslasskanal oder eine Auslassleitung 1236 aufweisen,
um Abgabe oder Ausgangsfluid von der Turbine 1218 aufzunehmen
und das Ausgangsfluid an den zweiten Turbocharger oder Turbolader 1216 zu
liefern.
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Der zweite Turbolader 1216 kann
eine Turbine 1238 und einen Kompressor 1240 aufweisen.
Die Turbine 1238 kann strömungsmittelmäßig mit
dem Auslasskanal 1236 verbunden sein. Die Turbine 1238 kann
ein Turbinenrad 1242 getragen durch eine Welle 1244 aufweisen,
wobei letztere ihrerseits drehbar durch das Gehäuse 1228 getragen
bzw. gelagert ist. Der Kompressor 1240 kann ein Kompressorrad 1246 getragen
durch die Welle 1244 aufweisen. Auf diese Weise kann die
Drehung der Welle 1244 durch das Turbinenrad 1242 ihrerseits
die Drehung des Kompressorrads 1246 bewirken.
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Der zweite Turbolader 1216 kann
eine Lufteinlassleitung 1248 aufweisen, und zwar eine Strömungsmittelverbindung
vorsehend zwischen der Atmosphäre
und dem Kompressor 1240. Der zweite Turbolader 1216 kann
auch komprimierte Luft an den ersten Turbocharger oder Turbolader 1214 über den
Kompressionsluftkanal 1232 liefern. Der zweite Turbolader 1216 kann
einen Auslass oder Auströmungsauslass 1250 aufweisen,
um Ausstoß-
oder Auslassströmungsmittel
von der Turbine 1238 zu empfangen und eine Strömungsmittelverbindung
mit der Atmosphäre
vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel
können
der erste Turbolader 1214 und der zweite Turbolader 1216 derart
bemessen sein, dass im Wesentlichen gleiche Gleichkompressionsverhältnisse
vorgesehen werden. Beispielsweise können sowohl der erste Turbolader 1214 als
auch der zweite Turbolader 1216 beide Kompressionsverhältnisse
von zwischen 2 : 1 und 3 : 1 vorsehen, was ein Systemkompressionsverhältnis von
mindestens 4 : 1 bezüglich
atmosphärischen
Druck ermöglicht.
Alternativ kann der zweite Turbolader 1216 ein Kompressionsverhältnis von
3 : 1 besitzen und der erste Turbolader 1214 kann ein Kompressionsverhältnis von
1,5 : 1 aufweisen, was ein Systemkompressionsverhältnis von
4,5 : 1 bezüglich
des atmosphärischen
Druckes ergibt.
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Das Luftversorgungs- oder Luftliefersystem 1202 kann
einen Luftkühler 1252,
beispielsweise einen Nachkühler
(Aftercooler) aufweisen, und zwar zwischen dem Kompressor 1220 und
der Einlasssammelleitung 1210. Der Luftkühler 1252 kann
aus der Luft Wärme
entnehmen, um die Einlasssammlleitungstemperatur zu verringern und
die Luftdichte zu erhöhen.
Wahlweise kann das Luftversorgungssystem 1202 einen zusätzlichen
Luftkühler 1254,
beispielsweise einen Zwischenkühler
(Intercooler) aufweisen, und zwar zwischen dem Kompressor 1240 des
zweiten Turboladers 1216 und dem Kompressor 1220 des
ersten Turboladers 1214. Alternativ kann das Luftversorgungssystem 1202 wahlweise
einen zusätzlichen
Luftkühler
(nicht gezeigt) aufweisen, und zwar zwischen dem Luftkühler 1252 und
der Einlasssammelleitung 1210. Der wahlweise zusätzliche Luftkühler kann
ferner die Einlasssammlleitungstemperatur reduzieren.
-
13 ist
ein Blockdiagramm, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Luftversorgungssystems 1302 darstellt
und zwar für
den Verbrennungsmotor 1204. Das Luftversorgungssystem 1302 kann
einen Turbolader 1304 aufweisen, beispielsweise einen hocheffizienten
Turbolader, der in der Lage ist mindestens ein 4,5 : 1 Kompressionsverhältnis bezüglich des
atmosphärischen
Druckes zu erzeugen. Der Turbolader 1304 kann eine Turbine 1306 und
einen Kompressor 1308 aufweisen. Die Turbine 1306 kann
strömungsmittelmäßig mit
der Auslasssammelleitung 1212 über einen Auslasskanal 1310 verbunden
sein. Die Turbine 1306 kann ein Turbinenrad 1312 getragen
von einer Welle 1314 aufweisen, die ihrerseits drehbar
in einem Gehäuse 1316 gelagert
ist, und zwar beispielsweise einem Einzelteil oder einem Mehrteilgehäuse. Der
Strömungsmittel
oder Fluidströmungspfad
von der Abgas- bzw. Auslasssammelleitung 1212 zur Turbine
1306 kann
eine (nicht gezeigt) variable Düse
aufweisen, die die Geschwindigkeit des Ausgangsfluids, welches auf
das Turbinenrad 1312 auftritt, steuert oder regelt.
-
Der Kompressor 1308 kann
ein Kompressorrad 1318 getragen durch die Welle 1314 aufweisen.
Auf diese Weise kann die Drehung der Welle 1314 durch das
Turbinenrad 1312 seinerseits die Drehung des Kompressorrads 1318 bewirken.
Der Turbolader 1304 kann einen Lufteinlass 1320 aufweisen
und eine Fluid- oder Strömungsmittelverbindung
zwischen der Atmosphäre
und dem Kompressor 1308 und einem Luftauslass 1322 vorsehen,
und zwar zur Lieferung von komprimierter Luft an die Einlasssammelleitung 1210 des
Motors 1204. Der Turbolader 1304 kann auch einen
Abgas- oder Austoßauslass 1324 aufweisen,
um Austoßfluid
oder Ausstoßströmungsmittel
(Abgasströmungsmittel)
von der Turbine 1306 zu empfangen und um die Strömungsmittelverbindung
mit der Atmosphäre
vorzusehen.
-
Das Luftversorgungssystem 1302 kann
einen Luftkühler 1326 zwischen
dem Kompressor 1308 und der Einlasssammelleitung 1210 aufweisen.
Wahlweise kann das Luftversorgungssystem 1302 einen zusätzlichen
(nicht gezeigt) Luftkühler
aufweisen, und zwar zwischen dem Luftkühler 1326 und der
Einlasssammelleitung 1210.
-
14 ist
ein Blockdiagramm, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Luftversorgungssystems 1402 für den internen
Verbrennungsmotor 1404 zeigt. Das Luftversorgungssystem 1402 kann
einen Turbolader 1404, beispielsweise einen Turbolader 1404 mit
einer Turbine 1406 und zwei Kompressoren 1408, 1410 aufweisen.
Die Turbine 1406 kann strömungsmittelmäßig mit
der Auslasssammelleitung 1212 über einen Einlasskanal 1412 verbunden
sein. Die Turbine 1406 kann ein Turbinenrad 1414 getragen
von einer Welle 1416 aufweisen, die ihrerseits drehbar
durch ein Gehäuse 1418 getragen
wird, beispielsweise ein einteiliges oder mehrteiliges Gehäuse. Der
Strömungs-
oder Fluidströmungspfad
von der Auslasssammelleitung 1212 zur Turbine 1406 kann
eine (nicht gezeigt) variable Düse
aufweisen, die die Geschwindigkeit des Auslassfluids, welches auf
das Turbinenrad 1414 auftrifft steuert.
-
Der erste Kompressor 1408 kann
ein Kompressorrad 1420, getragen durch die Welle 1416,
aufweisen und der zweite Kompressor 1410 kann ein Kompressorrad 1422,
getragen durch die Welle 1416, aufweisen. Auf diese Weise
kann die Drehung der Welle 1416 durch das Turbinenrad 1414 seinerseits
die Drehung der ersten und zweiten Kompressorräder 1420, 1422 verursachen.
Die ersten und zweiten Kompressoren 1408, 1410 können erste
bzw. zweite Unterdrucksetzungsstufen oder Druckstufen vorsehen.
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Der Turbolader 1404 kann
eine Lufteinlassleitung 1424 aufweisen, die eine Strömungsmittelverbindung
zwischen der Atmosphäre
und dem ersten Kompressor 1408 und einem Kompressionsluftkanal 1436 vorsieht,
um komprimierte Luft von dem ersten Kompressor 1408 zu
empfangen und die komprimierte Luft an den zweiten Kompressor 1410 zu
liefern. Der Turbolader 1404 kann eine Luftauslassleitung 1428 aufweisen, um
komprimierte Luft von dem zweiten Kompressor 1410 an die
Einlasssammelleitung 1210 des Motors 1204 zu liefern.
Der Turbolader 1404 kann einen Ausstoß- bzw. Abgasauslass 1430 aufweisen,
und zwar zum Empfang von Auslass- oder Austoßströmungsmittel von der Turbine 1406 und
zum Vorsehen einer Strömungsmittelverbindung
mit der Atmosphäre.
-
Der erste Kompressor 1408 und
der zweite Kompressor 1410 können beispielsweise beide Kompressionsverhältnisse
von zwischen 2 zu 1 und 3 zu 1 vorsehen, was ein Systemkompressionsverhältnis von
mindestens 4 zu 1 bezüglich
des atmosphärischen
Drucks ergibt. Alternativ kann der zweite Kompressor 1410 ein Kompressionsverhältnis von
3 zu 1 und der erste Kompressor 1408 ein Kompressionsverhältnis von
1,5 zu 1 vorsehen, was ein Systemkompressionsverhältnis von
4,5 zu 1 bezüglich
des atmosphärischen
Drucks ergibt.
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Das Luftversorgungssystem 1402 kann
einen Luftkühler 1432 aufweisen,
und zwar zwischen dem zweiten Kompressor 1410 und der Einlasssammelleitung 1210.
Wahlweise kann das Luftversorgungssystem 1402 einen zusätzlichen
Luftkühler 1434 aufweisen,
und zwar zwischen dem ersten Kompressor 1408 und dem zweiten
Kompressors 1410 des Turboladers 1404. Alternativ
kann das Luft versorgungssystem 1402 wahlweise einen zusätzlichen
(nicht gezeigten) Luftkühler
aufweisen, und zwar zwischen dem Luftkühler 1432 und der
Einlasssammelleitung 1210.
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Es sei bemerkt, dass andere Bauarten
von Luftversorgungssystemen ebenso verwendet werden könnten. Beispielsweise
sind ein Luft-zu-EGR-Kühler,
eine Gebläse
und Turboladeranordnung und ein elektrischer Unterstützungsturbolader
einige wenige der Bauarten von Luftversorgungssystemen, die den
erforderlichen Verstärkungs-
oder Boostdruck für
die vorliegende Erfindung erzeugen können.
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15 zeigt
ein Blockdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel eines Steuer- oder Regelsystems der
vorliegenden Erfindung zeigt. Der Motor 102 wird überwacht
und durch die Steuervorrichtung 164 gesteuert bzw. geregelt,
beispielsweise mittels eines elektronischen Steuermoduls (ECM =
Electronic Control Module) ist typischerweise für die Motorüberwachung und -steuerung verwendet
wird.
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Ein Signal, welches eine Anzeige
für die
Zylinderdruckrückkopplung
bildet, wird an die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 geliefert,
und zwar über
die Signalleitung 1502 und kann dazu verwendet werden ein Ereignis,
wie beispielsweise einen Start der Verbrennung zu bestimmen. Die
Zylinderdruckrückkopplung
kann direkt abgefühlt
werden, beispielsweise durch einen (nicht gezeigten) Zylinderdrucksensor,
oder aber sie kann aus anderen abgefühlten Parametern abgeleitet
werden. Beispielsweise können
die Motordrehzahl und die Lastparameter überwacht werden, und dazu verwendet
werden, einen Start des Verbrennungsereignisses zu bestimmen.
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Die Steuer- bzw. Regelvorrichtung 164 kann
bei Empfang des Zylinderdruckrückkopplungssignals
bestimmen, dass eine gewisse Steuerung oder Regelung der Motoroperationen
oder der Motorbetriebsbedingungen erforderlich ist. Beispielsweise
kann bestimmt werden, dass die Zeitsteuerung des Startens der Verbrennung
geändert
werden sollte. Die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 kann
mehrere Optionen besitzen, und zwar zur Verwendung der Steuerung
der Motoroperationen. Beispielsweise kann die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 ein
Steuer- oder Regelsignal liefern, und zwar über Signalleitung 1504,
um die Einlasssammelleitungstemperatur zu modellieren bzw. zu verändern; die
Steuervorrichtung 164 kann ein Steuersignal über Signalleitung 1506 liefern,
um eine Zeitsteuerung der Betätigung
eines Einlassventils zu modellieren oder zu einzustellen; ein Steuersignal
kann, über
Signalleitung 1508 zum Modellieren bzw. Einstellen einer
Rate mit der EGR vorgesehen wird, geliefert werden; ein Steuersignal
kann über
Signalleitung 1510 geliefert werden, um eine Zeitsteuerung
der Einspritzungen oder der Injektion des Kraftstoffs zu modellieren
bzw. einzustellen; oder aber ein Steuersignal kann über Signalleitung 1512 geliefert
werden, um einen Verstärkungsdruckwert einzustellen
bzw. zu modellieren. Es ist klar, dass jedwede Kombination der oben
genannten Steuer- oder Regelstrategien verwendet werden kann. Ferner
können
andere Kontroll- oder Regelstrategien ebenfalls inkooperiert werden.
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Die Komplexitäten des Motorbetriebs infolge
der Wechselwirkungen vieler Variablen deutet an, dass es zweckmäßig sein
kann, die Steuer- oder Regelvorrichtung 164, unter Verwendung
von fortschrittlichen Techniken der Datenanalyse und Motorregelung
zu konfigurieren. Beispielsweise kann es trickmäßig sein einen Tag mal auf
(nicht gezeigtes) Neuralnetzwerk in die Steuer- oder Regelvorrichtung 164 einzubauen,
um Steuer- oder Regelentscheidungen basierend auf einer historischen
Datenbasis, der Motorbetriebsarten vorzunehmen.
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In 16 ist
das Blockdiagramm der 2 wiedergegeben,
und zwar unter Hinzufügung
eines Sauerstoffsensors (O2) 1602 und eines Massenluftströmungssensors
(MAF = Mass Airflow Sensor) 1604. Der O2 Sensor 1602 kann
in irgendeiner Position angeordnet werden, die zum Abfühlen einer
Sauerstoffmenge in den Abgasen nach der Verbrennung geeignet ist,
beispielsweise am Auslassdurchlass 146. Der MAF-Sensor 1604 kann
an irgendeiner Position angeordnet werden, die geeignet ist zum
Abfühlen
der Masse der EGR-Gase beispielsweise vor dem EGR-Ventil 226.
Alternativ kann der MAF-Sensor 1604 anderswo angeordnet
werden beispielsweise nach dem EGR-Ventil 226, um die Gesamtströmung der
Masse abzufühlen,
beispielsweise EGR plus frische Luft, die an den Motor 102 geliefert
wird.
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Die O2- und MAF-Sensoren 1602, 1604 können separat
oder in Kombination verwendet werden und können die abgefühlten Werte
an die Steuer- bzw. Regelvorrichtung 164 liefern, und zwar
zur Verarbeitung zur weiteren Bestimmung und Steuerung einer Rate
des EGR, welches an den Motor 102 geliefert wird.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann es zweckmäßig sein
die Membrantechnologie einzubauen, um Stickstoff als ein inertes
Gas anstelle von oder in Kombination mit EGR, als die Exzess- oder Überschussmasse
zu verwenden, die verwendet wird, um die Wärmefreigaberaten in der Verbrennungskammer 138 zu
steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise zeigt die 17 ein exemplarisches Einlasslufttrennsystem 1702 geeignet
zur Verwendung mit der Erfindung.
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17 zeigt
eine schematische Darstellung eines Einlasslufttrennsystems 1702 für einen
Motor 1704. Die Einlassseite des Motors 1704 weist
eine Einlassluftleitung 1706 auf, ferner eine Einlasssammelleitung 1708,
eine Einlassluftunterdrucksetzungsvorrichtung 1710, beispielsweise
einen Turbolader und einen Zwischenkühler oder einen Luft-zu-Luftnachkühler 1716.
Die Einlassluftunterdrucksetzungsvorrichtung 1710 kann eine
durch Abgas angetriebene Turbine 1714 aufweisen, die ihrerseits
einen Kompressor 1712 antreibt. Der Motor 1704 weist
auch einen Hauptverbrennungsabschnitt 1720 und ein Abgassystem 1724 auf.
Obwohl dies nicht in großen
Einzelheiten dargestellt ist, weist der typische Hauptverbrennungsabschnitt 1720 neben
anderen Elementen einen Motorblock auf, ferner einen Zylinderkopf,
der eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 1722 darinnen
bildet. Assoziiert mit jedem der Zylinder 1722 ist eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung, eine Zylinderauskleidung, mindestens
ein Lufteinlassanschluss und entsprechende Einlassventile und zwar
an mindestens einem Abgas- bzw. Auslassgasanschluss und entsprechende
Abgas- bzw. Auslassventile und ferner ist ein hin- und hergehender
Kolben vorgesehen, der innerhalb jedes Zylinders hin- und herbewegbar
ist, um in Verbindung mit der Zylinderauskleidung und dem Zylinderkopf
die Verbrennungskammer zu definieren. Das Abgassystem 1724 des
Motors 1704 weist eine Abgassammelleitung 1726 oder
gespaltene Auslasssammelleitungen auf und zwar eine oder mehrere
Auslassleitungen 1728 und die Turbine 1714. Wahlweise
kann das Auslass- oder Ausstoßsystem 1724 eine
oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen,
wie beispielsweise Teilchenfallen, NOx-Adsorbierer, Oxidations-
oder magere NOx-Katalysatoren oder andere kürzliche Fortschritte bei der
Abgasnachbehandlung. Schließlich
weist der Motor 1704 ein elektronisches Steuermodul (ECM
= Electronic Control Module) 1730 auf, d.h, eine Steuervorrichtung
zum betriebsmäßigen Steuern
oder Regeln der Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung und der Luftsystemventiloperationen
ansprechend auf einen oder mehrere gemessene oder abgefühlte Motorbetriebsparameter
und zwar verwendet als Eingangsgrößen für das ECM 1730.
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Die Einlassluftleitung 1706 steht
in Strömungsverbindung
mit dem Einlasslufteingang 1732, dem Kompressor 1712,
der Einlassluftunterdrucksetzungsvorrichtung 1710 und dem
Nachkühler 1716.
Obwohl das Einlasslufttrennsystem 1702 in Verbindung mit
einem konventionellen turbogeladenen Dieselmotor gezeigt und beschrieben
ist, ist das offenbarte System 1702 in gleicherweise bei
Motoren mit einem Turbolader, der eine variable Geometrie besitzt
(VGT = Variable Geometry Turbocharger) oder anderen supergeladenen
Motoren verwendbar, und zwar einschließlich Motoren mit Druckwellensuperladevorrichtungen.
Die Einlasssammelleitung 1708 ist an einem Ende mit der
Einlassluftleitung 1706 verbunden. Ein Einlassdrucksensor 1718 ist
irgendwo angeordnet in dem Einlasslufttrennsystem 1702 dargestellt,
beispielsweise gezeigt nahe der Einlasssammelleitung 1708,
und sieht Einlassluftdruckdaten für das ECM 1730 vor.
Andere Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren, Sauerstoffsensoren
(nicht gezeigt) und dergleichen können ebenfalls innerhalb des
Einlasslufttrennsystem 1702 eingebaut sein und sind in ähnlicherweise
oder gleicherweise gekoppelt, wie die Eingänge des ECM 1730.
Zu dem können
verschiedene andere Vorrichtungen, wie beispielsweise Filter, Ventile,
Betätiger,
Bypassleitungen, usw., obwohl hier nicht gezeigt, verwendet werden,
und zwar innerhalb des Einlasslufttrennsystems 1702. Irgendwelche
solchen elektronischen Betriebskomponenten, wie beispielsweise Ventile
und/oder Betätiger
sind vorzugsweise betriebsmäßig mit
dem ECM 1730 gekuppelt und arbeiten ansprechend auf die
ausgewählten
Motorbetriebsparameter oder Bedingungen und zwar einschließlich der Motordrehzahl,
der Motorlast, dem Verstärkungsdruckbedingungen,
usw.
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Das veranschaulichte Einlasslufttrennsystem 1702 weist
eine Einlasslufttrennvorrichtung 1734 auf, und zwar angeordnet
innerhalb des Einlasslufttrennsystems 1702 des Motors 1704.
Die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 kann ausgelegt sein
zur Aufnahme von im Wesentlichen der gesamten Motorverbrennungsluft an
dem Lufttrennvorrichtungseinlass 1736, d.h. am Einlasslufteinlass,
und trennt diese in eine Strömung 1738 aus
sauerstoffangereicherter Luft, d.h. eine Permeatströmung, und
eine Strömung 1740 aus
stickstoffangereicherter Luft, d.h. eine Retentatströmung. Die
veranschaulichte Einlasslufttrennvorrichtung 1734 weist
zwei Einlässe
und zwei Auslässe
auf. Der erste Einlass oder Eingang ist der Einlasslufteinlass 1736,
der die Luft aufnimmt, die in einen sauerstoffreichen Strom und
einen stickstoffreichen Strom aufgeteilt werden soll. Der zweite
Einlass oder Eingang ist ein Spüllufteinlass 1742,
der in der Lage ist, eine Strömung 1744 aus
Reinigungsluft oder Spülluft
zu empfangen, die die Permeationseffektivität der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 verbessert. Die
Spülluft 1744 kann
von einer Strömung
von Einlassluft 1758 vom Kompressor 1712 und dem
Nachkühler 1716 abgenommen
werden. Alternativ kann die Strömung
der Spülluft 1744 eine
gesonderte Strömung
der gefilterten Umgebungsluft sein. Der erste Auslass oder Ausgang
oder der Permeatausgang 1746 der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 ist
in der Lage, Permeatströmung 1738 aus
sauerstoffangereicherter Luft kombiniert mit der Strömung von
Spülluft 1744 aufzunehmen.
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Der zweite Auslass oder Ausgang oder
der Retentatausgang 1748 kann die Retentatströmung 1740 aus
stickstoffangereicherter Luft aufnehmen. Vorzugsweise ist die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 eine
Vollströmungstrenneinheit
und somit besteht keine Notwendigkeit für ein darauffolgendes Mischen
des stickstoffangereicherten Luftflusses oder der stickstoffangereicherten
Luftströmung 1740,
die den Retentatausgang 1748 verlässt mit mehr Einlassluft. Der
Retentatausgang 1748 ist ferner, in Strömungsmittelverbindung mit der Einlasssammelleitung 1708 des
Motors 1704. Ein Permeatströmungsventil 1750 kann
benachbart oder in der Nähe
des Permeatausgangs 1746 angeordnet sein. Das Permeatströmungsventil 1750 ist
vorzugsweise ansprechend auf Signale betätigt, die von dem ECM 1730 empfangen
werden, welches die Permeatströmung 1738 weg
von der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 steuert und dadurch
die Strömung 1740 vom
Retentataus lass 1748 zur Einlasssammelleitung 1708 steuert
bzw. regelt. Genauer gesagt, steuert bzw. regelt das Permeatströmungsventil 1750,
angeordnet in der Nähe
des Permeatausgangs 1746, sowohl die Permeatströmung 1738 als
auch die Strömung
der Spülluft 1744 weg
von der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 und steuert bzw. regelt
somit die relativen Konzentrationen von Stickstoff und Sauerstoff
in der Luft, die zu der Einlasssammelleitung 1708 und den
Verbrennungszylindern 1722 gerichtet ist.
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Die Stelle oder der Ort des Permeatströmungsventils 1750 ist
vorzugsweise an oder nahe dem Permeatausgang 1746. Eine
derartige Anordnung hilft bei dem Ansprechvermögen des Motors 1704 basierend auf
einer relativ schnellen Änderung
des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts der Luft, die den Retentatauslass 1748 verlässt und
in die Einlass- oder Ansaugsammelleitung 1708 läuft, wenn
das Permeatströmungsventil 1750 betätigt ist,
beispielsweise geöffnet
oder geschlossen ist, und zwar während Übergangsbetriebsbedingungen.
Die selektive Betätigung
des Permeatströmungsventils 1750 gestattet,
dass der Motor 1704 im Wesentlichen in drei unterschiedlichen
Ladeluftbetriebsarten arbeitet, nämlich der stickstoffangereicherten
Betriebsart, d.h. das Ventil ist teilweise oder vollständig offen,
der Standardeinlassluftbetriebsart, d.h. das Ventil ist für eine ausgewählte Zeitspanne
geschlossen und der vorübergehenden
sauerstoffangereicherten Betriebsart, die für einen Zeitperiode oder Dauer
auftritt, wenn das Permeatströmungsventil 1750 zuerst
geschlossen ist. Die exakte Lage oder Stelle des Permeatströmungsventils 1750 ist
vorzugsweise optimiert, um die unterschiedlichen Betriebsarten der
Ladungsluft auszunutzen, und insbesondere die vorübergehende
Ladung von mit Sauerstoff angereicherter Luft, die dann auftritt,
wenn das Permeatströmungsventil 1750 zuerst geschlossen
ist.
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Die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 verwendet
vorzugsweise eine Vielzahl von selektiv permeablen Trennmembranen 1754,
die die Umgebungsluft in Ströme
von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangereicherter Luft
trennen. Derartige Membranen 1754 sind in der Technik wohlbekannt.
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Die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 kann
ein Gehäuse
oder einen Mantel 1746 aufweisen, und zwar mit einem Einlass-
oder Ansauglufteinlass 1736, dem Spüllufteinlass oder -eingang 1742,
dem Permeatauslass oder -ausgang 1746 und dem Retentatauslass
oder -ausgang 1748. Eine Vielzahl von selektiv permeablen
Membranelementen oder Fasern ist in einer im Allgemeinen longitudinalen
oder schraubenlinienförmigen, beispielsweise
spiralförmigen
Orientierung innerhalb des Gehäuses 1756 angeordnet
und an jedem Ende verkittet oder abgedichtet. Die Lufttrennmembran 1754 sind
vorzugsweise hohle, poröse,
beschichtete Rohre, durch die ausgewählte Gase, wie beispielsweise
Wasserstoff, Helium, Wasserdämpfe,
Kohlendioxid und Sauerstoff tendenziell nach außen durch die Membrane permeieren,
und zwar mit einer relativ schnellen Rate, während andere Gase, wie beispielsweise
Kohlenmonoxid, Argon und Stickstoff weniger schnell permeieren und
größten Teils
zurückgehalten
werden und entlang der Membranrohre transportiert werden. Unterschiedliche
Gase, die in der Strömung 1758 der
Einlassluft vorhanden sind, haben die Tendenz durch die Membran 1754 mit
unterschiedlichen relativen Permeationsraten zu permeieren, und
zwar im Allgemeinen durch die Seitenwände der Membran 1754.
Die Permeationsrate hängt
auch teilweise von der Membrantemperatur ab, und daher steuert die Änderung
oder die Regelung der Temperatur der in die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 eintretenden
Gase schließlich
die Permeabilität.
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Die Einlass- oder Ansaugluft wird
in das Gehäuse 1756 und
die Membranen 1754 der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 eingeführt, und
zwar in einer Orientierung oder Richtung, die im Allgemeinen entlang
der Länge
der Membranen 1754 verläuft.
Auf diese Weise wird die Strömung 1758,
der Einlassluft im Allgemeinen entlang der Länge der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 transportiert
oder fließt
da entlang. Umgekehrt wird die Strömung 1744 der Spülluft in
das Gehäuse 1756 und
die Membranen 1754 in einer Querströmungsorientierng oder Richtung
derart eingegeben, dass die Strömung 1744 der
Spülluft
im Allgemeinen über
die Außenoberflächen der
Membranen 1754 fließt.
Die Strömung
oder der Fluss 1744 der Spülluft tritt dann aus dem Gehäuse 1756 über den
Permeatauslass 1746 als Teil der Permeatströmung 1738 aus,
und zwar zusammen mit der permeateten sauerstoffreichen Luft. Die
Retentatströmung 1740 aus
stickstoffreicher Luft tritt aus dem Gehäuse 1756 über den
Retentatauslass oder Ausgang 1748 aus.
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Die obige Beschreibung einer Einlasslufttrennvorrichtung 1734 veranschaulicht
nur ein Beispiel der Reinigungs- oder Spülluftströmungskonfigurationen, die gute
Trennergebnisse erzeugen. Verschiedene andere Stimmungskonfigurationen
können
ebenfalls verwendet werden. Die verschiedenen Spülströmungskonfigurationen offerieren
Unterschiede hinsichtlich der Trennperformance oder leistungsfähigkeit
und der Packungsgegebenheiten und ein Zuschnitt kann auf die spezielle
Anwendung erfolgen, bei der die Lufttrennvorrichtung verwendet wird.
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Der Kompressor 1712 der
Einlassluftdruckvorrichtung 1710 wird dazu verwendet, um
die Einlassluft zwangsweise durch die auf Membranen basierende Einlasslufttrennvorrichtung 1734 zu
treiben, wobei dies oftmals als die Druckbetriebsart bezeichnet
wird. In der gleichen Art und Weise wird die Strömung 1744 der Spülluft von
der Strömung 1758 der
verstärkten
abgekühlten
Einlassluft aufgenommen oder abgelenkt und an den Spüllufteinlass
oder -eingang 1742 geleitet. Ein Spülluftventil 1752 ist
betriebsmäßig mit
dem ECM 1730 gekoppelt und kann zur Steuerung der Strömung 1744 der
Spülluft
bei verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet werden. Auf diese
Weise werden die Strömung 1744 der
Spülluft
und die Strömung
der Einlassluft 1758 typischerweise unter Druck gesetzt,
während
die Permeatströmung 1738 der
sauerstoffangereicherten Luft und die Spülluft, die aus der Einlasslufttrennvorrichtung 1734 austritt,
vorzugsweise auf einem etwas niedrigeren Druck sich befindet und
zwar in Folge der Druckverluste, die beim Strömen durch die Einlasslufttrennvorrichtung 1734 erfahren
werden. Dieser Druckgradient über
die Membrane 1754 hinweg ermöglicht das Auftreten der Lufttrennung.
Wie dargestellt, wird die Permeatströmung 1738 vorzugsweise
zur Atmosphäre
hin belüftet
oder in anderer Weise zu anderen Teilen des Motors 1704 hingeleitet,
und zwar einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf das Ausstoß-
oder Abgassystem 1724. Die Permeatströmung 1738 kann aber
auch an die Verbrennungszylinder 1722 geliefert werden,
um mindestens einen Teil einer Versorgung von Oxidationsmittel zur Unterstützung der
Verbrennung zu liefern. Die Retentatströmung 1740 aus stickstoffangereicherter
Luft wird in die Einlasssammellei tung 1708 in einem im
Allgemeinen unter Druck gesetzten Zustand geliefert, wohl aber mit
einem niedrigeren Druck als die Einspeise- oder Einlassluftdruck
infolge der Verluste die verursacht werden durch die auf Membranen
basierende Einlasslufttrennvorrichtung 1734.
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Kurz auf 1 bezugnehmend sei bemerkt, dass es zweckmäßig oder
erwünscht
sein kann, eine variable Ventilzeitsteuerung zu verwenden, um bei
der Performance der vorliegenden Erfindung Hilfestellung zu leisten.
Beispielsweise kann die Temperatur im Zylinder 119 erhöht werden,
auf welche Weise Unterstützung bei
der Steuerung oder Regelung der Verbrennung erfolgt, und zwar durch
Verändern
der Zeitsteuerung des Auslass- oder Abgasventils 152. Insbesondere
kann durch Veränderung
der Zeitsteuerung des Schließens
des Auslassventils 152 ein Teil der heißen Restgase aus der Verbrennung
in der Verbrennungskammer 138 eingefangen werden und der
Start der Verbrennung des nächsten
Zyklus wird vorgeschoben.
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Es kann auch erwünscht oder zweckmäßig sein,
die Zeitsteuerung des Einlassventils 140 zu verändern, um
das Luft-zu-Kraftstoffverhältnis
während
der Beschleunigung des Motors 102 zu modellieren und somit
die Verbrennung weiterhin zu regeln bzw. zu steuern. Die Veränderung
der Zeitsteuerung (Timing) des Schließens des Einlassventils 140 dient
dazu den Motor in einem Miller-Zyklus zu betreiben, der das effektive Kompressionsverhältnis absenkt,
was wiederum den Start der Verbrennung verzögert. Die Veränderung
der Zeitsteuerung der Öffnung
des Einlassventils 140 gestattet, dass heiße Abgase
in den Einlassanschluss 124 fließen, was den Start der Verbrennung
vorschiebt.
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Die 18 und 19 veranschaulichen den Betrieb
einer beispielhaften Technik zum Erreichen der variablen Ventilzeitsteuerung.
Obwohl die Beschreibung unten und die 18 und 19 den variablen Ventilbetrieb des
Einlassventils zeigen, sind ähnliche
Prinzipien zur Veränderung
der Zeitsteuerung eines Auslassventils gültig.
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18 zeigt
eine schematische Veranschaulichung, und zwar im Querschnitt, eines
Teils eines Verbrennungsmotors 1802. Ein Zylinderkopf 1804 ist
mit einem Motorblock 1806 verbunden. Der Zylinderkopf 1804 nimmt
einen oder mehrere Zylinder 1808 auf. Für die Zwecke der Darstellung
wird die 18 unten unter Bezugnahme
auf einen Zylinder 1808 beschrieben. Der Zylinder 1808 enthält einen
Kolben 1810, der gleitbar im Zylinder 1808 beweglich
ist. Eine Kurbelwelle 1812 ist drehbar innerhalb des Motorblocks 1806 angeordnet. Eine
Verbindungsstange 1814 kuppelt den Kolben 1816 an,
die Kurbelwelle 1812 wird als die Gleitbewegung des Kolbens 1810 innerhalb
des Zylinders 1808 die Drehung der Kurbelwelle 1812 zur
Folge hat. In ähnlicherweise
hat die Rotation der Kurbelwelle 1812 die Gleitbewegung
des Kolbens 1810 zur Folge. Beispielsweise entspricht eine
oberste Position des Kolbens 1810 im Zylinder 1808 einer
oberen Totmittelpunktposition der Kurbelwelle 1812 und
eine unterste Position des Kolbens 1810 im Zylinder 1808 entspricht
einer unteren Totmittelposition der Kurbelwelle 1812.
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Wie der Fachmann erkennt, bewegt
sich der Kolben 1810 in einem konventionellen Viertaktmotorzyklus
zwischen der obersten Position und der untersten Position während eines
Verbrennungs- (oder Expansions-) Hubs, Ausstoßhubs, Ansaughubs, Kompressionshubs.
Dabei dreht sich die Kurbelwelle 1812 aus der oberen Totpunktmittelposition
zur unteren Totpunktmittelposition, während des Verbrennungshubs,
von dem unteren Totpunktmittelpunkt zu dem oberen Totpunktmittelpunkt
während
des Ausstoßhubs,
von dem oberen Totpunktmittelpunkt zum unteren Totpunktmittelpunkt
während
des Ansaughubs, und von dem unteren Totpunktmittelpunkt zum oberen
Totpunktmittelpunkt während
des Kompressionshubs. Sodann beginnt der Viertaktzyklus von neuem.
Jeder Kolbenhub steht mit ungefähr
180 Grad der Kurbelwellendrehung oder dem Kurbelwinkel in Korrelation.
Auf diese Weise kann der Verbrennungshub bei ungefähr 0 Grad
Kurbelwellenwinkel beginnen, der Ausstoßhub bei ungefähr 180 Grad,
der Ansaughub bei ungefähr
360 Grad und der Kompressionshub bei ungefähr 540 Grad.
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Der Zylinder 1808 weist
mindestens einen Ansaug- oder Einlassanschluss 1816 und
mindestens einen Auslassanschluss 1818 auf, der dann jeder
sich in eine Verbrennungskammer 1820 öffnet. Der Einlassanschluss 1816 ist
mit einem Einlassdurchlass 1822 gekuppelt und der Auslassanschluss 1818 ist
mit einem Auslassdurchlass 1824 gekuppelt. Der Einlass-
oder Eingangsanschluss 1816 wird durch eine Einlassventilanordnung 1826 geöffnet und
geschlossen und der Auslass- oder Ausgangsanschluss 1818 wird
durch eine Auslassventilanordnung 1828 geöffnet und
geschlossen. Die Einlassventilanordnung 1826 weist beispielsweise ein
Einlassventil 1830 mit einem Kopf 1832 an einem
ersten Ende 1834 auf, wobei der Kopf 1832 derart
bemessen und angeordnet ist, dass der Einlassanschluss 1816 selektiv
geschlossen wird. Ein zweites Ende 1836 des Einlassventils 1830 ist
mit einem Kipparm 1838 oder irgendeinem anderen konventionellen
Ventilbetätigungsmechanismus
verbunden. Das Einlassventil 1830 ist zwischen einer ersten
Position und einer zweiten Position bewegbar, wobei in der ersten
Position die Strömung
von dem Einlassanschluss 1816 zum Eintritt in den Zylinder 1808 gestattet
ist und wobei in der zweiten Position im Wesentlichen die Strömung vom
Einlassanschluss 1816 zum Zylinder 1808 gesperrt
oder blockiert ist. Vorzugsweise ist eine Feder 1840 um
das Einlassventil 1830 herum angeordnet, um das Einlassventil 1830 in
die zweite, geschlossene Position vorzuspannen.
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Eine einen Nocken 1844 mit
einem oder mehreren Nockenkurven 1846 tragende Nockenwelle 1842 ist
derart angeordnet, dass die Einlassventilanordnung 1826 zyklisch
betätigt
wird und zwar basierend auf der Konfiguration des Nockens 1844,
der Nockenflächen
bzw. Nockenkurven 1846 und der Drehung der Kurbelwelle 1842,
um so das gewünschte
Einlassventiltiming bzw. dessen Zeitsteuerung zu erreichen. Die
Auslassventilanordnung 1828 ist in einer Art und Weise ähnlich der
Einlassventilanordnung 1826 konfiguriert und wird vorzugsweise
durch eine der Nockenflächen 1846 des
Nockens 1844 betätigt.
In einem Ausführungsbeispiel ist
die Einlassnockenfläche 1846 konfiguriert
zur Betätigung
des Einlassventils 1830 in einem konventionellen Otto-
oder Dieselzyklus, wodurch das Einlassventil 1830 sich
in die zweite, geschlossene Position von zwischen ungefähr 10 Grad
vor der unteren Totpunktmitte des Einlasshubs und ungefähr 10 Grad
nach der unteren Totpunktmitte des Kompressionshubs bewegt. Alternativ
kann die Einlassventilanordnung 1826 und/oder die Auslassventilanordnung 1828 hydraulisch,
pneumatisch, elektronisch oder durch irgendeine andere Kombination
aus mechanischen, hydraulischen, pneumatischen und/oder elektronischen
Elementen betätigt
werden.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die Einlassventilanordnung 1826 einen variablen Einlassventilschließmechanismus 1848 auf,
und zwar strukturiert und derart angeordnet, um selektiv die zyklische Bewegung
des Einlassventils 1830 zu unterbrechen und die Schließzeitsteuerung
des Einlassventils 1830 zu verlängern. Der variable Einlassventilschließmechanismus 1848 kann
hydraulisch, pneumatisch, mechanisch, elektronisch oder irgendeiner
Kombination daraus betätigt
werden. Beispielsweise kann der variable Einlassventilschließmechanismus 1848 selektiv
betätigt
werden, um hydraulisches Strömungsmittel
oder hydraulisches Fluid beispielsweise mit einem niedrigen Druck
oder einem hohen Druck zu liefern, und zwar in einer Art und Weise
zum Widerstehen des Schließens
des Einlassventils 1830 durch die Vorspannung der Feder 1840. D.h.,
nachdem dass Einlassventil 1830 angehoben, d.h. geöffnet ist,
und zwar durch den Nocken 1844, und dann, wenn der Nocken 1844 nicht
mehr das Einlassventil 1830 offen hält, kann er das hydraulische
Strömungsmittel,
das Einlassventil 1830 für eine gewünschte Periode oder Soll-Periode
offenhalten. Die gewünschte
oder Soll-Periode
kann sich ändern
abhängig
von der gewünschten
oder Soll-Performance des Motors 1802. Auf diese Weise
ermöglicht
der variable Einlassventilschließmechanismus 1848 dem
Motor 1802 gemäß einem
konventionellen Otto- oder Dieselzyklus zu arbeiten, oder aber gemäß einem
variablen spätschließenden Miller-Zyklus. In alternativen
Ausführungsbeispielen
kann das Einlassventil 1830 durch ein nockenloses System
(nicht gezeigt) gesteuert werden, und zwar beispielsweise durch
ein elektro-hydraulisches System, wie dies im Stand der Technik
wohl bekannt ist.
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Wie in 19 gezeigt,
kann das Einlassventil 1830 bei ungefähr 360 Grad Kurbelwinkel anfangen
sich zu öffnen,
d.h. dann, wenn die Kurbelwelle 1812 sich an oder nahe
der oberen Totpunktmittelposition eines Einlasshubs 1906 befindet.
Das Schließen
des Einlassventils 1830 kann selektiv von ungefähr 540 Grad
Kurbelwinkel verändert
werden, d.h. dann, wenn die Kurbelwelle 1812 sich an oder
nahe Ihrer unteren Totpunktmittelposition eines Kompressionshubs 1907 befindet,
und zwar bis ungefähr
650 Grad Kurbelwinkel, d.h. ungefähr 70 Grad vor der oberen Mitte
des Verbrennungshubs. Auf diese Weise kann das Einlassventil 1830 für den größten Teil
des Kompressionshubs 1907 offen gehalten werden, d.h. wäh rend der
ersten Hälfte
des Kompressionshubs 1907 und einen Teil der zweiten Hälfte des
Kompressionshubs 1907.
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Eine Steuervorrichtung 1850,
beispielsweise ein elektronisches Steuermodul (ECM) kann elektrisch mit
dem variablen Einlassventilschließmechanismus 1848 verbunden
werden. Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung 1850 konfiguriert
zur Steuerung des Betriebs des variablen Einlassventilschließmechanismus 1848 basierend
auf einem oder mehreren Motorbedingungen oder -zuständen, beispielsweise
der Motordrehzahl, der Last, dem Druck und/oder Temperatur, um so
eine gewünschte
oder Soll-Motorperformance zu erreichen. Es sei bemerkt, dass die
Funktionen der Steuer- oder Regelvorrichtung 1850 durch
eine einzige oder durch eine Vielzahl von Steuer- bzw. Regelvorrichtungen
ausgeführt
werden können.
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Wiederum auf 1 bezugnehmend sei bemerkt, dass bei
einigen der Betriebsbedingungen, wie beispielsweise beim Starten
des Motors und beim Betrieb mit leichter Last es zweckmäßig sein
kann, den Motor 102 unter Verwendung eines Funkenzündsystems
(nicht gezeigt) zu betreiben, was im Stand der Technik bekannt ist.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Als ein Beispiel der Anwendung der
vorliegenden Erfindung sei auf die 20 Bezug
genommen, in der ein Flussdiagramm gezeigt ist, welches ein Verfahren
zum Betrieb eines Kompressionszündungsmotors 102 veranschaulicht,
der eine Zylinderwand 120, einen Kolben 130 und
einen Kopf 122 aufweist, die eine Verbrennungskammer 138 definieren.
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In einem ersten Steuerblock 2002 wird
Kraftstoff an die Verbrennungskammer 138 geliefert, so
dass der Kraftstoff im Wesentlichen gleichförmig durch die Verbrennungskammer 138 hindurch
verteilt wird und zwar beabstandet von der Zylinderwand 120.
Insbesondere wird der Kraftstoff durch die Verbrennungskammer 138 verteilt,
um einen im Wesentlichen homogene Verteilung vorzusehen, wobei jedoch
die Kraftstoffverteilung derart gesteuert wird, dass der Kraftstoff
nicht auf die Zylinderwand 120 auftrifft, was eine Kraftstoffkondensation
und darauffolgende Verschlechterung des Schmieröls in dem Motor 102 zur
Folge haben würde.
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In einem zweiten Steuerblock 2004 wird
hinreichend Oxidationsmittel an die Verbrennungskammer 138 geliefert,
um die Verbrennung einer ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer
zu unterhalten. Typischerweise weist das Oxidationsmittel einen
Vorrat oder Versorgung an frischer Luft auf, wie dies im Stand der
Technik bekannt ist. Das Oxidationsmittel könnte jedoch auch mindestens
teilweise eine Lieferung von Sauerstoff sein, und zwar erhalten
durch Mittel, wie beispielsweise die Verwendung der Membrantechnologie,
wie dies oben beschrieben wurde.
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In einem dritten Steuerblock 2006 wird
ein Vorrat an Verdünnungsmittel
an die Verbrennungskammer 138 geliefert und zwar ausreichend
zur Veränderung
der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer auf eine zweite vorbestimmte
Verbrennungsdauer. Vorzugsweise unterscheidet sich die zweite vorbestimmte
Verbrennungsdauer von der ersten vorbestimmten Verbrennungsdauer.
Beispielsweise kann die zweite vorbestimmte Verbrennungsdauer größer sein
als die erste vorbestimmte Verbrennungsdauer derart, dass die Verbrennung über eine
längere
Zeitperiode hinweg gesteuert wird.
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Das Verdünnungsmittel kann EGR; Luft,
ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff und dergleichen sein.
Beispielsweise, wie oben beschrieben, kann das Verdünnungsmittel
ein Gas sein, welches bis zu 40 bis 60% EGR enthält. Als ein weiteres Beispiel
sei bemerkt, dass das Verdünnungsmittel
eine Stickstoffmenge enthalten kann, und zwar enthalten durch Mittel,
wie beispielsweise die oben beschriebene Membrantechnologie. Das
Verdünnungsmittel
kann eine Kombination von Gasen umfassen.
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In Kombination mit der Verbrennungsdauer
die durch die Zugabe des Verdünnungsmittels
geändert wird,
kann das Verdünnungsmittel
auch dazu dienen, die erste vorbestimmte Druckanstiegsrate in der
Verbrennungskammer 138 auf eine zweite vorbestimmte Druckanstiegsrate
zu verändern.
Beispielsweise kann die Druckanstiegsrate während der Verbrennung von der
Zugabe des Verdünnungsmittels
abnehmen. Wie oben beschrieben, dient 7 zur
Veranschaulichung der Änderung
sowohl der Verbrennungsdauer als auch der Verbrennungsdruckanstiegsrate
(und des Spitzendruckes) durch die Zugabe eines Verdünnungsmittels.
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Andere Aspekte der Erfindung erhält man aus
einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung sowie der beigefügten Ansprüche.