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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Motorsteuerungsstrategien für Verbrennungsmotoren. Für bestimmte
Einsatzzwecke kann die Erfindung auf ein Motorsystem anwendbar sein,
das entweder im Zweitakt- oder im Viertakt-Verbrennungszyklus arbeiten
und zwischen dem Zweitakt- und dem Viertakt-Verbrennungszyklus umschalten
kann.
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Stand der Technik
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Ein
mit einem Zweitakt-Verbrennungszyklus betriebener Hubkolbenverbrennungsmotor
kann kolbengesteuert sein, oder den Einlass- und Auslassprozess
steuernde Ventile aufweisen. Bei den kolbengesteuerten Bauarten
erfolgt die Betätigung
der Öffnungen
typischerweise symmetrisch um die untere Totpunktposition (UTP)
des Kolbens, das heißt,
die Öffnungssteuerzeiten
der Einlassöffnung
vor der UTP-Position
sind ungefähr
gleich den Schließsteuerzeiten
der Einlassöffnung
nach UTP, und die Öffnungssteuerzeiten
der Auslassöffnung
vor UTP sind etwa gleich den Schließsteuerzeiten der Auslassöffnung nach
UTP. Üblicherweise
kommt eine gewisse Überlappung
vor, bei der die Einlass- und Auslassöffnungen gleichzeitig geöffnet sind,
so dass die angesaugte Luft zu beitragen kann, den Verbrennungsraum
von Abgas zu befreien (Spülung).
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Ein
weiteres Problem bei einem unter dem Zweitaktzyklus arbeitenden
Motor ist das Kurzschließen
von Frischladung aus der Saugöffnung
zur Auslassöffnung,
wodurch der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von unverbrannten
Kohlenwasserstoffen erhöht
werden.
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Benzinmotoren
für automobile
Anwendungen verwenden fast ausschließlich Viertakt-Verbrennungskreisläufe aufgrund
der günstigen
Kombination von gutem Motorwirkungsgrad in einer Vielzahl von Einsatzbedingungen,
geringen Emissionen, einem hohen Veredelungsgrad (Geräusche und
Schwingungen) und hoher Zuverlässigkeit.
Der Zweitakt-Verbrennungszyklus kann in bestimmten Einsatzgebieten
gegenüber
einem Viertakt-Verbrennungszyklus einige Vorteile bieten, einschließlich der Leistung
bei geringer Motordrehzahl, geringeren Schwingungen bei niedrigen
Motordrehzahlen und, wenn man die Kontrolle über die Einlass- und Auslassphase
hinzunimmt, dem Potential eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs
bei einem Motor, der zwischen Zweitakt- und Viertaktbetrieb umschalten
kann.
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Die
Herausforderung, mit der die meisten Automobilhersteller der Welt überwiegend
in Europa konfrontiert sind, besteht darin, den Kraftstoffverbrauch
des Fahrzeugs nicht nur während
des gesetzlich vorgeschriebenen Testverfahrens zu reduzieren, sondern
auch für
reale Fahrbedingungen von Kunden. Viele der gängigen Technologien behandeln
nur einen dieser Bereiche (also entweder gesetzlich vorgeschriebene
Testverfahren oder reale Fahrbedingungen).
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Die
Magerverbrennungstechnologie bei Benzinmotoren ist ein Bereich,
in dem in den letzten 10 Jahren viele Entwicklungen stattgefunden
haben und der die größte Reduzierung
des Kraftstoffverbrauchs bei einem gegebenen Motorhubraum bietet.
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Magerverbrennungsmotoren
haben den Markt jedoch nicht erfolgreich erobert und die Produktionsvolumina
gehen vielmehr zurück,
da viele Hersteller ihre aktuellen Magerverbrennungsmotoren durch
Motoren, die bei stöchiometrischem
Luft/Kraftstoffverhältnis
arbeiten, ersetzen. Dies liegt vor allem an den äußerst hohen Kosten, die mit
der Nachbehandlung der Emissionen bei Magerbetrieb verbunden sind.
Außerdem
hat es sich gezeigt, dass der Magerbetrieb begrenzt ist und in vielen
Fahrbedingungen zu einem reduzierten oder keinem Vorteil führt, was
gegenüber
den gegenwärtig
hergestellten stöchiometrischen
Verbrennungssystemen geringe Vorteile bietet.
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Derzeit
liegt der Schwerpunkt aufgrund der Einfachheit und der geringen
Kosten der Nachbehandlungssysteme stärker auf Verbrennungssystemen
mit stöchiometrischem
Betrieb. Neue Techniken zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs
werden untersucht unter Einbeziehung von Verkleinerung und Turboladung
(Einsatz eines kleineren Motors mit höherer spezifischer Leistung),
um ein stöchiometrisches
Verbrennungssystem aufrechtzuerhalten und den Wirkungsgrad des Motors
zu erhöhen.
Durch Einsatz eines Verbrennungssystems, das bereits vorhandene
3-Wege-Katalysatortechnologien
verwendet (Einsatz bei stöchiometrischem
Betrieb), ist die Technologie auch für alle fortgeschrittenen Fahrzeugmärkte, einschließlich der
USA, Japan und China geeignet. Um zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
den Motorwirkungsgrads eines stöchiometrischen
Verbrennungssystems weiter zu verbessern, muss die Einlass-Pumparbeit
(Arbeit, die erforderlich ist, um die Einlassluft über eine
Drosselklappe in den Zylinder zu ziehen) im Teillastbetrieb reduziert
werden. Derzeit wird die Einführung
von EGR (Abgasreste, engl. "exhaust
gas residuals")
dazu eingesetzt, die Ladungsverdünnung
im Teillastbetrieb zu erhöhen, um
das Zylinderfüllvolumen
zu vergrößern und
folglich Einlass-Pumpverluste zu reduzieren. Diese Technik führt bei
typischen Fahrzeugfahrbedingungen üblicherweise zu Reduzierungen
des Kraftstoffverbrauchs in der Größe von 2 bis 5%.
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Vor
diesem Hintergrund wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betreiben eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei der Motor
mindestens einen Verbrennungsraum aufweist, der dazu ausgebildet
ist, eine Expansion und eine Kontraktion zwischen einem Maximal-
und einem Minimalvolumenzustand zu erfahren, einem Einlassmittel
zum Einlassen eines Eintrittsfluids in den Verbrennungsraum und
einem Auslassmittel zum Abführen
von Fluid aus dem Verbrennungsraum, das Verfahren umfassend das Öffnen der
Auslassmittel, während
sich der Verbrennungsraum vergrößert, damit
Fluid aus dem Brennraum abfließen kann, das Öffnen der
Einlassmittel, während
sich der Verbrennungsraum weiter vergrößert, um das Eintrittsfluid
in den Verbrennungsraum einzulassen, das Schließen der Auslassmittel während sich
der Verbrennungsraum andauernd weiter vergrößert, um das Abführen von
Auslassfluid aus dem Verbrennungsraum zu unterbrechen und das Schließen der Einlassmittel,
um den Einlass von Eintrittsfluid in den Verbrennungsraum zu unterbrechen.
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Vorzugsweise
wird das Einlassmittel nachdem der Verbrennungsraum seinen Maximalvolumenzustand
erreicht hat und während
seiner nachfolgenden Kontraktion geschlossen.
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Vorzugsweise
umfasst das Eintrittsfluid ein Gas und das Gas umfasst einen Sauerstoffträger.
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Das
Eintrittsfluid kann entweder Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch
umfassen.
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Wenn
das Eintrittsfluid ein Luft-Kraftstoff-Gemisch umfasst, kann der
Kraftstoff in jeder geeigneten Weise, wie beispielsweise herkömmliche
Einspritzung im Ansaugstutzen oder Ansaugrohr in die Luft eingeleitet
werden.
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Vorzugsweise
ist während
der Verbrennung im Verbrennungsraum ein stöchiometrisches Sauerstoffträger-Kraftstoff-Verhältnis vorhanden.
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Vorzugsweise
umfasst der Motor einen 3-Wege-Abgaskatalysator zum gleichzeitigen
Behandeln von Stickoxid und Kohlenwasserstoffen.
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Das
Verfahren kann ferner die Direkteinspritzung von Kraftstoff in den
Verbrennungsraum umfassen. Dies ist erforderlich in dem Fall, dass
das Eintrittsfluid Luft ohne eingemischten Kraftstoff umfasst.
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Vorzugsweise
wird der Kraftstoff während der
Kontraktion des Verbrennungsraums gefördert, so dass kein unverbrannter
Kraftstoff durch das Auslassmittel entweicht.
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Vorzugsweise
wird der Kraftstoff nach Schließen
des Auslassmittels gefördert.
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Der
Kraftstoff kann unter Verwendung eines Doppelfluid-Einspritzsystems
gefördert
werden.
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In
dem Fall, dass das Doppelfluid-Einspritzsystem Luft als Treibmittel
verwendet, um den Kraftstoff in den Motor zu fördern, wird der Kraftstoffeinspritzvorgang
so zeitgesteuert, dass kein unverbrannter Luftsauerstoff durch das
Auslassmittel entweicht. Typischerweise würde dies zu einer Zeitsteuerung
der Kraftstoffeinspritzvorgang zeitnah zu, oder nach dem Schließen des
Auslassmittels führen.
Vorzugsweise umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem ein Kraftstoffmess-Einspritzventil
und ein Gemischzuführungs-Einspritzventil,
wobei das Gemischzuführungs-Einspritzventil einen
Aufnahmeraum aufweist, in den das Kraftstoffmess-Einspritzventil den Kraftstoff abgibt,
wobei der Aufnahmeraum zur Abgabe des Gas-Kraftstoffgemischs in
den Verbrennungsraum dem unter Druck stehenden Gas ausgesetzt ist.
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Typischerweise
umfasst der Motor einen Hubkolbenmotor mit einem Zylinder, in welchem
der Verbrennungsraum definiert ist und der einen Hubkolben aufnimmt,
wobei der Maximalvolumenzustand des Verbrennungsraums der unteren
Totpunktposition (UTP) des Kolbens und der Minimalvolumenzustand
der oberen Totpunktposition (OTP) des Kolbens entspricht.
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Das
Einlassmittel umfasst typischerweise mindestens eine Einlassöffnung und
ein Einlassventil zum Öffnen
und Schließen
der Einlassöffnung.
Ferner umfasst das Auslassmittel typischerweise mindestens eine
Auslassöffnung
und ein Auslassventil zum Öffnen
und Schließen
der Auslassöffnung.
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Die
Ventile können
in jeder geeigneten Weise zur Bewegung zwischen ihrem jeweiligen
offenen und geschlossenen Zustand kontrolliert werden. Die Ventile
können
beispielsweise mechanisch, elektromechanisch, hydromechanisch, elektrohyd raulisch oder
pneumatisch betrieben werden.
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Bei
einem Motorbetrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Auslassöffnung geöffnet und
geschlossen, während
der Verbrennungsraum eine Volumenvergrößerung erfährt, wobei Fluiddruck im Inneren
des Verbrennungsraums dazu verwendet wird, Abgas auszustoßen. Auf
diese Weise gibt es keine mit dem Auslassprozess verbundenen Pumpverluste.
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Bei
Anwendungen nach der bekannten Technik ist bekannt, eine wesentliche Überlappung
zwischen der Offenphase des Einlassventils und der Offenphase des
Auslassventils (üblicherweise
als Ventilüberlapp
bezeichnet) zuzulassen: Bei solchen Fällen der bekannten Technik
kann diese Überlappung Vorteile
hinsichtlich besserer Spülung
und volumetrischem Wirkungsgrad bieten, da sie fluiddynamische Effekte
ermöglicht.
Ein derartiger signifikanter Ventilüberlapp kann zu einem gewissen
Kurzschließen
der Ansaugluft direkt in den Auslass führen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, jegliches Kurzschließen der
eingelassenen Ladung in den Auslass zu unterbinden oder zumindest
so gering wie möglich
zu halten. Dies kann dadurch erfolgen, dass zwischen der Offenphase
des Einlassventils und der Offenphase des Auslassventils eine Überlappung
von Null gewährleistet
wird.
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Es
wurde festgestellt, dass bei einer bevorzugteren Anordnung ein geringes
Maß an Überlappung
vorhanden ist, so dass während
des Expansionshubs des Kolbens kein Schritt vorkommt, bei dem der
Verbrennungsraum vollständig
geschlossen ist, das dies zu Pumpverluste führen würde, wenn der Kolben seinen
Expansionshub gegen einen geschlossenen Verbrennungsraum fortsetzen
und dadurch einen negativen Druck erzeugen würde (auch als "Überexpansion" bezeichnet). In
einem solchen Fall wird das Maß des
Ventilüberlapps
so gesteuert, dass Pumpverluste so gering wie möglich gehalten werden.
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Da
die Möglichkeit,
den Verbrennungsraum von Abgas zu befreien, absichtlich gering gehalten wird,
wird folglich etwas Abgas im Verbrennungsraum zurückbehalten.
Außerdem
ist die Zeit, die der Frischladung zum Kühlen des Verbrennungsraums zur
Verfügung
steht, geringer.
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Das
Vorhandensein von zurückbehaltenem Abgas
im Verbrennungsraum kann sich als nützlich erweisen, da es zum
Zündzeitpunkt
im Inneren des Verbrennungsraums eine höhere Anfangstemperatur erzeugt.
Die zurückbehaltenen
Abgase können
auch zu einer Reduzierung von Pump- und Drosselverlusten beim Einlassprozess
beitragen, da ein verringertes Luftvolumen eingelassen wird.
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Es
ist wünschenswert,
den Motor so zu betreiben, dass lediglich ein herkömmlicher
katalytischer Konverter, wie etwa ein 3-Wege-katalytischer Konverter,
eingesetzt werden muss. Hierzu muss ein stöchiometrischer Betrieb (der
für eine
homogene Kraftstoff-Luft-Ladung typisch ist) gegeben sein. Eine magere
NOx-Falle (die zur Absorption von NOx-Gasen erforderlich ist, die
aus einem mit Überschuss-Sauerstoff im Abgas
arbeitenden Motor ausgestoßen
werden, was typischerweise in Fällen
vorkommt, in denen ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch verwendet
wird) ist dadurch nicht mehr notwendig.
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Der
Motor kann nach Maßgabe
eines Zweitakt-Verbrennungszykluses oder eines Viertakt-Verbrennungszykluses
betrieben werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann ferner das Umschalten des Verbrennungszyklus des Motors zwischen
dem Zweitaktzyklus und dem Viertaktzyklus umfassen.
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Das
Verfahren kann den Betrieb des Motors mit Funkenzündung umfassen.
Alternativ kann das Verfahren den Betrieb des Motors mit homogener Kompressionszündung (HCCI)
umfassen.
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Zusätzlich zu
dem wahlweisen Umschalten des Motorbetriebs zwischen Zwei- und Viertakt-Betrieb,
kann das Verfahren das wahlweise Umschalten des Motorbetriebs zwischen
Funkenzündung
und HCCI beinhalten.
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Das
Betreiben eines Motors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann möglicherweise
einige der mit der Verkleinerung von Motoren verbundenen Schwierigkeiten
lösen,
um bestimmte Emissionsauflagen zu erfüllen und gleichzeitig ein akzeptables
Fahrverhalten bereitzustellen.
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Ein
Motor, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird, kann auch für
den Einbau in ein Hybridsystem geeignet sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Steuerungssystem bereitgestellt
für einen Verbrennungsmotor
mit mindestens einem Verbrennungsraum, der dazu ausgebildet ist,
eine Expansion und eine Kontraktion zwischen einem Maximal- und einem
Minimalvolumenzustand zu erfahren, einem Einlassmittel zum Einlassen
eines Eintrittsfluids in den Verbrennungsraum und einem Auslassmittel zum
Abführen
von Fluid aus dem Verbrennungsraum, wobei das Steuerungssystem dazu
angepasst ist, den Motor mit einem Verbrennungszyklus zu betreiben,
umfassend das Öffnen
der Auslassmittel während
sich der Verbrennungsraum vergrößert, damit
Fluid aus dem Brennraum abfließen
kann, das Öffnen
der Einlassmittel während
sich der Verbrennungsraum weiter vergrößert, um das Eintrittsfluid
in den Verbrennungsraum einzulassen, das Schließen der Auslassmittel während sich
der Verbrennungsraum andauernd weiter vergrößert, um das Abführen von
Fluid aus dem Verbrennungsraum zu unterbrechen und das Schließen der
Einlassmittel nach dem Schließen
der Auslassmittel, um den Einlass von Eintrittsfluid in den Verbrennungsraum
zu unterbrechen.
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Vorzugsweise
ist das Steuerungssystem für das
Umschalten des Motorbetriebes von einem Zweitakt-Verbrennungszyklus
zu einem Viertakt-Verbrennungszyklus und für das wahlweise Umschalten
zwischen dem Zweitakt- und dem Viertakt-Verbrennungszyklus ausgelegt.
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Das
Umschalten zwischen dem Zweitakt- und dem Viertakt- Verbrennungszyklus
ist durch Variation der Ventilsteuerzeiten und der Dauer der Ventilöffnung erreichbar.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Motor bereitgestellt mit mindestens
einem Verbrennungsraum, der dazu ausgelegt ist, eine Expansion und
eine Kontraktion zwischen einem Maximal- und einem Minimalvolumenzustand
zu erfahren, einem Einlassmittel zum Einlassen eines Eintrittsfluids
in den Verbrennungsraum und einem Auslassmittel zum Abführen von
Fluid aus dem Verbrennungsraum und einem Steuerungssystem zum Steuern
des Betriebs der Einlassmittel und der Auslassmittel, wobei das
Steuerungssystem in einem Betriebsmodus dazu ausgebildet ist, die
Auslassmittel zu öffnen, während sich
der Verbrennungsraum vergrößert, damit
Fluid aus dem Brennraum abfließen
kann, die Einlassmittel zu öffnen
während
sich der Verbrennungsraum weiter vergrößert, um Eintrittsfluid in
den Verbrennungsraum einzulassen, die Auslassmittel zu schließen während sich
der Verbrennungsraum andauernd weiter vergrößert, um das Abführen von
Fluid aus dem Verbrennungsraum zu unterbrechen und die Einlassmittel
nach dem Schließen
der Auslassmittel zu schließen.
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Der
Motor kann in einem Zweitakt-Verbrennungszyklus oder einem Viertakt-Verbrennungszyklus
arbeiten. Ferner kann der Motor wahlweise zwischen dem Zweitakt-
und dem Viertakt-Verbrennungszyklus umgeschaltet werden.
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Der
Motor kann ferner eine Abgasanlage mit einem 3-Wege-katalytischen
Konverter umfassen.
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Vorzugsweise
umfasst die Abgasanlage keinen Katalysator, der in der Lage ist,
Stickoxid zu absorbieren, oder auf andere Weise in einer sauerstoffreichen
(d. h. mageren) Umgebung zu behandeln.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
wird die Erfindung nachfolgend anhand eines speziellen Beispiels beschrieben,
das in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht eines gemäß der Ausführungsform
betriebenen Motors ist, wobei der Motor zwischen einem Zweitakt-
und einem Viertakt-Verbrennungszyklus
umschaltbar ist;
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2 ein
Vergleichsdiagramm ist, das den Einlass- und Auslassventilhub sowohl
während
des Motorbetriebs im Zweitakt-, als auch im Viertaktzyklus zeigt;
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3 ein
Ablauf- bzw. Zyklusdiagramm ist, das den relativen Betätigungszeitpunkt
der Einlass- und Auslassventile des Motors darstellt, wenn dieser in
einem Zweitakt-Verbrennungszyklus in einem Zustand für optimale
Drehmomentabgabe arbeitet;
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4 ein
weiteres Ablauf- bzw. Zyklusdiagramm ist, das den relativen Betätigungszeitpunkt der
Einlass- und Auslassventile des Motors darstellt, wenn dieser in
einem Zweitakt-Verbrennungszyklus in einem Zustand für optimalen
Kraftstoffverbrauch arbeitet und
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5 eine
vergleichende graphische Darstellung ist, welche die Zylindergas-Mischungstemperatur
sowohl während
des Motorbetriebs im Zweitaktzyklus, als auch im Viertaktzyklus
zeigt.
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Beste Ausführungsart(en) der Erfindung
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Die
Ausführungsform
ist auf einen Hubkolbenverbrennungsmotor 10 ausgerichtet,
der entweder im Zweitakt- oder im Viertaktverfahren betrieben werden
kann und wahlweise zwischen diesen umgeschaltet werden kann.
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Der
Motor 10 umfasst einen Zylinder 11 und einen in
dem Zylinder aufgenommen Kolben 13. Der Zylinder 11 und
der Kolben 13 wirken zusammen, um einen Verbrennungsraum 15 zu
definieren. Der Verbrennungsraum 15 erfährt bei Hin- und Herbewegung des Kolbens 13 im
Inneren des Zylinders 11 zwischen einer unteren Totpunktposition
(UTP) und einer oberen Totpunktposition (OTP) eine Volumenvergrößerung und
-verkleinerung.
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Zum
Einleiten einer Luftladung in den Brennraum ist ein Einlassmittel 20 vorgesehen
und zum Abführen
von Abgas aus dem Verbrennungsraum ist ein Auslassmittel 30 vorgesehen.
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Das
Einlassmittel 20 umfasst eine zum Verbrennungsraum 15 offene
Einlassöffnung 21 am
Anschlussende einer Zufuhrleitung 23 und ein Einlassventil 25 zum Öffnen und
Schließen
der Einlassöffnung 21.
Ein Steuermittel 27 ist zum Steuern des Betriebs des Einlassventils 25 vorgesehen,
um dessen Öffnen
und Schließen
zu bewirken.
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Das
Auslassmittel 30 umfasst eine zum Verbrennungsraum 15 offene
Auslassöffnung 31 am
Eintrittsende einer Abfuhrleitung 33 und das Auslassventil 35 zum Öffnen und
Schließen
der Auslassöffnung.
Ein Steuermittel 37 ist zum Steuern des Betriebs des Auslassventils 35 vorgesehen,
um dessen Öffnen
und Schließen
zu bewirken.
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Das
Steuermittel 27, 37 zum Steuern des Öffnens und
Schließens
des Einlass- und des Auslassventils kann jede beliebige Form annehmen.
Die Ventilsteuermittel 27, 37 können beispielsweise
mechanische Stellvorrichtungen, wie etwa Nocken an einer Nockenwelle,
umfassen.
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Ein
Kraftstoffeinspritzsystem
40 ist zur Direkteinspritzung
von Kraftstoff in den Brennraum vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform
umfasst das Kraftstoffeinspritzsystem ein Doppelfluid-Einspritzsystem
des Typs, der in
US Patent RE 36768 und
in der Internationalen Anmeldung
WO
99128621 offenbart ist, wobei der Inhalt dieser beiden
Patentschriften durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Die Verwendung
eines sauerstoffhaltigen Gases, wie etwa Luft, um Kraftstoff in
einen Verbrennungsraum zu fördern,
kann besonders vorteilhafte Auswirkungen haben, wenn große interne
AGR-Mengen verwendet werden, wie dies in der vorliegenden Ausführungsform
vorkommen kann.
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Eine
Zündvorrichtung
(nicht dargestellt), wie etwa eine Zündkerze, ist dazu vorgesehen,
zu geeigneten Zündzeitpunkten
eine Ladung eines Verbrennungsgemisches im Verbrennungsraum 15 zu
zünden.
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Der
Abgaskanal 33 ist mit einer Abgasanlage (nicht dargestellt)
verbunden, die einen katalytischen Konverter in Form eines herkömmlichen
3-Wege-katalytischen Konverters beinhaltet.
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Der
Motor kann mit einem Zweitakt-Verbrennungszyklus oder einem Viertakt-Verbrennungszyklus
betrieben werden und kann nach Maßgabe der Lastanforderung an
den Motor zwischen diesen umgeschaltet werden.
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Der
Motorbetrieb im Viertaktzyklus kann die günstige Kombination von gutem
Motorwirkungsgrad in einer Vielzahl von Einsatzbedingungen, geringen Emissionen,
einem hohen Veredelungsgrad (Geräusche
und Schwingungen) und hoher Zuverlässigkeit bieten.
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Der
Zweitakt-Verbrennungszyklus kann in bestimmten Einsatzgebieten gegenüber einem
Viertakt-Verbrennungszyklus einige Vorteile bieten, einschließen der
Leistung bei geringer Motordrehzahl, geringeren Schwingungen bei
niedrigen Motordrehzahlen und, wenn man die Kontrolle über die
Einlass- und die Auslassphase hinzunimmt, dem Potential eines reduzierten
Kraftstoffverbrauchs. Um sowohl die Vorteile des Viertakt-, als
auch des Zweitakt-Verbrennungszykluses zu nutzen, ist der Motor
in der Lage, zwischen diesen Betriebsarten umzuschalten. Das Umschal ten
wird auf eine Weise gesteuert, die für eine Bedienungsperson oder
einen Benutzer eines solchen Motors transparent ist.
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Der
Faktor, welcher dafür
ausschlaggebend ist, ob der Motor im Zweitaktzyklus oder im Viertaktzyklus
arbeitet, ist der Betätigungszeitpunkt
der Einlass- und Auslassventile 25, 35, sowie
die Öffnungsdauer
der Ventile.
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Im
Zweitaktzyklus arbeiten die Einlass- und Auslassventile 25, 35 mit
der im Vergleich zum Viertaktzyklus doppelten Betätigungsfrequenz.
Insbesondere werden die Einlass- und Auslassventile 25, 35 im
Zweitaktzyklus bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle des Motors einmal
betätigt
(d. h. alle 360°),
wohingegen sie im Viertaktzyklus bei jeder zweiten Umdrehung der
Kurbelwelle des Motors einmal betätigt werden (d. h. alle 720°), wie aus 2 ersichtlich
ist, die Vergleichsdiagramm ist, das den Einlass- und Auslassventilhub
zeigt. Selbstverständlich
müssen sich
die Ventilsteuermittel 27, 37 an das Umschalten des
Zykluses anpassen.
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Ferner
kann es sein, dass der Motor 10, wenn er im Zweitakt-Verbrennungszyklus
arbeitet, nicht in jedem Motorzyklus einen Arbeitshub ausführt. Der
Motor 10 kann, beispielsweise einen Arbeitshub in Intervallen
ausführen
(wie etwa in alternierenden Kreisläufen), um den Kraftstoffverbrauch in
bestimmten Einsatzbedingungen zu verbessern. Analog kann es sein,
dass der Motor 10, wenn er im Viertakt-Verbrennungszyklus arbeitet, nicht in
jedem Motorzyklus einen Arbeitshub ausführt.
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Zusätzlich zu
der Umschaltmöglichkeit
zwischen dem Zweitakt- und dem Viertaktverfahren kann der Motor
gemäß der Ausführungsform
im Zweitaktzyklus unter einer bestimmten Steuerstrategie für geringe
Motordrehzahl und Lastzustände
arbeiten. Die bestimmte Steuerstrategie ist in den 3 und 4 dargestellt,
die Zyklusdiagramme sind, welche den relativen Betätigungszeitpunkt
der Einlass- und Auslassventile 25, 35 veranschaulichen.
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Die
Strategie beinhaltet:
- (1) das Öffnen des
Auslassventils 35 während
des Arbeitshubs (wie durch den Punkt AVO [Auslassventil öffnet] in
jedem Zyklusdiagramm angezeigt);
- (2) das Öffnen
des Einlassventils 25 (wie durch den Punkt EVO [Einlassventil öffnet] angezeigt) gegen
Ende der Schließphase
des Auslassventils 35 (oder alternativ, jedoch nicht in
den Zeichnungen dargestellt, das Öffnen des Einlassventils nachdem
das Auslassventil geschlossen wurde);
- (3) das Schließen
des Auslassventils 35 während des
Arbeitshubs, vor UTP, (wie durch den Punkt AVS [Auslassventil schließt] angezeigt);
und
- (4) das Schließen
des Einlassventils 25 während des
nachfolgenden Verdichtungshubs (wie durch den Punkt EVS [Einlassventil
schließt]
angezeigt).
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Bei
dieser Steuerstrategie wird die Auslassöffnung 31 vor UTP
geöffnet
und geschlossen und die Druckdifferenz zwischen dem Verbrennungsraum 15 und
der Abgasanlage wird dazu verwendet, einen Ausstoß von Abgas
aus dem Inneren des Verbrennungsraums (üblicherweise als "Ausblasen" bezeichnet) zu bewirken.
Aufgrund der geringen oder nicht vorhandenen Überlappung beim Öffnen der
Einlassöffnung 21 und
der Auslassöffnung 31 (welche
den Zeitraum zwischen EVO [Eingangsventil öffnet] und AVS [Auslassventil
schließt]
im Zyklusdiagramm darstellt), erfolgt nur eine geringe oder keine
Spülung des
Restabgases. Als solches erfolgt nur ein geringes oder kein Kurzschließen der
Ansaugluft zwischen der geöffneten
Saugöffnung 21 und
der geöffneten
Auslassöffnung 31.
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Aufgrund
des begrenzten Zeitraums der Ventilöffnungsüberlappung, ist die Spülung der
Verbrennungsraum 15 unvollständig, so dass eine relativ große Menge
restlichen Abgases im Inneren des Verbrennungsraums ist. Das Vorhandensein
von zurückbehaltenem
Abgas im Verbrennungsraum 15 kann sich als nützlich erweisen,
da es im Inneren des Verbrennungsraums zum Zündzeitpunkt eine höhere Anfangs temperatur
erzeugt. Die restlichen Abgase können
auch zu einer Reduzierung von Pump- und Drosselverlusten beim Einlassprozess
beitragen, da ein verringertes Luftvolumen durch das Einlassmittel 20 eingelassen
wird. Die restlichen Abgase verdünnen
auch die angesaugte Luft, was zu einem Betrieb des Verbrennungsprozesses
unter stöchiometrischen
Bedingungen beitragen kann. der stöchiometrischen Betrieb ermöglicht die
Verwendung des 3-Wege-katalytischen Konverters ohne dass eine NOx-Falle
notwendig ist (die ansonsten benötigt
würde,
um Stickoxidgase aufzunehmen, die von einem Motor ausgestoßen werden
der mit überschüssigem Sauerstoff
im Abgas arbeitet).
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Zusätzlich ist
aufgrund der höheren
Temperatur der zurückbehalten
EGR die Temperatur während
der anfänglichen
Verbrennungsphase höher. Dies
ist aus der graphischen Darstellung der 5 ersichtlich,
die einen Vergleich der Zylinderbetriebstemperaturen für den Zweitakt-
und den Viertaktzyklus über
die Dauer der Zyklen zur Verfügung
gestellt. Aus der graphischen Darstellung, ist ersichtlich, dass die
Zylinder-Mischungstemperatur am OTP (der in der graphischen Darstellung
ein Kurbelwinkel von 0° ist)
bei dem Zweitaktzyklus im Vergleich zum Viertaktzyklus deutlich
höher ist.
Die höhere
Zylindergas-Mischungstemperatur im Zweitaktzyklus kann das Verbrennungsverhalten
des Brennstoffgemisches im Inneren des Verbrennungsraums 15 (welcher
das restliche Abgas einschließt)
unterstützen. Aus 5 ist
auch zu erkennen, dass, während
die Anfangstemperatur vor der Verbrennung höher ist, die Verbrennungsspitzen-Temperatur
bei Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geringer ist als
im herkömmlichen
Betrieb im Viertaktzyklus. Dies führt zu geringerer Stickoxid-Produktion.
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Aufgrund
der hohen Temperaturen und hohen Verdünnungskonzentrationen während des
Betriebs des Motors 10 im Zweitaktzyklus, finden Schichtladezündsysteme,
Vorkammersysteme und homogene Kompressionszündung (HCCI) besondere Anwendbarkeit,
um eine sichere Zündung
der Ladung zu gewährleisten.
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Die
verhältnismäßig hohe
Mischungstemperatur bei Zündung
im Zweitaktzyklus kann Bedingungen schaffen, die bei bestimmten
Einsatzbedingungen des Motors für
die Implementierung von HCCI günstig
sind.
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Der
Zeitpunkt, zu dem das Einlassventil 25 geschlossen wird,
kann dazu eingesetzt werden, bestimmte Betriebsmerkmale des Motors 10 zu
steuern.
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Beispielhaft
schafft frühes
Schließen
des Einlassventils 25, wie in dem Zyklusdiagramm der 3 dargestellt,
einen Motorbetriebszustand, der dazu beiträgt, eingeschlossene Frischladung
zur optimalen Drehmomentabgabe zu maximieren. Im Gegensatz dazu
schafft verzögertes
Schließen
des Einlassventils 25, wie in dem Zyklusdiagramm der 4 dargestellt,
einen Motorbetriebszustand, der zu einem optimalen Kraftstoffverbrauch
beiträgt,
spätes Schließen des
Einlassventils erfordert typischerweise verstärkte Einlasszustände, um
für Lastanforderungen
ausreichende eingeschlossene Ladung zu erhalten. Spätes Schließen des
Einlassventils minimiert Kompressionsverluste, die mit Zündzeitpunkten
verbunden werden können,
um höchste
eingeschlossene Ladungszustände
zu erreichen und daher einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch ergeben
können.
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Aus
dem Vorausgegangenen ist ersichtlich, dass die vorliegende Ausführungsform
eine einfache Strategie mit hohem Wirkungsgrad zum Betrieb eines
Motors in einem Zweitakt-Verbrennungszyklus bei bestimmten Lastzuständen bereitstellt,
um Pumpverluste zu verringern und gleichzeitig bestimmte Vorteile
aus dem Betrieb in einem Zweitaktzyklus zu ziehen.
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Die
Ausführungsform
ermöglicht
auch das Umschalten des Verbrennungsprozesses zwischen dem Zweitakt-
und dem Viertakt-Zyklus. Dementsprechend löst die Ausführungsform einige der mit der
Verkleinerung von Motoren verbundenen Schwierigkeiten, um bestimmte
Emissionsauflagen zu erfüllen
und gleichzeitig ein akzeptables Fahrverhalten bereitzustellen.
-
Abwandlungen
und Verbesserungen können vorgenommen
werden, ohne den Rahmen Erfindung zu verlassen.
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In
der gesamten Beschreibung, hat, wenn der Kontext nichts anderes
verlangt, das Wort "umfassen" oder Varianten,
wie etwa "umfasst" oder "umfassend" die Bedeutung der
Einbeziehung einer festgelegten Ganzheit oder Gruppe von Ganzheiten,
jedoch nicht des Ausschlusses einer anderen Ganzheit oder Gruppe
von Ganzheiten.
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Zusammenfassung
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Ein
Verbrennungsmotor (10) hat mindestens einen Verbrennungsraum
(15), der durch einen in einem Zylinder (11) aufgenommenen
Kolben (13) definiert ist. Das Betriebsverfahren des Motors
(10) umfasst das Öffnen
eines Auslassmittels (30), während sich der Verbrennungsraum
(15) vergrößert, damit Fluid
aus dem Verbrennungsraum (15), abfließen kann, das Öffnen eines
Einlassmittels (20), während sich
der Verbrennungsraum weiter vergrößert, um die Ansaugluft in
den Verbrennungsraum (15) einzulassen, das Schließen der
Auslassmittel (30), während
sich der Verbrennungsraum andauernd weiter vergrößert, um das Abführen von
Fluid aus dem Verbrennungsraum (15) zu unterbrechen und
das Schließen
der Einlassmittel (20), um den Einlass der Ansaugluft in
den Verbrennungsraum (15) zu unterbrechen. Bei dieser Arbeitsfolge
ist die Spülung
des Verbrennungsraums (15) unvollständig, so dass ein relativ große Menge
restlichen Fluids im Inneren des Verbrennungsraums verbleibt.