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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf ein Brennstoffsystem gerichtet,
und insbesondere auf ein Brennstoffsystem, welches gemeinsam für
einen Motor und eine Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet wird.
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Hintergrund
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Motoren,
die Dieselmotoren, Benzinmotoren, mit gasförmigem Brennstoff
angetriebene Motoren und andere in der Technik bekannte Motoren
aufweisen, können eine komplexe Mischung aus Luftverunreinigungen
ausstoßen. Diese Luftverunreinigungen können festes
Material aufweisen, welches als Partikelstoffe oder Ruß bekannt
ist. Aufgrund gesteigerter Rücksichtnahme auf die Umwelt
sind Abgasemissionsstandards immer strenger geworden und die Menge
der aus dem Motor ausgestoßenen Partikelstoffe kann abhängig
von der Art des Motors, von der Größe des Motors
und/oder von der Klasse des Motors geregelt werden.
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Ein
Verfahren, welches von Motorherstellern eingerichtet wird, um mit
den Regelungen für Partikelstoffe, die in die Umgebung
ausgestoßen werden, in Übereinstimmung zu kommen,
ist gewesen, die Partikelstoffe aus dem Abgasfluss eines Motors
mit einer Vorrichtung zu entfernen, die Partikelfalle genannt wird.
Eine Partikelfalle ist ein Filter, der dafür ausgelegt
ist, um Partikelstoffe einzufangen, und sie besteht aus einem Drahtgitter
oder einem Keramikwabenmedium bzw. Honeycomb-Keramikmedium. Jedoch
kann die Verwendung der Partikelfalle für verlängerte
Zeitperioden bewirken, dass sich die Partikelstoffe in dem Medium
ansammeln, wodurch die Funktionsfähigkeit des Filters und
darauf folgend die Motorleistung verringert werden.
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Ein
Verfahren zur Verbesserung der Leistung der Partikelfalle kann sein,
eine Regeneration einzurichten. Beispielsweise beschreibt das
US-Patent 6 694 727 (das '727-Patent),
das an Crawley und Andere am 24. Februar 2004 erteilt wurde, eine
Abgasbehandlungsvorichtung mit einem Rußfilter und einem
Filterregenerator. Der Filterregenerator weist einen mit Brennstoff
angetriebenen Brenner auf, der Brennstoff zum Rußfilter
liefert, um den Rußfilter zu regenerieren. Der mit Brennstoff
angetriebene Brenner weist einen Brenner, eine Brennstoffversorgung und
ein Brennstoffventil auf. Das Brennstoffventil ist zwischen der
Brennstoffversorgung und dem Brenner angeordnet, um die Flussrate
des Brennstoffes von der Versorgung bzw. dem Tank zum Brenner zu steuern.
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Obwohl
der Brennstoffbrenner des '727-Patentes ausreichend den Rußfilter
regenerieren kann, kann er teuer und instabil sein. Insbesondere,
weil der Brennstoffbrenner seine eigene extra dafür vorgesehene
Brennstoffversorgung aufweist, können die zusätzlichen
Komponenten der Brennstoffversorgung die Kosten der Leistungs- bzw.
Antriebssystempackung (beispielsweise des Motors und der Abgasbehandlungsvorrichtung)
steigern. Weil keine Mittel zur Stabilisierung des Brennstoffflusses
von der Versorgung zum Brenner in der Abgasbehandlungsvorrichtung
des '727-Patentes vorgesehen sind, könnten zusätzlich
Fluktuationen des Brennstoffdruckes und/oder der Brennstoffflussrate
eine Veränderlichkeit im Regenerationsprozess einleiten.
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Das
Brennstoffsystem der vorliegenden Offenbarung löst eines
oder mehrere der oben dargelegten Probleme.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Brennstoffsystem
gerichtet. Das Brennstoffsystem weist eine gemeinsame Quelle für
unter Druck gesetzten Brennstoff auf, weiter mindestens eine Einspritzvorrichtung,
eine Abgasbehandlungsvorrichtung und eine Regenerationsvorrichtung.
Die mindestens eine Einspritzvorrichtung ist konfiguriert, um Brennstoff
von der gemeinsamen Quelle in eine Brennkammer des Motors einzuspritzen.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung ist konfiguriert, um Partikelstoffe
aus einem Abgasfluss des Motors zu entfernen. Die Regenerationsvorrichtung
ist konfiguriert, um Brennstoff von der gemeinsa men Quelle in die Abgasbehandlungsvorrichtung
und/oder den Abgasfluss einzuspritzen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist auf ein Verfahren
zur Steuerung eines Brennstoffsystems gerichtet. Das Verfahren weist auf,
eine gemeinsame Quelle zu betreiben, um Brennstoff unter Druck zu
setzen, und den unter Druck gesetzten Brennstoff von der gemeinsamen Quelle
zu einer Brennkammer eines Motors zu leiten. Das Verfahren weist
auch auf, unter Druck gesetzten Brennstoff von der gemeinsamen Quelle
zu einer Partikelregenerationsvorrichtung zu leiten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische und diagrammartige Veranschaulichung eines beispielhaften
offenbarten Leistungssystems; und
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung eines Druckregelungsventils
zur Verwendung bei dem Leistungssystem der 1.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht
ein Leistungssystem 10 mit einem Common-Rail-Einspritzsystem 12 (common
rail = gemeinsame Druckleitung), und einem Partikelregenerationssystem 14.
Für die Zwecke dieser Offenbarung ist das Leistungssystem 10 als
ein Vier-Takt-Dieselmotor abgebildet und wird als solcher beschrieben.
Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass das Leistungssystem 10 irgendeine
andere Bauart eines Verbrennungsmotors verkörpern kann,
wie beispielsweise einen mit Benzin oder gasförmigem Brennstoff
angetriebenen Motor. Das Antriebs- bzw. Leistungssystem 10 kann
einen Motorblock 16 aufweisen, der zumindest teilweise
eine Vielzahl von Brennkammern 17 definiert. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel weist das Leistungssystem 10 vier
Brennkammern 17 auf. Es wird jedoch in Betracht gezogen,
dass das Leistungssystem 10 eine größere
oder geringere Anzahl von Brennkammern 17 aufweisen kann,
und dass die Brennkammern 17 in einer „Reihenkonfiguration",
in einer „V-Konfiguration" oder in irgendeiner anderen geeigneten
Konfiguration angeordnet sein können.
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Wie
auch in 1 gezeigt, kann das Leistungssystem 10 eine
Kurbelwelle 18 aufweisen, die drehbar in dem Motorblock 16 angeordnet
ist. Eine (nicht gezeigte) Verbindungsstange bzw. Pleuelstange,
die mit jeder Brennkammer 17 assoziiert ist, kann einen
(nicht gezeigten) Kolben mit der Kurbelwelle 18 verbinden,
so dass eine Gleitbewegung von jedem Kolben in der jeweiligen Brennkammer 17 eine
Drehung der Kurbelwelle 18 zur Folge hat. In ähnlicher Weise
kann eine Drehung der Kurbelwelle 18 eine Gleitbewegung
der Kolben zur Folge haben.
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Das
Common-Rail-Einspritzsystem 12 kann Komponenten aufweisen,
die zusammenarbeiten, um Einspritzungen von unter Druck gesetztem Brennstoff
in jede Brennkammer 17 zu liefern. Insbesondere kann das
Common-Rail-Einspritzsystem 12 einen Tank 20 aufweisen,
der konfiguriert ist, um eine Brennstoffversorgung bzw. einen Brennstoffvorrat
zu enthalten, und eine Brennstoffpumpanordnung 22, die
konfiguriert ist, um den Brennstoff unter Druck zu setzen und den
unter Druck gesetzten Brennstoff zu einer Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 23 durch
eine Common-Rail bzw. gemeinsame Druckleitung 24 zu leiten.
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Die
Brennstoffpumpanordnung 22 kann eine oder mehrere Pumpvorrichtungen
aufweisen, die dahingehend wirken, dass sie den Druck des Brennstoffes
vergrößern und einen oder mehrere unter Druck gesetzte
Brennstoffströme zur Common-Rail 24 leiten. In
einem Beispiel weist die Brennstoffpumpanordnung 22 eine
Niederdruckquelle 26 und eine Hochdruckquelle 28 auf,
die in Reihe angeordnet sind und strömungsmittelmäßig
durch eine Brennstoffleitung 30 verbunden sind. Die Niederdruckquelle 26 kann
eine Transferpumpe verkörpern, die konfiguriert ist, um
eine Niederdruckeinspeisung zur Hochdruckquelle 28 zu liefern.
Die Hochdruckquelle 28 kann konfiguriert sein, um die Niederdruckeinspeisung
aufzunehmen und den Brennstoffdruck auf den Bereich von ungefähr
30 bis 300 MPa zu steigern. Die Hochdruckquelle 28 kann
mit der Common-Rail 24 durch eine Brennstoffleitung 32 verbunden
sein. Ein oder mehrere Filterelemente 34, wie bei spielsweise
ein Wasserabscheider, ein Primärfilter und ein Sekundärfilter
können in der Brennstoffleitung 30 in serieller
Beziehung angeordnet sein, um Schmutz und/oder Wasser aus dem Brennstoff
zu entfernen, der von der Brennstoffpumpanordnung 22 unter Druck
gesetzt wird.
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Die
Niederdruckquelle 26 und/oder die Hochdruckquelle 28 können
betriebsmäßig mit dem Leistungssystem 10 verbunden
sein und von der Kurbelwelle 18 angetrieben werden. Die
Niederdruckquelle 26 und/oder die Hochdruckquelle 28 können mit
der Kurbelwelle 18 in irgendeiner Weise verbunden sein,
die dem Fachmann leicht offensichtlich ist, wo eine Drehung der
Kurbelwelle 18 eine entsprechende Antriebsdrehung einer
Pumpenwelle zur Folge haben wird. Beispielsweise ist eine Pumpenantriebswelle 36 der
Hochdruckquelle 28 in 1 derart
gezeigt, dass sie mit der Kurbelwelle 18 durch einen Getriebestrang 38 verbunden
wird. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Niederdruckquelle 26 und/oder
die Hochdruckquelle 28 alternativ elektrisch, hydraulisch,
pneumatisch oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise angetrieben
werden können.
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Das
Partikelregenerationssystem 14 kann mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung 40 assoziiert sein.
Insbesondere wenn Abgas vom Leistungssystem 10 durch die
Abgasbehandlungsvorrichtung 40 fließt, können
Partikelstoffe aus dem Abgasfluss durch ein Drahtgitter oder Keramikwabenfiltermedium 53 entfernt
werden. Mit der Zeit können sich die Partikelstoffe in
dem Filtermedium 53 aufbauen, und wenn dies nicht überprüft
wird, könnte der Aufbau der Partikelstoffe stark genug
sein, um den Fluss des Abgases durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 einzuschränken
oder sogar zu blockieren, was gestattet, dass der Rückdruck
im Leistungssystem 10 zunimmt. Eine Zunahme des Rückdruckes
des Leistungssystems 10 könnte die Fähigkeit
des Systems zum Anziehen von Frischluft verringern, was verringerte
Leistung, gesteigerte Abgastemperaturen und schlechten Brennstoffverbrauch
zur Folge hat.
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Das
Partikelregenerationssystem 14 kann Komponenten aufweisen,
die zusammenarbeiten, um periodisch den Aufbau von Partikelstoffen
in der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 zu verringern. Diese
Komponenten können unter anderem ei ne Pilot- bzw. Voreinspritzvorrichtung 42,
eine Haupteinspritzvorrichtung 44, eine Zündkerze 46 und
eine assoziierte Steuervorrichtung 48 aufweisen. Es wird
in Betracht gezogen, dass das Partikelregenerationssystem 14 zusätzliche
oder andere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise ein Lufteinleitungssystem,
einen Drucksensor, einen Temperatursensor, einen Flusssensor, eine
Flussblockierungsvorrichtung und andere in der Technik bekannte
Komponenten.
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Die
Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 können
in einem Gehäuse der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 angeordnet
sein und mit der Brennstoffleitung 30 durch einen Strömungsmitteldurchlassweg 50 und
ein Hauptsteuerventil 52 verbunden sein. Sowohl die Vor-
als auch die Haupteinspritzvorrichtung 42, 44 können
betreibbar sein, um eine Menge von unter Druck gesetztem Brennstoff
in die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 zu vorbestimmten
Zeitpunkten, mit vorbestimmten Brennstoffdrücken und vorbestimmten
Brennstoffflussraten einzuspritzen. Die Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung
in die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 kann mit Sensoreingangsgrößen
synchronisiert sein, die von einem (nicht gezeigten) Temperatursensor,
von einem oder mehreren (nicht gezeigten) Drucksensoren, von einem
(nicht gezeigten) Timer bzw. Taktgeber oder von irgendwelchen anderen ähnlichen
Sensorvorrichtungen empfangen werden, so dass die Brennstoffeinspritzungen
im Wesentlichen einem Aufbau der Partikelstoffe in der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 entsprechen.
Beispielsweise kann Brennstoff eingespritzt werden, wenn ein Druck
des Abgases, welches durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 fließt,
ein vorbestimmtes Druckniveau überschreitet, oder wenn
ein Druckabfall am Filtermedium 53 der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 einen
vorbestimmten Differenzwert überschreitet. Alternativ oder
zusätzlich kann Brennstoff eingespritzt werden, wenn die
Temperatur des Abgases, welches durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 fließt, von
einer erwünschten Temperatur um einen vorbestimmten Wert
abweicht. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass Brennstoff auch
auf einer eingestellten periodischen Basis eingespritzt wird, und
zwar zusätzlich zu Druck- oder Temperaturbedingungen oder
trotz diesen Druck- oder Temperaturbedingungen, falls erwünscht.
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Jede
der Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 kann
ein elektronisch gesteuertes Proportionalventilelement 54 aufweisen,
welches durch einen Elektromagnet gegen eine Federvorspannung ansprechend
auf eine angewiesene Flussrate bewegbar ist. Das Ventilelement 54 kann
zwischen einer ersten Position, in der unter Druck gesetzter Brennstoff
in die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 sprühen
kann, und einer zweiten Position bewegbar sein, in der Brennstoff
von der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 abgeblockt werden
kann. Das Ventilelement 54 kann zu irgendeiner Position
zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegt werden, um die
Rate des Brennstoffflusses in die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 zu
variieren. Die Ventilelemente 54 können mit der
Steuervorrichtung 48 in serieller Beziehung über
eine erste, zweite und dritte Kommunikations- bzw. Verbindungsleitung 56, 58, 60 verbunden
sein, um ein elektronisches Signal zu empfangen, welches die angewiesenen
Flussraten anzeigt.
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Ähnlich
wie die Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 kann
das Hauptsteuerventil 52 auch ein elektronisch gesteuertes
Ventilelement 62 aufweisen, welches durch einen Elektromagnet
gegen eine Federvorspannung ansprechend auf einen Befehl bewegbar
ist. Das Ventilelement 62 kann von einer ersten Position,
in der unter Druck gesetzter Brennstoff von der Niederdruckquelle 26 durch
das Hauptsteuerventil 52 nur zur Hochdruckquelle 28 und zur
Common-Rail 24 geleitet werden kann, gegen eine Federvorspannung
zu einer zweiten Position bewegbar sein, in der Brennstoff von der
Niederdruckquelle 28 durch das Hauptsteuerventil 52 nur
zum Partikelregenerationssystem 14 geleitet werden kann.
Das Ventilelement 62 kann mit der Steuervorrichtung 48 über
eine Kommunikationsleitung 61 verbunden sein, um elektronische
Signale zu empfangen, die anzeigen, welche der ersten und zweiten
Positionen erwünscht ist. Es wird in Betracht gezogen, dass
die Federvorspannung alternativ das Ventilelement 62 zur
zweiten Position hin vorspannen kann und elektronisch zur ersten
Position hin bewegbar ist, falls erwünscht.
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Wenn
das Ventilelement 62 zur zweiten Position bewegt wird und
Brennstoff durch das Hauptsteuerventil 52 zur Quelle 28 mit
höherem Druck fließt, und die Common-Rail 24 blockiert
ist, kann der Druck des Brennstoffes, der durch das Hauptsteuerventil 52 zur
Abgasbehandlungsvorrichtung 40 fließt, ansteigen.
Insbesondere, wenn das Ventilelement 62 sich bewegt, um
strömungsmittelmäßig die Brennstoffpumpanordnung 22 mit
der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 zu verbinden, kann die
Brennstoffflussrate, die von der Niederdruckquelle 26 angefordert
wird, abfallen. Die verringerte Brennstoffnachfrage kombiniert mit
einer im Wesentlichen kontinuierlichen Lieferung von Brennstoff
kann im Wesentlichen die Niederdruckquelle 26 „ausschalten",
was bewirkt, dass der Druck des von der Niederdruckquelle 26 verarbeiteten
Brennstoffs von einem ersten Druckniveau von ungefähr 80
psi auf ein zweites Druckniveau ansteigt, welches ungefähr
viermal so groß wie das erste Druckniveau ist, oder ungefähr
300 psi. Wenn der Druck des Brennstoffes sich ungefähr
300 psi nähert, kann eine Bypass- bzw. Überleitungsschaltung 64 gestatten,
dass der unter Druck gesetzte Brennstoff das Hauptsteuerventil 52 umgeht
und zur Hochdruckquelle 28 und zur Common-Rail 24 fließt.
Die Überleitungsschaltung 64 kann ein Druckregulierungsventil 66 aufweisen,
welches diesen Vorgang erleichtert, während es assoziierte
Druckfluktuationen dämpft. Es sei bemerkt, dass, obwohl
das Druckregulierungsventil 66 in 1 derart
veranschaulicht ist, dass es stromaufwärts des Hauptsteuerventils 52 gelegen
ist, in Betracht gezogen wird, dass das Druckregelventil 66 alternativ
stromabwärts des Hauptsteuerventils 52 gelegen
sein kann, falls erwünscht.
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Wie
in 2 veranschaulicht, kann das Druckregulierungsventil 66 ein
Gehäuse 68, ein in dem Gehäuse 68 angeordnetes
Kolbenelement 70 und ein Federelement 72 aufweisen.
Das Gehäuse 68 kann eine mittige Bohrung 74,
einen Einlass 76, einen radial angeordneten Auslass 78 (mehrere
radial angeordnete Auslässe 78) und eine einschränkende
bzw. drosselnde Zumessöffnung 80 aufweisen, die
in einem Ende des Gehäuses 68 gegenüberliegend
zum Einlass 76 angeordnet ist. Der Einlass 76 kann
angeordnet sein, um zu gestatten, dass unter Druck gesetzter Brennstoff
von einer Stelle stromaufwärts des Hauptsteuerventils 52 gegen
das Kolbenelement 70 wirkt und das Kolbenelement 70 zwischen einer
ersten Position oder Flussblockierungsposition und einer zweiten
Position oder Flussdurchlassposition bewegt. Wenn es in der Flussdurchlassposition ist,
kann Brennstoff zur Common-Rail 24 über den Auslass
(die Auslässe) 78 geleitet werden.
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Das
Kolbenelement 70 kann im Wesentlichen zylindrisch sein,
um gleitend mit den Innenwänden der mittigen Bohrung 74 in
Eingriff zu kommen. Das Kolbenelement 70 kann eine erste
mittige Bohrung 82 aufweisen, die einen Einlass 84 bildet,
eine zweite mittige Bohrung 86, die das Federelement 72 aufnimmt,
eine axial ausgerichtete und mittig gelegene einschränkende
Zumessöffnung 88, die die ersten und zweiten mittigen
Bohrungen 82, 86 verbindet, und einen radial angeordneten
Auslass (mehrere Auslässe) 90. Wenn das Kolbenelement 70 von
der ersten Position zur zweiten Position bewegt wird, kann der Auslass 90 (können
die Auslässe 90) mit dem Auslass (den Auslässen) 78 ausgerichtet
sein und strömungsmittelmäßig in Verbindung
stehen, was gestattet, dass Brennstoff von der ersten mittigen Bohrung 82 durch
den Auslass (die Auslässe) 78 zur Hochdruckquelle 28 fließt.
Eine gewisse Menge an Brennstoff kann ungeachtet der Position des
Kolbenelementes 70 immer durch das Druckregulierungsventil 66 durch
die einschränkenden Zumessöffnungen 80 und 88 fließen.
Die Einschränkung der Zumessöffnung 88 kann
geringer sein, als die Einschränkung der Zumessöffnung 80,
so dass eine Niederdruckregion in der zweiten mittigen Bohrung 86 erzeugt
werden kann.
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Die
Vorspannung des Federelementes 72 kann zumindest teilweise
den Druck des Brennstoffes regeln, der zu sowohl der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 als
auch zur Hochdruckquelle 28 geliefert wird. Insbesondere
kann die Vorspannung des Federelementes 72 einen wesentlichen
Brennstofffluss (beispielsweise über den Auslass (die Auslässe)
des Druckregulierungsventils 66) zur Hochdruckquelle 28 und
zur Common-Rail 24 verhindern, nachdem das Kolbenelement 70 sich
bewegt hat, um unter Druck gesetzten Brennstoff von der Niederdruckquelle 26 zur
Abgasbehandlungsvorrichtung 40 zu übermitteln, bis
der Druck des Brennstoffes, der durch das Hauptsteuerventil 52 fließt,
von ungefähr 80 psi auf das vorbestimmte Niveau von ungefähr
300 psi angestiegen ist. In dieser Weise kann das Druckregulierungsventil 66 den
Druck des Brennstoffes regeln, der zur Abgasbehandlungsvorrichtung 40 geliefert
wird. Der Auslass (die Auslässe) 78 können
so bemessen sein, dass, obwohl der Druck stromaufwärts
des Druckregulierungsventils 66 auf 300 psi während
eines Regenerationsereignisses ansteigen kann, ein Druckabfall am
Druckregulierungsventil 66 Brennstoff mit einem Druck von
nahe 80 psi zu einem Punkt stromabwärts des Druckregulierungsventils 66 liefert.
In diesem Fall kann das Druckregulierungsventil 66 gleichzeitig
den Druck des Brennstoffes regeln, der zur Hochdruckquelle 28 und
darauf folgend zur Common-Rail 24 geliefert wird.
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Eine
oder mehrere Druckentlastungsschaltungen 90 (siehe 1)
können stromaufwärts und/oder stromabwärts
des Druckregulierungsventils 66 angeordnet sein, um zu
gestatten, dass Brennstoff einen größeren Druck
hat als ein vorbestimmter Druck, um zum Einlass der Niederdruckquelle 26 zurückzukehren.
In dieser Weise können die Komponenten des Leistungssystems 10 vor übermäßigen Druckspitzen
geschützt werden. Durch Zurückleiten dieses Strömungsmittels
zu einem Einlass der Niederdruckquelle 26 anstatt zum Tank 20 kann
zusätzlich weniger Brennstoff durch das Filterelement 34 fließen,
welches zwischen dem Tank 20 und der Niederdruckquelle 26 gelegen
ist. Der verringerte Brennstofffluss durch das Filterelement 34 kann
die Komponentenlebensdauer des Filterelementes 34 verlängern.
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Die
Zündkerze 46 kann die Zündung von Brennstoff
erleichtern, der aus den Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 in
die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 während eines
Regenerationsereignisses eingespritzt wird. Insbesondere kann die Temperatur
des Abgases, welches aus dem Leistungssystem 10 austritt,
während eines Regenerationsereignisses zu niedrig sein,
um eine Selbstzündung der Partikelstoffe zu bewirken, die
in der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 eingefangen wurden, oder
eine Zündung des Brennstoffes, der aus den Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 gesprüht
wurde. Um die Verbrennung des Brennstoffes und darauf folgend der
eingefangenen Partikelstoffe einzuleiten, kann eine kleine Menge
an Brennstoff aus der Voreinspritzvorrichtung 42 versprüht
werden oder in anderer Weise zur Zündkerze 46 hin
eingespritzt werden, um eine lokal fette Atmosphäre zu
erzeugen, die leicht von der Zündkerze 46 gezündet werden
kann. Ein Funke, der an den Elektroden der Zündkerze 46 erzeugt
wird, kann die lokal fette Atmosphäre zünden,
was eine Flamme erzeugt, die mit einem Strahl zur Haupteinspritzung
des Brennstoffes von der Haupteinspritzvorrichtung 44 befördert
werden kann oder in anderer Weise befördert werden kann.
Der Flammen strahl, der sich von der Voreinspritzvorrichtung 42 voranbewegt,
kann die Temperatur in der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 auf
ein Niveau anheben, welches leicht eine effiziente Zündung
der größeren Einspritzung von Brennstoff aus der
Haupteinspritzvorrichtung 44 unterstützt. Wenn der
aus der Haupteinspritzvorrichtung 44 gesprühte Brennstoff
zündet, kann die Temperatur in der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 weiter
auf ein Niveau ansteigen, welches eine Zündung der Partikelstoffe
bewirkt, die im Filtermedium 53 der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 eingefangen
sind, wodurch die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 regeneriert
wird.
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Um
diese speziellen Einspritzereignisse zu erreichen, kann die Steuervorrichtung 48 den
Betrieb der Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 ansprechend
auf eine oder mehrere Eingangsgrößen steuern.
Insbesondere kann die Steuervorrichtung 48 konfiguriert
sein, um eine Brennstoffeinspritzzeitsteuerung, einen Brennstoffeinspritzdruck
und/oder eine Brennstoffeinspritzmenge zu regeln, und zwar durch Leiten
einer vorbestimmten Stromwellenform oder einer Abfolge von vorbestimmten
Stromwellenformen zu jeder der Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 über
die Kommunikationsleitungen 56, 58. Für die
Zwecke dieser Offenbarung kann die Kombination von Strompegeln,
die durch die Kommunikationsleitungen 56, 58 zu
den Ventilelementen 54 geleitet wird, die die erwünschten
Brennstoffeinspritzungen während eines einzelnen Regenerationsereignisses erzeugen,
als eine Stromwellenform angesehen werden.
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Die
Steuervorrichtung 48 kann einen einzigen Mikroprozessor
oder mehrere Mikroprozessoren verkörpern, die Mittel aufweisen,
um einen Betrieb der Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 zu steuern.
Zahlreiche kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können
konfiguriert werden, um die Funktionen der Steuervorrichtung 48 auszuführen. Es
sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 48 leicht einen
allgemeinen Leistungssystemmikroprozessor verkörpern kann,
der zahlreiche unterschiedliche Funktionen des Leistungssystems 10 steuern
kann. Die Steuervorrichtung 48 kann Komponenten aufweisen,
die erforderlich sind, um eine Anwendung laufen zu lassen, wie beispielsweise
einen Speicher, eine sekundäre Speichervorrichtung und
einen Prozessor, wie beispielsweise eine zentrale Verar beitungseinheit
oder irgendwelche anderen in der Technik bekannten Mittel. Verschiedene
andere bekannte Schaltungen können mit der Steuervorrichtung 48 assoziiert
sein, die eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung,
eine Elektromagnettreiberschaltung, eine Kommunikationsschaltung
und andere geeignete Schaltungen aufweisen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Brennstoffsystem der vorliegenden Offenbarung kann auf eine Vielzahl
von Leistungssystemkonfigurationen anwendbar sein, die zumindest einen
Motor und eine Abgasbehandlungsvorrichtung aufweisen. Das offenbarte
Brennstoffsystem kann kosteneffektiv unter Druck gesetzten Brennstoff
zum Motor und zur Abgasbehandlungsvorrichtung in einer im Wesentlichen
stabilen Weise liefern, in dem es eine gemeinsame Quelle für
unter Druck gesetzten Brennstoff und einen Fluktuationen dämpfenden Druckregler
verwendet. Der Betrieb des Leistungssystems 10 wird nun
erklärt.
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Mit
Bezug auf 1 können Luft und Brennstoff
in die Brennkammern des Leistungssystems 10 zur darauf
folgenden Verbrennung gezogen werden. insbesondere kann Brennstoff
vom Common-Rail-Einspritzsystem 12 in die Brennkammern des
Leistungssystems 10 eingespritzt werden, kann darin mit
Luft vermischt werden und von dem Leistungssystem 10 verbrannt
werden, um eine mechanische Arbeitsausgabe und einen Abgasfluss
aus heißen Gasen zu erzeugen. Der Abgasfluss kann eine komplexe
Mischung aus Luftverunreinigungen enthalten, die aus gasförmigem
und festem Material bestehen, die Partikelstoffe aufweisen. Wenn
dieser mit Partikeln belastete Abgasfluss von den Brennkammern durch
die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 geleitet wird, können
die Partikelstoffe aus dem Abgasfluss durch das Filtermedium 53 entfernt
werden. Mit der Zeit können sich die Partikelstoffe in
dem Filtermedium 53 aufbauen, und wenn dies ohne Überprüfung
bleibt, kann der Aufbau beträchtlich genug sein, um den
Fluss von Abgasen durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 einzuschränken
oder sogar zu blockieren. Wie oben erwähnt, kann die Einschränkung
des Abgasflusses aus dem Leistungssystem 10 den Rückdruck
des Leistungssystems 10 vergrößern und
die Fähigkeit des Systems, frische Luft herein zu ziehen
verringern, was eine verringerte Leistung des Leistungssystems 10,
vergrößerte Abgastemperaturen und einen schlechten
Brennstoffverbrauch zur Folge hat. Um den unerwünschten
Aufbau von Partikelstoffen in der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 zu verhindern,
kann das Filtermedium 53 regeneriert werden. Die Regeneration
kann periodisch oder basierend auf einem Auslösezustand
sein, wie beispielsweise basierend auf einer vergangenen Zeit des
Motorbetriebs, basierend auf einer Druckdifferenz, die am Filtermedium 53 gemessen
wird, basierend auf einer Temperatur des Abgases, welches aus dem
Leistungssystem 10 heraus fließt, oder basierend
auf irgendeinem anderen in der Technik bekannten Zustand.
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Die
Steuervorrichtung 48 kann konfiguriert sein, um die Regeneration
einzuleiten. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 48 eine
einzelne Treiberausgangsgröße über die
Kommunikationsleitung 56 sowohl zur Vor- als auch zur Haupteinspritzvorrichtung 42, 44 senden,
was bewirkt, dass die Vor- und Haupteinspritzvorrichtungen 42, 44 selektiv
Brennstoff in die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 mit einer
erwünschten Rate leiten. Wenn der Brennstoff aus der Voreinspritzvorrichtung 42 in
die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 sprüht, kann
ein Funke aus der Zündkerze 46 den Vorbrennstofffluss
zünden. Wenn der größere Brennstofffluss
aus der Haupteinspritzvorrichtung 44 in die Abgasbehandlungsvorrichtung 40 eingespritzt
wird, kann der eingespritzte Vorbrennstofffluss den größeren
Brennstofffluss zünden. Der gezündete größere
Brennstofffluss kann dann die Temperatur der Partikelstoffe, die
in dem Filtermedium 53 eingefangen wurden, auf das Verbrennungsniveau
der eingefangenen Partikelstoffe anheben, kann die Partikelstoffe
wegbrennen und dadurch das Filtermedium 53 regenerieren.
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Der
Brennstoffdruck, der erforderlich ist, um das Filtermedium 53 zu
regenerieren, kann anders als der Druck des Brennstoffes sein, der
in die Brennkammer 17 eingespritzt wird. Um die unterschiedlichen
Druckniveaus mit einer gemeinsamen Quelle zu liefern (beispielsweise
mit der Niederdruckquelle 26), kann das Ventilelement 62 des
Hauptsteuerventils 52 elektronisch aus der ersten Position
gegen das Vorspannfederelement 72 zur zweiten Position
bewegt werden, wodurch der Brennstofffluss zur Hochdruckquelle 28 und
darauf folgend zur Common-Rail 24 blockiert wird. Obwohl
ein Teil des Brennstoffes weiter durch die einschränkenden
Zumessöffnungen 80 und 88 des Druckregelungsventils 66 fließen kann,
kann dessen Einschränkung bzw. Drosselung den Druck des
Brennstoffes anheben, der durch das Hauptsteuerventil 52 geleitet
wird, und zwar auf ungefähr 300 psi. Sobald dieser Druck
ungefähr 300 psi erreicht, kann das Kolbenelement 70 des
Druckregelungsventils 66 sich bewegen, um Brennstoff durch den
Auslass (die Auslässe) 78 des Druckregulierungsventils 66 zur
Hochdruckquelle 88 zu leiten. Der Druckabfall am Druckregulierungsventil 66 kann Brennstoff
mit einem Druck von ungefähr 88 psi zur Hochdruckquelle 88 liefern.
Sobald die Regeneration des Filterelementes 53 vollendet
ist, kann gestattet werden, dass das Ventilelement 62 zur
ersten Position zurückkehrt, in der der Brennstofffluss
zur Abgasbehandlungsvorrichtung 40 blockiert wird.
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Zusätzlich
zur gleichzeitigen Regelung des Druckes des Brennstoffes, der zu
sowohl der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 als auch der
Hochdruckquelle 28 geleitet wird, kann das Druckregulierungsventil 66 auch
Druckfluktuationen innerhalb des Common-Rail-Einspritzsystems 12 und
der Abgasbehandlungsvorrichtung 40 dämpfen. Insbesondere beim
Schalten des Ventilelementes 62 von der ersten auf die
zweite Position, kann der Druck des Strömungsmittels innerhalb
der Brennstoffleitung 30 abrupt ansteigen. Zusätzlich
dazu, dass ein gewisser Teil der mit diesem abruptem Druckanstieg
assoziierten Energie durch die Bewegung des Kolbenelementes 70 und
das Zusammendrücken des Federelementes 72 absorbiert
wird, kann die Lage der einschränkenden Zumessöffnungen 80 und 88 auch eine
Form von Druckentlastung vorsehen, was die Größe
der Druckspitze verringert. Wenn unter Druck gesetzter Brennstoff
von der Brennstoffleitung 30 durch das Druckregulierungsventil 66 zur
Hochdruckquelle 28 läuft, kann weiter der abrupte
Anstieg des Druckes nicht vollständig stromabwärts
des Druckregulierungsventils 66 realisiert werden, und
zwar wegen der Einschränkung bzw. Drosselung der Zumessöffnungen 80 und 88.
D. h., der Druck des Strömungsmittels stromabwärts
des Druckregulierungsventils 66 kann weniger abrupt ansteigen
als stromaufwärts, und zwar wegen der Einschränkung
der Zumessöffnungen 80 und 88. Darauf
hin, dass die Ventil- und Kolbenelemente 62, 70 in
ihre ursprünglichen Positionen zurückkehren, können
zusätzlich irgendwelche daraus resultierenden Niederdrucksituationen,
die in der Brennstoffleitung 30 erzeugt werden, mit einem
Rückfluss des Brennstoffes zurück durch die einschränkenden
Zumessöffnungen 80 und 88 des Druckregulierungsventils 66 aufgenommen
bzw. ausgeglichen werden.
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Das
offenbarte Brennstoffsystem kann einfach, kostengünstig
und haltbar sein. Insbesondere weil eine einzige gemeinsame Quelle
für unter Druck gesetzten Brennstoff sowohl zur Versorgung
eines Motors als auch einer Regenerationsvorrichtung verwendet werden
kann, können die Anzahl der Komponenten und die assoziierten
Kosten des integrierten Leistungssystems verringert werden. Weil
das offenbarte Brennstoffsystem Vorkehrungen zur Dämpfung von
Druckfluktuationen aufweist, kann zusätzlich die Komponentenlebensdauer
des Systems verlängert werden.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem Strömungsmittelsteuersystem der
vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer
praktischen Ausführung des hier offenbarten Strömungsmittelsteuersystems
offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein
wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche
und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
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Zusammenfassung
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GEMEINSAMES BRENNSTOFFSYSTEM
FÜR MOTOR UND ABGASBEHANDLUNG
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Ein
Brennstoffsystem für einen Motor wird offenbart. Das Brennstoffsystem
hat eine gemeinsame Quelle für unter Druck gesetzten Brennstoff,
mindestens eine Einspritzvorrichtung, eine Abgasbehandlungsvorrichtung
und eine Regenerationsvorrichtung. Die mindestens eine Einspritzvorrichtung
ist konfiguriert, um Brennstoff von der gemeinsamen Quelle in eine
Brennkammer des Motors einzuspritzen. Die Abgasbehandlungsvorrichtung
ist konfiguriert, um Partikelstoffe aus einem Abgasfluss des Motors
zu entfernen. Die Regenerationsvorrichtung ist konfiguriert, um
Brennstoff von der gemeinsamen Quelle in die Abgasbehandlungsvorrichtung
und/oder den Abgasfluss einzuspritzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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