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Technisches Gebiet
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Diese Patenveröffentlichung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsmotoren und insbesondere auf funkengezündete Verbrennungsmotoren mit Saugrohreinspritzung bzw. Einlassrohreinspritzung.
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Hintergrund
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Funkengezündete Motoren, wie beispielsweise Erdgas verbrennende Motoren, sind typischerweise Vier-Takt-Motoren, die in einem Otto- oder Miller-Verbrennungszyklus arbeiten. Bei dem gegebenen relativ niedrigen Energiegehalt von Erdgas gegenüber anderen Arten von Brennstoffen, wie beispielsweise Benzin oder Diesel, können Erdgas verbrennende Motoren mit sich hin und her bewegenden Kolben Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen erzeugen und die Tendenz zum Klopfen während des Betriebs zeigen. Wie bekannt ist, tritt das Motorklopfen, welches ein Phänomen ist, welches auch üblicherweise als Klingeln oder Rasseln bezeichnet wird, bei funkengezündeten Verbrennungsmotoren auf, wenn die Verbrennung der Luft/Brennstoff-Mischung im Zylinder nicht in einem einzigen Verbrennungsereignis verbrennt. Genauer gesagt, wird die Luft/Brennstoff-Mischung bei einer typischen Situation mit Klopfen in einem Verbrennungszylinder die Verbrennung ansprechend auf die Zündung durch die Zündkerze einleiten, jedoch werden eine oder mehrere Taschen bzw. Verbrennungskeime der Luft/Brennstoff-Mischung außerhalb der Umhüllung der normalen Verbrennung oder der Flammfront verbrennen. Diese sekundären oder zusätzlichen Verbrennungsbereiche, welche innerhalb eines Verbrennungszylinders auftreten, können Druckwellen innerhalb des Zylinders erzeugen, welche dramatisch den Zylinderdruck steigern können. Solch Steigerungen des Zylinderdrucks können schädlich für die Servicelebensdauer und die Haltbarkeit von verschiedenen Motorkomponenten sein, weil sie die Spannungen und die Belastungen auf die verschiedenen Komponenten vergrößern.
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Zusammenfassung
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Die Offenbarung beschreibt in einem Aspekt einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor weist eine Brennkammer auf, die zumindest teilweise innerhalb einer Zylinderbohrung durch einen sich hin und her bewegenden Kolben definiert wird, der einen Kolbenboden hat. Ein Einlassluftraum ist strömungsmittelmäßig mit der Brennkammer verbindbar, und mindestens ein Einlassanschluss bzw. Einlassrohr ist konfiguriert, um strömungsmittelmäßig den Einlassluftraum mit der Brennkammer zu verbinden. Zumindest ein Einlassventil ist konfiguriert, um selektiv strömungsmittelmäßig den Einlassluftraum mit der Brennkammer zu verbinden. Die Brennkammer ist konfiguriert, um eine magere Luft/Brennstoff-Mischung aufzunehmen, um im Wesentlichen die Brennkammer zu füllen. Die Brennkammer ist weiter konfiguriert, um eine fette Luft/Brennstoff-Mischung aufzunehmen, welche eine geschichtete Luft/Brennstoff-Gesamtmischung innerhalb der Brennkammer ergibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Verbrennungsmotor, welcher eine Vielzahl von Zylindern aufweist, wobei jeder davon einen hin und her bewegbaren Kolben mit einem Kolbenboden enthält und eine Brennkammer definiert. Jede Brennkammer ist strömungsmittelmäßig mit einem Einlassluftraum durch einen ersten Einlassanschluss bzw. ein Einlassrohr mit einem ersten Einlassventil und einen zweiten Einlassluftraum mit einem zweiten Einlassventil verbunden. Die ersten und zweiten Einlassventile sind konfiguriert, um selektiv strömungsmittelmäßig die Brennkammer mit dem Einlassluftraum zu verbinden. Der Motor weist weiter eine Brennstoffeinspritzvorrichtung auf, die mit dem zweiten Einlassrohr assoziiert ist und konfiguriert ist, um selektiv einen gasförmigen Brennstoff in das zweite Einlassrohr zu liefern. Der Brennstoff vermischt sich mit Luft, welche durch das zweite Einlassrohr läuft, um eine fette Luft/Brennstoff-Mischung zu bilden, welche in die Brennkammer eintritt, wenn das zweite Einlassventil zumindest teilweise offen ist. Eine Zündvorrichtung steht in die Brennkammer vor. Eine Kolbenmulde, die im Kolbenboden definiert ist, ist konfiguriert, um die fette Luft/Brennstoff-Mischung zur Zündvorrichtung zu leiten. Das erste Einlassventil ist konfiguriert, um unabhängig vom zweiten Einlassventil zu arbeiten, so dass Luft oder eine magere Luft/Brennstoff-Mischung geliefert wird, um die Brennkammer durch das erste Einlassrohr zu füllen, wenn das erste Einlassventil offen ist. Die fette Luft/Brennstoff-Mischung, die zur Brennkammer geliefert wird, wenn das zweite Einlassventil offen ist, wird durch die Kolbenmulde zur Zündvorrichtung geleitet, um eine geschichtete Luft/Brennstoff-Ladung in der Brennkammer vor der Zündung zu erzeugen.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren weist auf, ein erstes Einlassventil zu öffnen, um strömungsmittelmäßig einen Einlassluftraum des Motors zu einer Brennkammer über einen ersten Einlassanschluss bzw. ein erstes Einlassrohr zu verbinden. Luft oder eine magere Luft/Brennstoff-Mischung wird zur Brennkammer über das erste Einlassrohr geliefert. Ein zweites Einlassventil wird geöffnet, um strömungsmittelmäßig den Einlassluftraum mit der Brennkammer über ein zweites Einlassrohr zu verbinden. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die konfiguriert ist, um einen gasförmigen Brennstoff in das zweite Einlassrohr einzuspritzen, wird so aktiviert, dass Luft, welche durch das zweite Einlassrohr läuft, sich mit Brennstoff vermischt, der in das zweite Einlassrohr eingespritzt wird, um eine fette Luft/Brennstoff-Mischung zu bilden. Die fette Luft/Brennstoff-Mischung wird zur Brennkammer über das zweite Einlassrohr geliefert, wenn das zweite Einlassventil zumindest teilweise offen ist. Die ersten und zweiten Einlassventile werden geschlossen, bevor eine Brennstoff/Luft-Mischung gezündet wird, welche in der Brennkammer vorhanden ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors mit einer Konfiguration zum Einspritzen von Brennstoff in ein Einlassrohr gemäß der Offenbarung.
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2–4 sind Querschnitte einer Konfiguration eines Verbrennungszylinders bei unterschiedlichen Betriebszuständen gemäß der Offenbarung.
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5 ist ein Blockdiagramm für eine Steuervorrichtung gemäß der Offenbarung.
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6 ist ein Einlassventilzeitsteuerdiagramm gemäß der Offenbarung.
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7 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Verbrennungsmotors 100 gemäß der Offenbarung. Wie gezeigt, ist der Motor 100 ein stationärer Motor, der Teil eines Generatorsatzes ist. Somit hat der Motor 100 eine Ausgangswelle 102, die mit einem Generator 104 verbunden ist. Während des Betriebs kann der Motor 100 mit einer nahezu konstanten Motordrehzahl, jedoch mit variierender Last arbeiten, und zwar abhängig von der elektrischen Leistung oder der Stromausgabe des Generators 104. Eine Steuervorrichtung 105 kann betriebsmäßig mit verschiedenen Motor- und/oder Generatorsystemen assoziiert sein. Die Steuervorrichtung 105 weist in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel betreibbare Verbindungen zu verschiedenen Sensoren und Systemen des Motors 100 und des Generators 104 auf und ist konfiguriert, um Informationen bezüglich deren Betriebsparameter zu empfangen, genauso wie um Befehle zu verschiedenen Betätigungsvorrichtungen und Systemen durch die Verbindungen zu senden.
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Der Motor 100 kann verschiedene Komponenten und Systeme aufweisen, wie beispielsweise Schmiersysteme und elektrische Systeme, welche zur Vereinfachung aus 1 weggelassen worden sind. Für die vorliegende Offenbarung relevant ist, dass der Motor 100 ein Kurbelgehäuse 106 mit einem oder mehreren darin ausgebildeten Verbrennungszylindern hat. Obwohl sechs Zylinder 108 in einer Reihenkonfiguration gezeigt sind, kann irgendeine andere Anzahl von Zylindern verwendet werden, die in anderen Konfigurationen angeordnet sind, wie beispielsweise in einer „V-Konfiguration”.
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Jeder Zylinder 108 weist einen hin und her bewegbaren Kolben auf, der eine Brennkammer definiert, welche mit einer Einlasssammelleitung 110 und einer Auslasssammelleitung 112 verbindbar ist. Jeder Zylinder 108 weist eine Zündkerze 114 auf. Die Zündkerzen 114 sind konfiguriert, um einen oder mehrere Funken in jeder Brennkammer ansprechend auf geeignete Befehle von der Steuervorrichtung 105 während des Motorbetriebs zu erzeugen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 105 konfiguriert sein, um eine Zeitsteuerinformation vom Motor 100 zu empfangen, welche verwendet wird, um den geeigneten Zündzeitpunkt für jeden Verbrennungszylinder zu bestimmen.
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Der Funken, der von jeder Zündkerze 114 geliefert wird, bewirkt die Verbrennung der Luft/Brennstoff-Mischung, die in einem komprimierten Zustand in jedem Zylinder 108 vorhanden ist. Jeder Zylinder 108 ist konfiguriert, um selektiv Luft von der Einlasssammelleitung 110 aufzunehmen, welche bei einem natürlich beatmeten Motor auf oder unter atmosphärischem Druck sein kann oder alternativ bei einem turboaufgeladenen oder kompressoraufgeladenen Motor unter positivem Druck sein kann. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Motor 100 einen (nicht gezeigten) Turbolader auf, der strömungsmittelmäßig in der bekannten Konfiguration zwischen den Einlass- und Auslasssammelleitungen 110 und 112 angeschlossen ist.
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Während des Betriebs wird Luft von der Einlasssammelleitung 110 zu jedem Zylinder 108 geliefert, und zwar jeweils über erste und zweite Einlassrohre 116 und 118. Die ersten und zweiten Einlassrohre 116 und 118 von jedem Zylinder 108 können direkt mit einem Einlassluftraumvolumen 120 der Einlasssammelleitung 110 verbunden sein oder können alternativ Zweige eines (nicht gezeigten) Einlassanschlusses bzw. Einlassrohrs sein, welches zum Einlassluftraumvolumen 120 strömungsmittelmäßig geöffnet ist. Ein erstes Einlassventil 122 ist so angeordnet, dass es strömungsmittelmäßig den Zylinder 108 von dem ersten Einlassrohr 116 isoliert, und ein zweites Einlassventil 124 ist in ähnlicher Weise angeordnet, so dass es strömungsmittelmäßig den Zylinder 108 vom zweiten Einlassanschluss bzw. Einlassrohr 118 isoliert. Wenn die ersten und zweiten Einlassventile 122 und 124 geschlossen sind, wie beispielsweise während der Verbrennung der Luft/Brennstoff-Mischung im Zylinder 108, ist eine Strömungsmittelverbindung zwischen jedem jeweiligen Zylinder 108 und der Einlasssammelleitung 110 blockiert. In ähnlicher Weise gestattet zumindest ein teilweises Öffnen von entweder dem ersten und/oder dem zweiten Einlassventil (den Einlassventilen) 122 und 124 die Strömungsmittelverbindung des Zylinders 108 mit dem Einlassluftraumvolumen 120, so dass Luft 125 in den Zylinder 108 eintreten kann.
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Brennstoff wird in jeden Zylinder 108 durch eine entsprechende Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 geliefert. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist jeder Zylinder 108 mit einer extra dafür vorgesehenen Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 assoziiert, jedoch kann alternativ eine einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung oder weniger Brennstoffeinspritzvorrichtungen verwendet werden. Wie gezeigt, ist jede Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 so angeordnet, dass sie Brennstoff in jedes entsprechende zweite Einlassrohr 118 von jedem Zylinder 108 liefert. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 126 sind so konfiguriert, dass sie eine vorbestimmte Masse oder eine Volumenmenge an Brennstoff, wie beispielsweise Brennstoff in einer gasförmigen Phase, in die zweiten Einlassrohre 118 liefert, wenn Luft dort hindurch läuft. Die Brennstoffeinspritzvorrichtungen 126 sind mit einer Brennstoffleitung 128 assoziiert, welche so angeordnet ist, dass sie Brennstoff 130 zu den Einspritzvorrichtungen mit einem vorbestimmten Druck liefert. Die Dauer von jedem Einspritzereignis und somit die Menge des eingespritzten Brennstoffes ist so konfiguriert, dass sie ansprechend auf einen Brennstoffversorgungsbefehl ausgeführt wird, der von der elektronischen Steuervorrichtung 105 zu jeder Einspritzvorrichtung 126 über eine (nicht gezeigte) geeignete Kommunikationsleitung geliefert wird.
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Wenn eine spezielle Einspritzvorrichtung 126 aktiviert wird, um eine vorbestimmte Menge an Brennstoff zu liefern, wird der gelieferte Brennstoff in den Zylinder 108 durch einen Luftfluss getragen, welcher durch jedes jeweilige Einlassrohr 118 läuft, während das zweite Einlassventil 124 offen ist. Die Luft/Brennstoff-Mischung, die in den Zylinder 108 durch jedes zweite Einlassrohr 118 eintritt, welche fett sein kann, verbrennt zusätzlich zu einer relativ mageren Luft/Brennstoff-Mischung, welche in den Zylinder 108 über das erste Einlassrohr 116 eintritt, wenn ein Funken durch die entsprechende Zündkerze 114 geliefert wird. Die Verbrennung erzeugt, wie bekannt, Leistung, welche zur Ausgangswelle 102 übertragen wird, um den Generator 104 anzutreiben.
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Abgas, welches nach der Verbrennung des Brennstoffs aus jeder Einspritzvorrichtung 126 mit der Luft aus den ersten und zweiten Einlassrohren 122 und 124 in jedem Zylinder 108 zurückbleibt, wird evakuiert und in der Auslasssammelleitung 112 gesammelt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist jeder Zylinder 108 strömungsmittelmäßig mit einem Auslassluftraumvolumen 132 über zwei Auslassanschlüsse bzw. Auslassrohre 134 verbindbar. Jedes Auslassrohr 134 kann strömungsmittelmäßig von dem Zylinder 108 durch ein entsprechendes Auslassventil 136 isoliert bzw. abgeschnitten werden. Das gesammelte Abgas 138 wird aus der Auslasssammelleitung 112 entfernt. Obwohl zwei Auslassventile 136 gezeigt sind, welche jedem Zylinder 108 entsprechen, kann ein einzelnes Auslassventil verwendet werden, das in einem einzelnen Auslassrohr pro Zylinder 108 angeordnet ist.
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2 ist ein Querschnitt eines Zylinders 108. Die 3 und 4 sind Querschnitte des Zylinders 108 bei zwei unterschiedlichen Betriebszuständen, wie im Folgenden unten genauer besprochen wird. In der folgenden Beschreibung werden Strukturen oder Elemente, welche die gleichen sind wie entsprechende Strukturen und Elemente, die schon beschrieben wurden, oder welche diesen Strukturen und Elementen ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie zuvor verwendet wurden. Entsprechend weist jeder Zylinder 108 einen Kolben 202 auf, der konfiguriert ist, um sich innerhalb einer Bohrung 204 hin und her zu bewegen, welche in einem Motorkurbelgehäuse 206 ausgeformt ist. Ein Zylinderkopf 208 ist über dem offenen Ende der Bohrung 204 angeordnet, um eine Brennkammer 210 zu definieren. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens 202 ändert das Volumen der Brennkammer 210, welches maximal ist, wenn der Kolben 202 an einer untersten Position oder an einem unteren Totpunkt (BDC = bottom dead center) ist, und das Volumen ist minimal, wenn der Kolben 202 an einer obersten Position oder am oberen Totpunkt (TDC = top dead center) ist. Die untere Totpunktposition und die obere Totpunktposition des Kolbens 202 werden basierend auf der relativen Position einer Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 212 auf einem Exzenterbolzen einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle bestimmt. Die Pleuelstangen 212 sind schwenkbar mit den Kolben 202 verbunden, um in bekannter Weise die Hin- und Herbewegung der Kolben 202 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umzuwandeln.
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In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Einlasssammelleitung 110 so gezeigt, dass sie mit einer Seitenfläche des Zylinderkopfes 208 verbunden ist, so dass das Einlassluftraumvolumen 120 in Strömungsmittelverbindung mit den ersten und zweiten Einlassrohren 116 und 118 ist. Das erste Einlassrohr 116 ist selektiv von einer Strömungsmittelverbindung mit der Brennkammer 210 durch das erste Einlassventil 122 abgeblockt. In ähnlicher Weise blockt das zweite Einlassventil 124 selektiv strömungsmittelmäßig die Brennkammer 210 vom zweiten Einlassrohr 118 ab. Wie zuvor beschrieben, ist die Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 so konfiguriert, dass sie Brennstoff in das zweite Einlassrohr 118 einspritzt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 eine Spitze 214 auf, welche ein oder mehrere (nicht gezeigte) Düsenöffnungen hat, welche Brennstoff, beispielsweise in gasförmiger Phase zur Vermischung mit einem Luftfluss liefern können, welcher durch das zweite Einlassrohr 118 hindurchläuft und in die Brennkammer 210 eintritt, wenn das zweite Einlassventil 124 zumindest teilweise offen ist.
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Wie gezeigt, sind die ersten und zweiten Einlassrohre 116 und 118 strömungsmittelmäßig mit dem Einlassluftraumvolumen 120 verbunden und erstrecken sich in Parallelkreislaufkonfiguration zwischen dem Einlassluftraumvolumen 120 und der Brennkammer 210. Die ersten und zweiten Einlassventile 122 und 124 werden unabhängig betrieben, um selektiv entweder Luft oder eine sehr magere Luft/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer 210 durch das erste Einlassrohr 116 einzulassen, und eine sehr fette Luft/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer 210 durch das zweite Einlassrohr 118 einzulassen, wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 aktiv ist. Auf diese Weise kann die Gesamtmenge von Brennstoff und Luft, die in der Mischung in der Brennkammer 210 vorhanden ist, so angeordnet bzw. angepasst werden, dass eine nahezu stöchiometrische Verbrennung mit geschichteten Lagen oder Bereichen von Mischungen mit unterschiedlicher Luft/Brennstoff-Konzentration innerhalb der Brennkammer 210 vorsehen wird. Eine Unterteilungswand 216 kann vorhanden sein, um zumindest einen Teil von jedem der ersten und zweiten Einlassrohre 116 und 118 abzutrennen, so dass Brennstoff, der in das zweite Einlassrohr 118 durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 eingespritzt wird, im Wesentlichen davon abgehalten wird, in das erste Einlassrohr 116 überzulaufen, hinüber zu sprühen oder in anderer Weise in dieses einzutreten.
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Der Bodenteil des Kolbens 202 weist in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weiter ein konkav geformtes Merkmal oder eine Mulde 218 auf. Die Mulde 218 ist konfiguriert, um die fette Luft/Brennstoff-Mischung, welche in die Brennkammer 210 durch das zweite Einlassrohr 118 eintritt, zu einem Bereich 220 zu leiten, der benachbart zur Spitze der Zündkerze 114 oder um diese herum gelegen ist. Im Allgemeinen wird die Form der Mulde 218 von der speziellen Motorkonfiguration genauso wie von der Form von anderen umliegenden Merkmalen und Komponenten abhängen, wie beispielsweise von der Form der ersten und zweiten Einlassrohre 116 und 118. Anders gesagt, die Form der ersten und zweiten Einlassrohre 116, die Form der Mulde 218, die Anordnung und Orientierung der Zündkerze 114, die Position des Kolbens 202 innerhalb der Bohrung 204 und andere Parameter können optimiert werden, um zusammen eine Schichtbildung der fetten Luft/Brennstoff-Mischung vorzusehen, welche vom zweiten Einlassrohr 118 in die Brennkammer 210 eintritt. Die fette Luft/Brennstoff-Mischung kann so gezwungen werden, den Bereich 220 der Brennkammer einzunehmen, welcher den Zündfunken von der Zündkerze 114 umgibt. Wie klar sein wird, werden die einzigartigen Bedingungen, die bei jeder Motoranwendung vorhanden sind, zumindest eine gewisse Analyse erfordern, um verschiedene Parameter zu bestimmen, wie beispielsweise die Verbrennungsverwirbelung und die Turbulenz innerhalb der Brennkammer 210, so dass die Schichtbildung der Luft/Brennstoff-Mischung optimiert werden kann. Im Vergleich zu direkt einspritzenden Motoren sind jedoch die hier offenbarten Ausführungsbeispiele in vorteilhafter Weise konfiguriert, um die Schichtbildung der Luft/Brennstoff-Mischung in der Brennkammer 210 zu erleichtern.
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Insbesondere kann jedes der ersten und zweiten Einlassventile 122 und 124 so konfiguriert sein, dass es unabhängig voneinander arbeitet. Ihr Betrieb kann gemäß einer vorbestimmten Beziehung ausgeführt sein, oder der Betrieb von jedem kann unabhängig in variabler Weise basierend auf verschiedenen Motorbetriebsparametern bestimmt werden, wie beispielsweise basierend auf der Brennstoffqualität, der Temperatur, der Motordrehzahl, der Motorbelastung und basierend auf anderen Parametern.
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Ein qualitatives Diagramm der Ventilzeitsteuerung für die ersten und zweiten Ventile 116 und 118 ist in 6 gezeigt. In diesem Diagramm stellt eine horizontale Achse den Kurbelwellenwinkel 502 dar, wobei die oberen und unteren Totpunktpositionen eines Kolbens markiert sind. Der Ventilöffnungsgrad bzw. die Ventilöffnung 504 ist entlang der vertikalen Achse dargestellt. Ein vollständiger Standard-Verbrennungszyklus, der einen Einlasshub 506, einen Kompressions- bzw. Verdichtungshub 508, einen Verbrennungs- oder Leistungshub 510 und einen Auslasshub 512 aufweist, ist in dem Diagramm zu Zwecken der Erläuterung gezeigt, jedoch sollten diese Bezeichnungen nicht dahingehend verstanden werden, dass sie das Vorgehen innerhalb der Brennkammer 210 einschränken oder einfach beschreiben.
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In dem in 5 gezeigten Diagramm läuft der Kolben von der oberen Totpunktposition zur unteren Totpunktposition in einer Bewegung, welche typischerweise den Einlasshub 506 darstellt. Während dieser Zeit wird das Volumen der Brennkammer vergrößert, so dass Luft oder eine Luft/Brennstoff-Mischung die Brennkammer füllen kann. In dem Diagramm ist die Kurve der Position des ersten Einlassventils so gezeigt, dass zwei unterschiedliche Betriebsmodi vorliegen können. Wie zu sehen ist, arbeitet das erste Einlassventil, beispielsweise das erste Einlassventil 122, gemäß einem Miller-Zyklus. Ein Betriebsmodus mit spät schließendem Einlassventil (LIC = late inlet closing) wird durch die LIC-Positionskurve 514 des ersten Einlassventils (in durchgezogener Linie gezeigt) dargestellt, und ein Betriebsmodus mit früh schließendem Einlassventil (EIC = early inlet closing) wird durch die EIC-Positionskurve 516 für das erste Einlassventil gezeigt (welche in gestrichelter Linie gezeigt ist). Im LIC-Betriebsmodus öffnet das erste Einlassventil spät im Einlasshub 506 und bleibt für einen Teil des Verdichtungshubes 508 offen, wie qualitativ durch die LIC-Positionskurve 514 für das erste Einlassventil dargestellt. In ähnlicher Weise kann das erste Einlassventil im EIC-Betriebsmodus während des Auslasshubes 512 offen bleiben und früh während eines Einlasshubes 506 schließen. Wie zuvor beschrieben, ist das Strömungsmittel, welches in die Brennkammer durch das erste Einlassrohr, wie beispielsweise das in den 2–4 gezeigte Einlassrohr 116 eintritt, vorteilhafterweise entweder Luft oder eine sehr magere Luft/Brennstoff-Mischung, welche die Brennkammer 210 füllt, während das erste Einlassventil offen ist.
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Das zweite Einlassventil öffnet sich relativ kurz während des Verdichtungshubes 508, wie durch die Positionskurve 518 für das zweite Einlassventil gezeigt. Dieser Betrieb des zweiten Einlassventils kann der gleiche Betrieb oder ein ähnlicher Betrieb sein, und zwar ungeachtet des LIC- oder EIC-Betriebsmodus des ersten Einlassventils. Es sei bemerkt, dass während der Zeit, während der das zweite Einlassventil, beispielsweise das in den 2–4 gezeigte Einlassventil 124, offen ist, der statische Druck des Strömungsmittels innerhalb des entsprechenden Einlassrohrs, beispielsweise des zweiten Einlassrohrs 118, höher ist als der statische Druck von Strömungsmitteln, die in dem Verbrennungszylinder zu diesem Zeitpunkt vorhanden sind.
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Das Öffnen des zweiten Einlassventils 124 ist so konfiguriert, dass es zumindest teilweise mit der Einspritzung von Brennstoff aus der Einspritzvorrichtung 126 zusammenfällt. Wie zuvor beschrieben, ist die Einspritzvorrichtung 126 so angeordnet, dass sie eine vorbestimmte Menge an Brennstoff einspritzt, welche zusammen mit der Gesamtmenge der Luft, die in die Brennkammer 210 insgesamt durch die ersten und zweiten Einlassventile 122 und 124 eintritt, ein Luft/Brennstoff-Gesamtmassenverhältnis erzeugen wird, welches für den speziellen Motor erwünscht ist, wie beispielsweise eine stöchiometrische Mischung oder eine fett verbrennende stöchiometrische Mischung. Jedoch wird der Modus bzw. Betriebszustand, in dem der Brennstoff innerhalb der Brennkammer verteilt wird, geschichtet, um eine effizientere Verbrennung zu begünstigen.
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Wie speziell in den 3 und 4 gezeigt ist, kann sich das erste Einlassventil 122 zuerst öffnen, um eine Luftmenge in die Brennkammer 210 einzulassen. Der Betrieb des ersten Einlassventils 122 kann gemäß einem LIC- oder EIC-Miller-Betriebsmodus ausgeführt werden. Das zweite Ventil 124 öffnet sich kurz, um eine zusätzliche Luftmenge genauso wie eine Menge an Brennstoff 219 einzulassen, die von der Einspritzvorrichtung 126 eingespritzt wird. Die ersten und zweiten Ventile 122 und 124 können eine überlappende Öffnungsperiode haben, insbesondere wenn das erste Einlassventil 122 in einem LIC-Betriebsmodus arbeitet, wie beispielsweise von der Kurve 514 in 5 gezeigt. Die Luft, welche in die Brennkammer 210 durch das zweiten Einlassrohr 118 hereinkommt, ist in einer brennstoffreichen bzw. fetten Luft/Brennstoff-Mischung, welche von einer Vermischung mit der Luft abgehalten wurde, welche schon in der Brennkammer 210 vorhanden ist, indem sie in geeigneter Weise durch die Form des zweiten Einlassrohrs 118 zur Mulde 218 geleitet wurde. Die Mulde 218 ist optimiert, um die fette Mischung zu einem Bereich 220 zu leiten, der benachbart zu der Spitze der Zündkerze 114 gelegen ist. Wie zuvor beschrieben, kann die Zündkerze 114 so orientiert und positioniert sein, dass sie in den Bereich 220 der Brennkammer 210 vorsteht. In dieser Weise ist die brennstoffreiche bzw. fette Mischung besser für eine vollständigere Verbrennung in einer kürzeren Periode positioniert, wenn die Zündung vorgesehen wird. Mit Bezug auf 6 ist auch zu sehen, dass ein Zündungsereignis 520 dem Schließen des zweiten Einlassventils 124 kurz nachfolgen kann, so dass eine unzureichende Zeit vorgesehen wird, damit die fette Mischung sich mit der in der Brennkammer 210 vorhandenen Luft vor der Zündung vermischt.
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Ein Blockdiagramm für ein Steuersystem 600 ist in 6 gezeigt. Das Steuersystem kann ein oder mehrere Steueralgorithmen aufweisen, die in der in 1 gezeigten Steuervorrichtung 105 arbeiten. Die Steuervorrichtung 105 kann eine einzelne Steuervorrichtung sein oder kann mehr als eine Steuervorrichtung aufweisen, die angeordnet bzw. ausgeführt ist, um verschiedene Funktionen und/oder Merkmale eines Motors 100 und/oder eines Generators 104 zu steuern. Beispielsweise kann eine Master- bzw. Hauptsteuervorrichtung, welche verwendet wird, um den Gesamtbetrieb und die Gesamtfunktion des Systems zu steuern, in zusammenarbeitender Weise mit einer Motorsteuervorrichtung ausgeführt sein. In diesem Ausführungsbeispiel soll der Ausdruck „Steuervorrichtung” bzw. „Controller” einen, zwei oder mehrere Controller aufweisen, welche mit dem System assoziiert sind und welche zusammenarbeiten können, um verschiedene Funktionen und Betriebsvorgänge des Systems zu steuern. Die Funktionsweise der Steuervorrichtung, während sie in 6 konzeptionell nur zu veranschaulichenden Zwecken so gezeigt ist, dass sie verschiedene diskrete Funktionen aufweist, kann als Hardware bzw. Komponenten und/oder Software bzw. Programme ausgeführt sein, und zwar ohne Rücksicht auf die gezeigte diskrete Funktionsweise. Entsprechend werden verschiedene Schnittstellen der Steuervorrichtung relativ zu den Komponenten des in 1 gezeigten Systems beschrieben. Solche Schnittstellen sollen nicht die Art und die Anzahl der Komponenten einschränken, welche angeschlossen sind, und auch nicht die Anzahl der Steuervorrichtungen, die beschrieben werden.
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In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel nimmt das Steuersystem 600 verschiedene Motorparameter und andere Betriebsparameter als Eingänge auf. Wie in der beispielhaften Ausführungsform der 6 gezeigt, ist das Steuersystem 600 so angeordnet, dass es Signale empfängt, welche die Motordrehzahl 602, die Motorbelastung 604, die Kurbelwellenposition oder die Kurbelwellenzeitsteuerung 606, die Lufttemperatur 608, die Brennstoffqualität 610, den Einlasssammelleitungsdruck 612 und verschiedene andere Parameter anzeigen, wie dies erforderlich ist. Jeder dieser Parameter kann in verschiedenen Berechnungen und bei anderen Bestimmungen verwendet werden, um, sofern dies für die vorliegenden Besprechung relevant ist, eine Zeitsteuerung 614 für das erste Einlassventil, eine Zeitsteuerung 616 für das zweite Einlassventil, und eine Zündzeitsteuerung 618 neben anderen Größen vorzusehen. Diese Parameter können durch irgendein geeignetes Verfahren bestimmt werden, beispielsweise durch eine Nachschautabelle bzw. ein Kennfeld, um die Zeitsteuerung basierend auf der Motordrehzahl 602 und der Motorbelastung 604 zu bestimmen, und zwar mit geeigneten Korrekturen, die basierend auf anderen Parametern angewendet werden, wie beispielsweise auf der Kurbelwellenzeitsteuerung bzw. Kurbelwellenstellung 606, der Lufttemperatur 608, der Brennstoffqualität 610, dem Ladedruck 612 und/oder anderen Parametern. Entsprechend weist das Steuersystem 600 eine erste Unterroutine 620 auf, welche das Zeitsteuersignal 614 für das erste Einlassventil liefert, eine zweite Unterroutine 622, welche das Zeitsteuersignal 616 für das zweite Einlassventil liefert, und eine dritte Unterroutine 624, welche das Zündzeitsteuersignal 618 liefert. Die speziellen Betriebsvorgänge innerhalb jeder Unterroutine sind so konfiguriert, dass sie eine erwünschte Einlassventilzeitsteuerung bzw. Soll-Einlassventilzeitsteuerung für jedes der unabhängig gesteuerten ersten und zweiten Einlassventile liefert, genauso wie einen erwünschten Zündzeitpunkt, obwohl andere Zeitsteuerungen bzw. Zeitsteuerwerte bestimmt werden können, wie beispielsweise einen erwünschten Brennstoffeinspritzzeitpunkt usw.
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In einem Ausführungsbeispiel kann jedes der ersten und zweiten Einlassventile entweder durch extra dafür vorgesehene Nockenwellen oder durch eine einzige Nockenwelle betätigt werden, welche speziell dafür vorgesehene darauf ausgebildete Ansätze hat, welche die erwünschte Zeitsteuerung für das Öffnen und das Schließen der Einlassventile vorsehen können. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die ersten und zweiten Einlassventile durch eine extra dafür vorgesehene oder abtrennbare Einlassnockenwelle mit der Fähigkeit betätigt werden, die Einleitungs- und Beendigungsereignisse zur Betätigung der Einlassventile zu variieren. In noch einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann jedes Einlassventil durch extra dafür vorgesehene Betätigungsvorrichtungen betätigt werden, wie beispielsweise durch eine elektrische oder hydraulische Betätigungsvorrichtung mit einer breiten Fähigkeit zum selektiven Öffnen und Schließen von jedem Einlassventil.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf funkengezündete Verbrennungsmotoren. Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf stationäre Motoren, welche mit Erdgas, flüssigem Propangas bzw. Autogas (LPG = liquefied petroleum gas), Biogas oder irgendeinem anderen brennbaren Brennstoff arbeiten, und die mit elektrischen Generatoren verbunden sind, um elektrische Leistung zu erzeugen, jedoch kann irgendeine andere Bauart eines Motors verwendet werden. Entsprechend sind die Systeme und Verfahren, die hier beschrieben wurden, auch auf Motoren anwendbar, die in großen Einrichtungen eingebaut sind, wie beispielsweise in Lokomotiven oder in Seefahrzeugen, genauso wie Motoren, die in Fahrzeugen eingebaut sind, wie beispielsweise in der Lastwagen- oder Automobilindustrie, obwohl hier eine Anwendung mit einem stationären Motor beschrieben wird.
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Die offenbarten Ausführungsbeispiele umfassen einen Erdgasmotor mit Saugrohreinspritzung bzw. Einlassrohreinspritzung mit zwei Einlassventilen, die mit jedem Verbrennungszylinder assoziiert sind. Jedes der zwei Einlassventile arbeitet unabhängig vom anderen. Während des Betriebs öffnet sich ein Einlassventil, welches gemäß einem LIC-Miller-Zyklus mit spät schließendem Einlassventil oder gemäß einem EIC-Miller-Zyklus mit früh schließendem Einlassventil arbeiten kann, um eine Ladeluft von einem Einlassrohr ohne Brennstoffeinspritzung in einen Verbrennungszylinder des Motors einzulassen. Das zweite der zwei Einlassventile öffnet sich spät im Verdichtungszyklus des Motors, um eine relativ fette Ladung in den Zylinder einzulassen. Dieses zweite Ventil ist in einem Einlassanschluss bzw. Einlassrohr angeordnet, welches eine Brennstoffeinspritzvorrichtung hat, die konfiguriert ist, um Brennstoff in die Luft einzuleiten, die in den Verbrennungszylinder eintritt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Zugabe der fetten Luft/Brennstoff-Mischung gerade vor der Zündung der Luft/Brennstoff-Mischung vorgesehen. Zusätzlich sind die Position der Brennstoffeinspritzvorrichtung, die Form der Einlassrohre und die Form eines Kolbenbodens alle optimiert und konfiguriert, um die fette Luft/Brennstoff-Mischung in eine Nachbarschaft der Zündkerze zu liefern. In dieser Weise ist die Zündung der Luft/Brennstoff-Mischung effizienter und vermeidet Klopfen im Motor genauso wie sie eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer vorsieht.
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Ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors ist in 7 gezeigt. Der Motor kann einzelne oder mehrere Einlassluftraumvolumen aufweisen, die konfiguriert sind, um Luft in eine oder mehrere Brennkammern zu liefern. Das Verfahren weist auf, ein erstes Einlassventil zu öffnen, welches mit einer speziellen Brennkammer assoziiert ist, so dass Luft von dem Einlassluftraum zu der Brennkammer bei 702 geliefert wird. Ein erster Einlassanschluss bzw. ein erstes Einlassrohr, welches strömungsmittelmäßig den Einlassluftraum und die Brennkammer über das erste Einlassventil verbindet, kann in vorteilhafter Weise vorgesehen werden, obwohl andere Konfigurationen verwendet werden können. In einem Motor, der beispielsweise in einem EIC-Miller-Zyklus arbeitet, kann ein einzelnes Einlassventil in einem einzelnen Einlassrohr angeordnet sein. Bei einer solchen Ausführung kann eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, welche in dem einzelnen Luftraum angeordnet sein kann, während des Einlassens von Luft oder einer sehr mageren Luft/Brennstoff-Mischung in die Brennkammer inaktiv bleiben.
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Folgend auf das Öffnen des ersten Einlassventils wird Luft oder eine magere Luft/Brennstoff-Mischung über das erste Einlassrohr in die Brennkammer bei 704 eingelassen. In dem Fall, dass eine gewisse Menge an Brennstoff in dem ersten Einlassrohr vorhanden ist, beispielsweise übriggelassen von einem vorherigen Einspritzereignis, kann die Luft, welche durch das erste Einlassrohr läuft, irgendwelchen solchen restlichen Brennstoff in die Brennkammer tragen, obwohl die resultierende Luft/Brennstoff-Mischung relativ mager sein wird.
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Ein zweites Einlassventil wird bei 706 geöffnet, um strömungsmittelmäßig den Einlassluftraum oder die Sammelleitung innerhalb der Brennkammer über ein zweites Einlassrohr zu verbinden. Wie zuvor beschrieben, stellen in einem Ausführungsbeispiel mit einem einzelnen Einlassventil, welches in einem einzelnen Einlassrohr angeordnet ist, die ersten und zweiten Einlassventile, so wie sie hier beschrieben werden, einfach erste und zweite Öffnungsereignisse des einzelnen Einlassventils dar. Bei Motoren mit zwei Einlassventilen für jede Brennkammer, beispielsweise beim Motor 100, der in 1 gezeigt ist, kann ein extra vorgesehenes Einlassrohr verwendet werden, beispielsweise 116 und 118.
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Wie in 1 gezeigt, kann eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 126 so konfiguriert sein, dass sie selektiv Brennstoff in das zweite Einlassrohr 118 liefert. Im Allgemeinen weist das Verfahren die Aktivierung einer Brennstoffeinspritzvorrichtung bei 708 auf, welche Brennstoff in das zweite Einlassrohr liefert, und zwar gleichzeitig mit dem Öffnen des zweiten Einlassventils oder direkt folgend darauf. In dieser Weise wird eine relativ fette Luft/Brennstoff-Mischung bei 710 in die Brennkammer über das zweite Einlassrohr geliefert.
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Die fette Luft/Brennstoff-Mischung wird zu einer Zündvorrichtung geleitet, beispielsweise zu einer Zündkerze, wenn sie in die Brennkammer eintritt, um eine geschichtete Luft/Brennstoff-Gesamtmischung bei 712 in der Brennkammer vorzusehen. Anders gesagt, obwohl die Gesamtmenge der Luft und die Gesamtmenge des Brennstoffs in der Brennkammer folgend auf das Zufügen der fetten Luft/Brennstoff-Mischung nahe einem vorgewählten Luft/Brennstoff-Verhältnis sein kann, wie beispielsweise nahe einem Verhältnis in Übereinstimmung mit einer Verbrennung nahe einer stöchiometrischen Verbrennung, ist die Luft/Brennstoff-Mischung in der Brennkammer während und direkt nach dem Einlassen der fetten Luft/Brennstoff-Mischung nicht homogen. Genauer gesagt, können das zweite Einlassrohr und andere Merkmale des Motors, wie beispielsweise die speziell ausgeformte Verbrennungsmulde im Kolbenboden, verwendet werden, um allgemein die fette Luft/Brennstoff-Mischung in eine Region der Brennkammer zu leiten, die benachbart zur Zündquelle ist. Somit können fette und magere Bereiche in der Brennkammer vorhanden sein, bevor die Zündung ausgeführt wird. Diese Schichtbildung der Luft/Brennstoff-Mischung in der Brennkammer, welche mit der stufenweise ausgeführten und selektiv gesteuerten Zugabe von Luft und Brennstoff in den Verbrennungszylinder erreicht wird, sieht in vorteilhafter Weise eine vollständigere Verbrennung und eine bessere Brennstoffausnutzung für den Motor vor.
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Folgend auf die Erzeugung der geschichteten Luft/Brennstoff-Mischung, so wie es hier beschrieben wurde, können die ersten und zweiten Einlassventile in einer erwünschten Abfolge und Zeitsteuerung bei 714 geschlossen werden, und die Luft/Brennstoff-Mischung wird bei 716 gezündet. Obwohl das Öffnen des zweiten Einlassventils nach dem Öffnen des ersten Einlassventils auftritt, muss das Schließen von jedem der Ventile nicht einer speziellen Reihenfolge folgen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann das erste Einlassventil entweder in einem LIC- oder in einem EIC-Miller-Zyklus arbeiten. Während des Betriebs des ersten Einlassventils in einem EIC-Miller-Zyklus kann sich das erste Einlassventil öffnen, bevor ein Einlasshub des Motors beginnt, und es kann sich schließen, bevor ein Verdichtungshub beginnt. Somit kann das Einlassventil geschlossen sein, bevor das zweite Einlassventil geöffnet wird. Das zweite Einlassventil soll die fette Luft/Brennstoff-Mischung liefern, was vorgesehen ist, um die Schichtbildung der Luft/Brennstoff-Mischung in der Brennkammer aufrechtzuerhalten, und was in vorteilhafter Weise das Öffnen und Schließen des zweiten Einlassventils vollständig innerhalb des Verdichtungshubes des. Motors vorsieht, während das Schließen sobald wie möglich vor der Zündung auftritt.
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Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik liefert. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen können. Jegliche Bezugnahme auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen sich auf das speziell an diesem Punkt besprochene Beispiel beziehen und sind nicht dafür vorgesehen, irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen mit sich zu bringen. Jegliche Erwähnung einer Ablehnung oder geringeren Bevorzugung bezüglich gewisser Merkmale soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden, soll jedoch solche Merkmale nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt wird.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung miteingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, außer wenn dies hier anders angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.
