DE112013006689T5

DE112013006689T5 - Kraftstoffeinspritzverfahren und Verbrennungsmotor mit früher Voreinspritzung

Info

Publication number: DE112013006689T5
Application number: DE112013006689.0T
Authority: DE
Inventors: Christopher de Boer; Shizou Sasaki
Original assignee: Ecomotors Inc
Current assignee: Ecomotors Inc
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-10-29
Also published as: JP2016509159A; GB2532114B; US20140251278A1; GB201515672D0; GB2532114A; US9115676B2; WO2014135928A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzverfahren in einem Verbrennungsmotor und ein Verbrennungsmotor zum Durchführen des Kraftstoffeinspritzverfahrens. Das Verfahren umfasst ein Erhitzen eines Kraftstoffs auf eine Temperatur zwischen 300°F und 840°F (150 und 450°C); das unter Druck setzen des Kraftstoffs auf einen Druck von mehr als 40 bar; das Voreinspritzen von mindestens 10% der Kraftstoffladung als voreingespritzten Kraftstoff während des Ansaughubs; das Einspritzen einer Kraftstoffladung in den Zylinder über zumindest einen Teil des Verdichtungshubs; und das Einspritzen einer Zündeinspritzung in den Zylinder von zumindest 10% des Kraftstoffs in einem überkritischen Zustand während eines Verdichtungshubs bei einem Drehwinkel von zwischen 90° BTDCF und TDCF. Das Verfahren sowie der entsprechende Verbrennungsmotor erzeugen eine gute Kombination aus vorgemischter Verbrennung und Diffusionsverbrennung, wodurch die Effizienz gesteigert wird und folglich Emissionen an die Umwelt verringert werden, wobei gleichzeitig auch Geräusche und Vibrationen niedrig gehalten werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzverfahren bei einer inneren Verbrennung und einen Verbrennungsmotor, der das Kraftstoffeinspritzverfahren durchführt.
STAND DER TECHNIK
Ein Großteil des Energieverbrauchs der Erde ist auf die Energieversorgung von Fahrzeugen, die auf Verbrennungsmotoren basieren, gerichtet. Die meisten Benzin- und Dieselfahrzeugmotoren haben eine Effizienz von nur 20 bis 30%, so dass ein großer Teil des Kohlenwasserstoffkraftstoffs verschwendet wird, wodurch die weltweiten Ressourcen dezimiert werden und gleichzeitig eine übermäßige Menge an Schadstoffen und Treibhausgasen produziert wird. Da Kohlenwasserstoffkraftstoffe immer knapper und teurer werden, ist es wünschenswert, eine effizientere Nutzung dieser Kraftstoffe zu erreichen.
Verbrennungsmotoren verwenden üblicherweise ein oder mehrere Einspritzventile, um Kraftstoff in eine Verbrennungskammer des Motors einzuspritzen. Übliche Kraftstoffeinspritzventile können hydraulisch, elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigte Düsennadeln haben. Ein piezoelektrisches Element ist ein Material, das seine räumliche Ausdehnung verändert, wenn eine elektrische Spannung über das Element angelegt wird. Wenn die Potenzialdifferenz aufgehoben wird, nimmt das piezoelektrische Element seine ursprüngliche Ausdehnung wieder an. Wenn sie als Stellglieder eingesetzt werden, werden viele piezoelektrische Elemente gestapelt, um größere piezoelektrische Elemente oder „piezoelektrische Stapel” zu bilden, um den Hub des Stellglieds zu vergrößern. Bei einem piezoelektrisch-betätigten Einspritzventil werden ein oder mehrere dieser piezoelektrischen Elemente oder Stapel verwendet, um eine Kraftstoffeinspritzventilnadel zur Kraftstoffdosierung in einen Verbrennungsmotor zu betätigen.
Die Taktung der Kraftstoffeinspritzung kann entweder elektronisch oder mechanisch gesteuert werden. Bei einem mechanischen System werden Kraftstoffeinspritzventile im Allgemeinen durch die Kurbelwelle des Motors über Riemen, Zahnräder oder Ketten angetrieben. Üblicherweise sind die Kraftstoffeinspritzventile mechanisch und synchron mit der Kurbelwelle gekoppelt, so dass der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung mit dem Ansaugtakt und/oder dem Verdichtungstakt des Motorkolbens übereinstimmt. Bei einem elektronischen System wird Kraftstoff im Allgemeinen in die Verbrennungskammer eingespritzt, indem ein elektrisches Solenoid in jedem Kraftstoffeinspritzventil gesteuert wird. Die Taktung für das Solenoid wird durch einen Computer gesteuert, der den in eine Magnetspule des Kraftstoffeinspritzventils fließenden elektrischen Strom steuert.
Im Allgemeinen muss ein Kraftstoffsystem vor der Kraftstoffeinspritzung einen gewissen Druck aufrechterhalten. Bei einem Dieselmotor kann dieser Druck sehr hoch sein. Ein Druck von 30000 PSI (200 MPa) oder höher kann für ein Kraftstoffsystem eines Dieselmotors üblich sein. Bei einem Benzinmotor mit Fremdzündung liegt der Kraftstoffdruck im Allgemeinen im Bereich von 3000 PSI (20 MPa). Der Kraftstoffdruck wird im Allgemeinen von einer Kraftstoffpumpe bereitgestellt, die Kraftstoff aus einem Kraftstoffspeicher (d. h. Kraftstofftank) bezieht. Zur Unterstützung der Dämpfung von Druckunterschieden im System kann ein Druckregler oder Druckspeicher mit dem Auslass der Kraftstoffpumpe verbunden sein. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Druck unmittelbar durch das Kraftstoffeinspritzventil erzeugt werden, das mit einem Druckschaft ausgestattet sein kann. Eine Dosierung der Kraftstoffmenge kann durch Anpassen des Hubs des Druckschafts erreicht werden.
Während der Kraftstoff im Stand der Technik vor der Einspritzung üblicherweise nicht vorgeheizt wurde, nimmt er üblicherweise eine Temperatur an, die der des Motorblocks ähnlich war, welcher auf eine Temperatur von etwa 100°C gekühlt wird.
Während es bei der aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzung bekannt war, die Einspritzung in mehrere Abschnitte aufzuteilen, üblicherweise eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung, lief eine solche Voreinspritzung vorwiegend während des Verdichtungstaktes ab oder zumindest nahe des unteren Totpunkts vor dem Zünden.
Bei der Verbrennung werden üblicherweise zwei Arten der Verbrennung unterschieden, und zwar die so genannte vorgemischte Verbrennung, die üblicherweise innerhalb eines Winkels von 0 bis 20° nach dem Zünden am oberen Totpunkt (ATDCF) stattfindet und Kraftstoff verbrennt, der während der Zündungseinspritzung relativ nahe des Zündens am oberen Totpunkt (TDCF) eingespritzt wurde. Eine traditionellere Art der Verbrennung heißt Diffusionsverbrennung und findet während einer längeren Zeitspanne statt. Diese Art der Verbrennung kann beispielsweise durch eine Zündkerze ausgelöst werden, die den Kraftstoff deutlich vor dem TDCF entflammt und eine Flammenfront erzeugt, die nach und nach durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch wandert. Obwohl die vorgemischte Verbrennung relativ effektiv ist, könnten Probleme durch diese vergleichsweise intensive Verbrennung über einen vergleichsweise kurzen Winkel entstehen. Zum Beispiel können durch die vorgemischte Verbrennung Geräusche erzeugt werden. Es könnte deshalb wünschenswert sein, die vorgemischte Verbrennung zu modifizieren, ohne den gesamten Effekt der effizienteren vorgemischten Verbrennung zu verlieren, auf der anderen Seite jedoch Nachteile wie zum Beispiel Geräusche und Vibrationen zu beseitigen. Deshalb könnte eine Kombination beider Verbrennungsarten wünschenswert sein. Ein relativ kompliziertes Verfahren der Kombination beider Verbrennungsarten war als reaktionsgesteuerte Kompressionszündung bekannt, auch unter der Abkürzung RCCI bekannt. Jedoch erforderte RCCI eine Voreinspritzung des Kraftstoffs mit niedriger Reaktionsfähigkeit wie zum Beispiel Benzin und eine spätere Einspritzzündung eines Kraftstoffs mit hoher Reaktionsfähigkeit wie zum Beispiel Diesel. Als praktische Lösung sind zwei Kraftstoffarten üblicherweise nicht akzeptabel, zum Beispiel für Kraftfahrzeuge, da dies zwei Kraftstofftanks und zwei verschiedene Arten von Einspritzventilen erfordert.
Ein anderes Konzept aus dem Stand der Technik zur Erzeugung einer Kombination aus beiden Verbrennungsarten wurde als Jet-Zündung bekannt, die ebenfalls zwei Einspritzventile plus eine zusätzliche Vorverbrennungskammer erforderte, die eine Vorverbrennung erzeugte, welche die Kraftstoffmischung in der größeren Verbrennungskammer zündete. Die zusätzliche Vorverbrennungskammer erforderte ebenfalls eine zusätzliches Einspritzventil sowie eine Zündkerze.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gute Kombination beider Verbrennungsarten zu erzeugen, jedoch nur eine einzige Art von Kraftstoff und nur ein einziges Einspritzventil zu verwenden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Effizienz der Verbrennung durch eine ausgewogene Mischung beider Verbrennungsarten zu erhöhen. Die Effizienzsteigerung verringert zudem Abgasemissionen an die Umwelt.
Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen gewünschten Grad an Diffusionsverbrennung zu erreichen, ohne jedoch eine Zündkerze zur Zündung zu benötigen.
Weitere Merkmale und Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung deutlich, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt, die beispielhaft die Merkmale gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Die Beschreibung der Erfindung beabsichtigt nicht, den Umfang der Erfindung, die einzig durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist, zu beschränken.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Kraftstoffeinspritzverfahren in einen Verbrennungsmotor erreicht, der mindestens einen Kolben umfasst, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist und sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her bewegt, während die Kurbelwelle sich in einem Winkelbereich von 360° vor Zünden am oberen Totpunkt BTDCF und dem Zünden am oberen Totpunkt TDCF dreht und der Kolben über zumindest einen Teil des Bereichs von 360° bis 180° BTDCF einen Ansaughub ausführt und zumindest über einen Teil des Drehwinkels zwischen 180° BTDCF und TDCF einen Verdichtungshub ausführt, wobei dieses Verfahren umfasst: Erhitzen von Kraftstoff auf eine Temperatur zwischen 300°F und 840°F (150 und 450°C); unter Druck setzen des Kraftstoffs auf einen Druck von mehr als 40 bar; Voreinspritzen von mindestens 10% der Kraftstoffladung als ein voreingespritzter Kraftstoff während des Ansaughubs; Einspritzen einer Kraftstoffladung in den Zylinder über zumindest einen Teil des Verdichtungstakts; und Einspritzen einer Zündungseinspritzung von mindestens 10% des Kraftstoffs in einem überkritischen Zustand in den Zylinder während des Verdichtungstakts bei einem Drehwinkel zwischen 90° BTDCF und TDCF. Einer der Vorteile, den die vorliegende Erfindung bietet, besteht darin, dass aufgrund der Erhitzung des voreingespritzten Kraftstoffs sogar bei Kraftstoffen mit niedriger Reaktionsfähigkeit wie Benzin eine Zündung ohne eine Zündkerze erreicht werden kann. Ein Teil des Grundes dafür ist eine bessere Vermischung des Kraftstoffs mit der Ansaugluft und dessen Aufbrechen in feinere Tröpfchen, so dass der Kraftstoffpartialdruck im Brennstoff höher ist, wodurch sich seine Verdampfungsneigung erhöht. Der andere Vorteil ist eine ausgewogene Verbrennung, die sowohl eine vorgemischte Verbrennung als auch eine Diffusionsverbrennung umfasst, wobei die Diffusionsverbrennung zum großen Teil dem voreingespritzten Kraftstoff zuzurechnen ist, der bei vergleichsweise großen BTDCF-Winkeln eingespritzt wurde, wie zum Beispiel beginnend bei einem Winkel von 270° BTDCF oder sogar früher.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen Verbrennungsmotor, mit: mindestens einem Kolben, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist und sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her bewegt, während sich die Kurbelwelle zwischen einem Winkelbereich von 360° vor Zünden am oberen Totpunkt BTDCF und dem oberen Totpunkt TDCF dreht, wobei der Kolben über zumindest einen Teil des Bereichs zwischen 360° und 180° BTDCF und TDCF einen Ansaughub ausführt und über zumindest einen Teil des Drehwinkels zwischen 180° BTDCF und TDCF einen Kompressionshub ausführt; einem Kraftstoffeinspritzventil, das in Fluidverbindung mit dem Zylinder angeordnet ist; einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Kraftstoffs auf eine Temperatur zwischen 300°F und 840°F (150 und 450°C) vor der Einspritzung; einer Pumpe, die den Kraftstoff vor der Einspritzung auf einen Druck von mindestens 40 bar bringt; und einer Steuerung, die mit dem Kraftstoffeinspritzventil verbunden ist, wobei diese Steuerung dazu ausgebildet ist, die Menge der einzuspritzenden Kraftstoffladung während eines Zyklus zwischen 0 und 360° dazu zu steuern, mindestens 10% der Kraftstoffladung als voreingespritzten Kraftstoff während des Ansaugtakts voreinzuspritzen; eine Kraftstoffladung über zumindest einen Teil des Verdichtungstaktes in den Zylinder einzuspritzen; und eine Zündungseinspritzung von mindestens 10% des Kraftstoffs in einem überkritischen Zustand während des Verdichtungstaktes bei einem Drehwinkel zwischen 90° BTDCF und TDCF in den Zylinder einzuspritzen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Vorzugsweise kann die voreingespritzte Kraftstoffladung während des Ansaugtakts zwischen 10 und 20% der gesamten Kraftstoffladung liegen, aber auch andere Bereiche sind möglich, wie zum Beispiel zwischen 20 und 30% der Kraftstoffladung werden während des Ansaugtakts voreingespritzt oder zwischen 30 und 50% der Kraftstoffladung werden während des Ansaugtakts voreingespritzt oder zwischen 50 und 90% der Kraftstoffladung werden während des Ansaugtakts voreingespritzt. Ein Start der Einspritztaktung des voreingespritzten Kraftstoffs kann in einem Bereich von 360° bis 180° BTDCF liegen. Auf ähnliche Weise kann die eingespritzte Kraftstoffladung während des Verdichtungstaktes, auch als Zündeinspritzung bekannt, bis zu 90% der insgesamt während des Ansaug- und Verdichtungstaktes eingespritzten Kraftstoffladung betragen. Ein Start der Einspritzzündungstaktung kann in einem Bereich von 180° bis 360° BTDCF liegen. Entsprechend ist es für die Zündeinspritzung bei später Taktung der Zündeinspritzung möglich, sich nach TDCF bis zu dem Zeitpunkt fortzusetzen, an dem die Einspritzung abgeschlossen ist.
Vorzugsweise wird der voreingespritzte Kraftstoff erhitzt und unter Druck gesetzt, um überkritische Zustände vor der Voreinspritzung anzunehmen. Wenn überkritischer Kraftstoff als Voreinspritzung während des Ansaugtakts zwischen 360° und 180° BTDCF eingespritzt wird, führen die Temperatur und der Druck im Zylinder zur Kondensation des Kraftstoffs in flüssige Tröpfchen. Die kondensierten Kraftstofftröpfchen haben Tröpfchengrößen, die viel kleiner sind, als dies durch flüssige Kraftstoffeinspritzung erreicht wird. Während des Verdichtungstakts wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet und erhitzt, was zur schnellen Verdampfung und Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft führt. Wenn überkritischer Kraftstoff als eine Zündeinspritzung während des Verdichtungstakts eingespritzt wird und die Temperatur und der Druck im Zylinder oberhalb derer der überkritischen Kraftstofftemperatur liegen, vermischt sich der Kraftstoff mit der Luft und verbleibt im überkritischen Zustand.
Vorzugsweise umfasst das Kraftstoffeinspritzverfahren die Verfahrensschritte des Voreinspritzens des voreingespritzten Kraftstoffs im überkritischen Zustand; des zumindest teilweisen Kondensierens des überkritischen voreingespritzten Kraftstoffs zu Tröpfchen; und des Verdichtens der Kraftstoffladung während des Verdichtungstakts, um überkritische Bedingungen vor dem Einspritzen der Zündeinspritzung zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform umfasst das Kraftstoffeinspritzverfahren das Voreinspritzen des voreingespritzten flüssigen Kraftstoffs unter erhitzten Bedingungen, um in Tröpfchen aufzubrechen; das zumindest teilweise Verdampfen des voreingespritzten Kraftstoffs innerhalb des Zylinders, um zu Kraftstoffdampf zu werden; und das Verdichten der Kraftstoffladung während des Verdichtungstakts, um überkritische Bedingungen vor dem Einspritzen einer Zündeinspritzung zu erreichen. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform kann der erhitzte Kraftstoff teilweise in einem flüssigen Zustand verbleiben, würde aber trotzdem aufgrund seines erhitzten Zustands in feine Tröpfchen aufgebrochen werden. Ferner verdampft ein Teil. Das Ergebnis sind ebenfalls viel feinere Tröpfchen, als sie durch Einspritzen eines nicht-erhitzten Kraftstoffs erzielt werden könnten. Während feinere Tröpfchen üblicherweise durch Kondensation nach dem Einspritzen unmittelbar aus der überkritischen Phase erreicht werden können, kann es vom Grad der Reaktionsfähigkeit des Kraftstoffs abhängen, wie fein die Kraftstofftröpfchen und die Vermischung mit Luft sein sollten, um eine frühe Selbstzündung während des Verdichtungstakts zu vermeiden. Ein weiterer Parameter ist die Menge des voreingespritzten Kraftstoffs. Während es beispielsweise wünschenswert sein kann, Kraftstoff mit niedriger Reaktionsfähigkeit wie zum Beispiel Benzin in der überkritischen Phase voreinzuspritzen, kann es beim Voreinspritzen einer äquivalenten Menge an Dieselkraftstoff ausreichend sein, unter erhitzten Bedingungen, die nicht auf ein überkritisches Niveau ansteigen, voreinzuspritzen.
Vorzugsweise beläuft sich die Voreinspritzung auf einen Bereich zwischen 10 und 90% der Kraftstoffladung als voreingespritzter Kraftstoff während des Ansaugtakts, und ein Einspritzen zwischen 10 und 90% der Kraftstoffladung als Zündeinspritzkraftstoff während des Verdichtungstakts.
Vorzugsweise befindet sich mindestens der voreingespritzte Kraftstoff oder der Zündungseinspritzkraftstoff vor und während der Einspritzung im überkritischen Zustand.
Vorzugsweise umfasst die Kraftstoffeinspritzung ferner, dass sich sowohl der voreingespritzte Kraftstoff als auch der Zündeinspritzkraftstoff vor und während der Einspritzung im überkritischen Zustand befinden. Zum Beispiel kann der Kraftstoff vorzugsweise Benzin sein und auf mindestens 40 Druck gebracht und auf eine Temperatur zwischen 280°C und 350°C erhitzt sein. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Kraftstoff Dieselkraftstoff sein und auf mindestens 40 bar Druck gebracht und auf eine Temperatur zwischen 380°C und 450°C erhitzt sein.
Vorzugsweise umfasst das Kraftstoffeinspritzverfahren die Unterteilung der Voreinspritzung in eine Reihe kleiner, einzelner Voreinspritzschüsse. Dies dehnt die Voreinspritzungen während des Ansaugtakts über einen Bereich von Winkeln aus und weitet sie eventuell in den Verdichtungstakt aus. Kleine, einzelne Voreinspritzschüsse bei variierenden Winkeln während des Ansaugtaktes können für die Kraftstoffverteilung im Zylinder vorteilhaft sein, was zu einer verbesserten Kraftstoffvermischung mit Luft und reduzierten Abgasemissionen führt.
Vorzugsweise beginnt die Voreinspritzung bereits unmittelbar nach dem Schließen des Auslassventils während des Ansaugtakts bei einem Winkel zwischen 355 und 345° vor dem Totpunkt BTDCF. Der optimale Start der Einspritzung ist üblicherweise um 270° BTDCF, da der Kolben an diesem Punkt die maximale Geschwindigkeit hat und die Ansaugluftströmung ebenfalls eine maximale Geschwindigkeit und ein maximales Vermischungspotential hat. Eine im Takt frühere Einspritzung hat verminderte Geschwindigkeiten und zudem steht eine kleinere Menge der Gesamtladung für die Vermischung mit dem Kraftstoff zur Verfügung. Eine im Takt spätere Einspritzung führt zu verminderten Ansaugluftgeschwindigkeiten, wobei ein erhöhter Anteil der Ansaugladungsmasse verfügbar wird, und zu einem späteren Abschluss des Einspritzvorgangs. Letzteres verkürzt die Vermischungszeit des Kraftstoffs mit der Luft vor der Verbrennung, wodurch die Vermischungsqualität beeinträchtigt wird. Eine Optimierung des Starts der Einspritzung unterliegt deshalb komplexen, experimentell durchgeführten Wechselwirkungen.
Vorzugsweise weist der Verbrennungsmotor ein Verdichtungsverhältnis derart auf, dass die Kraftstoffladung während des Verdichtungstakts überkritische Bedingungen vor dem Einspritzen einer Zündungseinspritzung erreicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird in Übereinstimmung mit einer oder mehreren verschiedenen Ausführungsformen detailliert unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Die Zeichnungen werden nur zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt und stellen lediglich übliche oder beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Diese Zeichnungen werden bereitgestellt, um das Verständnis der Erfindung durch den Leser zu erleichtern, und sollen nicht als beschränkend in Bezug auf die Breite, den Umfang oder die Anwendbarkeit der Erfindung verstanden werden. Es sei angemerkt, dass diese Zeichnungen zur Klarheit und Vereinfachung der Darstellung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu angefertigt wurden.
1 stellt ein beispielhaftes Fahrzeug dar, in dem eine Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden kann.
2 stellt ein Beispiel dar, in dem eine Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden kann.
3 stellt eine beispielhafte Umgebung dar, in der ein Pumpsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
4 stellt ein beispielhaftes Pumpsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
5 stellt eine Umgebung dar, in der Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden können.
6 ist ein Diagramm des Kraftstoffkompressionszündvorgangs in einem Verbrennungsmotor, welches physikalische und chemische Verzögerungsprozesse darstellt.
7 stellt ein Kraftstoffzufuhrsystem für einen Kompressionszündungsmotor dar, wie es in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
8 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften, beheizten Einspritzzündungseinspritzventils und zeigt die Kraftstoffeinlass- und -auslass-Subsysteme.
9 ist eine schematische Ansicht, welche eine Abfolge des Ansaugtakts und des Verdichtungstakts darstellt.
10 ist ein Diagramm, das eine erfindungsgemäße Einspritzung im Zusammenhang mit dem Drehwinkel der Kurbelwelle während des Ansaugtakts und des Verdichtungstakts darstellt.
11 ist ein Diagramm, das die Phasenübergänge des Kraftstoffs in Anbetracht der Voreinspritzung in den nicht-überkritischen Ansaugtakt sowie der Zündeinspritzung in den überkritischen Verdichtungstakt darstellt, sowie einen Vergleich zu den Phasenübergängen bei herkömmlicher Flüssigeinspritzung.
12 ist ein Diagramm, das die Wärmefreisetzung über den Kurbelwinkel bei vorgemischter Verbrennung, Diffusionsverbrennung und einer Überlagerung von vorgemischter Verbrennung und Diffusionsverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Figuren sind nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die genau offenbarte Form beschränkend zu verstehen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung in der Praxis mit Modifikationen und Abänderungen umgesetzt werden kann, und dass die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist es hilfreich, einige beispielhafte Umgebungen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann, zu beschreiben. Ein solches Beispiel ist das eines Fahrzeugs, das durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. 1 stellt in solches Fahrzeug 1 dar. Eine Kraftstoffversorgung 2 ist innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen und an einen Motor 3 durch eine Kraftstoffleitung 4 angeschlossen. Kraftstoff aus der Kraftstoffversorgung 2 wird zum Antreiben des Motors 3 verwendet, um dem Fahrzeug 1 Bewegungskraft bereitzustellen. Ein genaueres Beispiel ist ein wie in 2 dargestellter Verbrennungsmotor. Der Motor 3 hat mehrere Zylinder 5 mit darin angeordneten Kolben 6. Mehrere Kraftstoffeinspritzventile 7 sind dazu ausgebildet, dem Motor 3 Kraftstoff zuzuführen und sind mit einer Kraftstoffquelle 2 verbunden. Die Kolben 6 und Zylinder 5 sind dazu ausgebildet, Verbrennungskammern zu bilden, in die Kraftstoff 9 von dem Kraftstoffeinspritzventil 7 während eines Arbeitstakts des Motors eindosiert wird. Wenn sich der Kraftstoff 9 mit Luft vermischt und zündet, wird der Kolben 6 verlagert, wodurch die Kurbelwelle 8 gedreht und Bewegungskraft bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer Pumpe auf Grundlage der Drehverlagerung gegenüber dem Förderdruckprofil der Pumpe.
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist es hilfreich, einige beispielhafte Umgebungen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann, zu beschreiben. Ein solches Beispiel ist das eines Motorsystems in einem Kraftfahrzeug. 3 stellt ein Motorsystem 10 dar, das einen Motor 3, einen Kraftstofftank 2, einen Kraftstofffilter 11, eine Pumpe 12, einen Druckregler oder Druckspeicher 13, einen Computer 14, und Kraftstoffeinspritzventile 15 beinhaltet. Diese Komponenten, ausgenommen der Motor 3, bilden ein Kraftstoffsystem 16. Der Computer 14 kann eine Motorsteuerungseinheit (ECU) 17 beinhalten, die eine Information bezüglich der Betätigung des Gaspedals von einem Pedalsensor (nicht dargestellt) erhält. Die Motorsteuerungseinheit (ECU) sendet eine entsprechende Kraftstoffdruck- und Fördervolumenanforderung an den Motor der Pumpe 12. Zum gleichen Zeitpunkt sendet die Motorsteuerungseinheit (ECU) eine Einspritzventilbetätigungsanforderung an mehrere Einspritzventile für den Motor.
Die Pumpe 12 saugt Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 2 und drängt den Kraftstoff zum Druckregler 13, der den Kraftstoffdruck, der in die Kraftstoffeinspritzventile 15 des Motors 3 eintritt, steuert. Der Druckregler 13 trägt zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckniveaus am Einlass jedes Kraftstoffeinspritzventils 15 bei. Wenn der Druck im System einen vorgegebenen Maximaldruck übersteigt, leitet der Druckregler 13 den überschüssigen Kraftstoff und Druck zurück in den Kraftstofftank 2. Auf diese Weise sind das Kraftstoffsystem 16 und der Motor 3 vor Überdruck und Druckspitzen geschützt. Zudem kann der Druckregler 13 dazu verwendet werden, den Druck aus dem System abzulassen, falls von der Motorsteuerungseinheit (ECU) des Computers 14 angefordert. Ein solcher Fall kann eintreten, wenn das Fahrzeug gestoppt wird und im Leerlauf läuft und ein niedrigerer Druck angefordert wird. Die Öffnung des Druckreglers 13 erlaubt einen schnelleren und effizienteren Betrieb der Pumpe 12, indem ein unmittelbarer „Druckabfall” oder eine Druckfreigabe ermöglicht wird.
Der Kraftstofffilter 11 ist üblicherweise zwischen der Pumpe 12 und dem Druckregler 13 verbaut. Der Kraftstofffilter 11 ist für das Filtern von Partikeln und Verunreinigungen verantwortlich, die im Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks 2 vorhanden sein können. Auf diese Weise wird der Motor 3 vor Partikeln geschützt, die dem Motor 3 schaden könnten.
Das Kraftstoffsystem 16 kann für verschiedene Motorarten eingesetzt werden, wie zum Beispiel Benzin- und Dieselmotoren. Wie in 3 gezeigt, sind die Kraftstoffeinspritzventile 15 des Motors 3 elektronisch gesteuerte Einspritzventile. Die Kraftstoffeinspritzventile können in Motoren mit Kanaleinspritzung oder Direkteinspritzung verwendet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist jedes der Kraftstoffeinspritzventile 15 ein Elektromagnet-Kraftstoffeinspritzventil. Bei einer Ausführungsform führt die Pumpe 12 den Kraftstoffeinspritzventilen 15 überkritischen Kraftstoff zu, um die Leistung und Effizienz des Motors 3 zu steigern. Um das Solenoidventil zu öffnen und es Kraftstoff zu erlauben, in den Motor 3 zu gelangen, sendet der Computer 14 einen elektrischen Strom an einen Magnetanker innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 15. Sobald der Magnetanker geladen ist, bildet sich ein elektrisches Feld und zieht das Solenoid an, um einen Durchgang in die Verbrennungskammer des Motors 3 zu erzeugen. Die Taktung des Entladestroms wird durch den Computer 14 gesteuert. Dies kann durch Verwendung von Rückinformationen von Sensoren, die sich innerhalb des Motors 3 befinden, erfolgen. Ein Beispiel eines solchen Sensors ist der Kurbelwellenpositionssensor des Motors. Durch Bestimmung der Position der Motorkurbelwelle kann der Computer 14 die Position des Kolbens errechnen und die Taktung des Entladestroms festlegen.
Bei dem Kraftstoffsystem 16 halten die Pumpe 12 und der Druckregler 13 zusammen den Kraftstoffdruck innerhalb einer gemeinsamen Kraftstoffleitung 18 aufrecht, die jedem der Kraftstoffeinspritzventile 15 Kraftstoff zuführt. Wie erwähnt öffnet sich der Magnet des Kraftstoffeinspritzventils 15 immer dann, wenn ein elektrischer Strom abgegeben wird. Die Taktung des elektrischen Entladestroms richtet sich nach der Position des Kolbens oder der Kurbelwelle des Motors 3. Um einen allgemein konstanten Druck innerhalb der gemeinsamen Kraftstoffleitung 18 aufrecht zu erhalten, wenn der Motor 3 mit hoher Drehzahl läuft, muss sich die Betriebsdrehverlagerung oder Umdrehung der Kraftstoffpumpe 12 ebenfalls erhöhen, um den Druckverlust auszugleichen, zu dem es aufgrund des Ableitens des Kraftstoffs und des Drucks in jedes der Kraftstoffeinspritzventile 15 gekommen ist. In weiteren Ausführungsformen kann ein solches Kraftstoffdruck- und Motordrehverlagerungsverhältnis in Systemen aufrechterhalten werden, die mechanische Kraftstoffeinspritzventile anstatt elektronischer Kraftstoffeinspritzventile einsetzen.
Von Zeit zu Zeit wird die vorliegende Erfindung hierin anhand dieser beispielhaften Umgebungen beschrieben. Eine Beschreibung anhand dieser Umgebungen wird bereitgestellt, um es den verschiedenen Merkmalen und Ausführungsformen der Erfindung zu erlauben, im Rahmen einer beispielhaften Ausführungsform geschildert zu werden. Nach dem Lesen dieser Beschreibung wird einem Fachmann klar, wie die Erfindung in verschiedenen und alternativen Umgebungen umgesetzt werden kann.
4 stellt ein Pumpsystem 19 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Pumpsystem 19 umfasst einen Kraftstofftank 2, einen Kraftstofffilter 11, eine Kraftstoffpumpe 12, einen Drehzahlmesser 20, Druckregler oder Speicher 13, einen Drucksensor 21, einen Verteilersensor 22, einen Verteilerkanal 23, und einen Computer 14 mit einer Motorsteuerungseinheit (ECU) 17. Vereinfacht dargestellt saugt die Kraftstoffpumpe 12 Kraftstoff durch den Kraftstofffilter 11 und versorgt einen Motor (oder eine andere Vorrichtung, die ein unter Druck gesetztes Fluid erfordert) über den Verteilerkanal 23 mit Kraftstoff. Bei einer Ausführungsform ist der Verteilerkanal 23 eine gemeinsame Kraftstoffleitung 18, welche dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 15 mit Kraftstoff zu versorgen. Andere Arten des Verteilerkanals 23 können anstelle der gemeinsamen Kraftstoffleitung (Common Rail) 18 ebenfalls verwendet werden.
Im Pumpsystem 19 kann die Pumpe 12 eine Verdrängerpumpe sein. Die Pumpe 12 ist bevorzugt eine Radialkolbenpumpe mit hoher Effizienz und minimalem bis keinem Austritt von Fluid aus den Kolbenpumpenkammern. Der an die Pumpe 12 angeschlossene Motor dreht eine Welle, die die Pumpe antreibt. Jede Umdrehung der Motorwelle entspricht einem vorgegebenen Volumen an von den Pumpenkolben gepumpten Fluid. Der Drehzahlmesser 20 kann dazu ausgebildet sein, die Drehverlagerung der Motorwelle zu erkennen, da diese im Zusammenhang steht mit dem Volumen an gepumpten Fluid und die Drehverlagerungsdaten an den Computer 14 sendet. Der Drehzahlmesser 20 kann ein Hall-Sensor mit 1 bis 3 Polen in Abhängigkeit von den Anforderungen des Nutzers sein.
Der Drucksensor 21 kann dazu ausgebildet sein, den Druck des Fluids an einem Auslass 24 der Pumpe 12 zu überwachen und die Druckdaten an den Computer 14 zu senden. Für jeden Drehverlagerungswert oder Drehzahlstand des Motors der Pumpe 12 gibt es einen entsprechenden Fluiddruckwert am Auslass 24. Der Computer 14 zeichnet die Daten des Drucks und der Motordrehverlagerung auf und tabellarisiert sie, um ein Motordrehverlagerungs-/Druck-Profil der Pumpe 12 zu erzeugen. Die Drehverlagerungs- und Druckdaten können durch Aufzeichnungsmittel zum Speichern der Daten auf einen Speicher und/oder Übertragen der Daten zu einem entfernten Datenspeichersystem gesammelt werden. Bei den Druckdaten kann es sich um analoge oder digitale Daten handeln.
Bei einer Ausführungsform ist der Motor der Pumpe 12 ein bürstenloser Gleichstrommotor. Der bürstenlose Gleichstrommotor kann für die durch den Computer 14 gesendeten Start/Stopp-artigen Anfragen am besten geeignet sein. Ein Schrittmotor unter Verwendung von 4–8 Polen kann auch verwendet werden, wenn eine diskretere Steuerung des Motors benötigt wird. Alternativ könnte ein Synchronwechselstrommotor in Situationen verwendet werden, in denen ein langsamer ansprechender Motor gewünscht ist. Auf diese Weise kann eine exakte Steuerung des Pumpenmotors zur optimalen Verbrennung mit der Fähigkeit, den Druck der Pumpe wie benötigt zu stoppen und zu starten, erreicht werden. Ferner kann die Pumpe gestartet werden, um im Leerlauf optimalen Druck zu erreichen für eine schnelle und effiziente Befeuerung der Einspritzventile wenn nach dem Leerlauf das Gaspedal betätigt wird.
Bei dem Pumpsystem 19 ist der Speicher 13 bevorzugt, aber nicht erforderlich. Wie erwähnt trägt der Speicher 13 zur Dämpfung von Druckabweichungen bei, insbesondere von kleinen Druckabweichungen innerhalb des Pumpsystems 19. In den Fällen, in denen das Pumpsystem 19 den Speicher 13 umfasst, kann der Drucksensor 21 dazu ausgebildet sein, den Druck an einem Auslass des Speichers 13 zu messen und die gemessenen Druckdaten an den Computer 14 oder andere Datenspeichervorrichtungen zu senden. Bei einer Ausführungsform kann der Drucksensor 21 in den Speicher 13 integriert sein. Der Drucksensor 21 kann ein Computermodul mit Datenerfassungs- und Datenübertragungseigenschaften aufweisen.
Mit dem Speicher 13 wird sich das Drehverlagerungs-/Druck-Profil von dem eines Pumpsystems ohne Speicher 13 unterscheiden. Daher muss ein neues Drehverlagerungs-/Druck-Profil für ein Pumpsystem mit Speicher 13 erzeugt werden. Wie erwähnt gibt es für jeden Drehverlagerungswert des Motors der Pumpe 12 einen entsprechenden Fluiddruckwert am Auslass des Speichers 13. Der Computer 14 oder das Druckmodul 21 können dazu ausgebildet sein, den Druck und die Motordrehverlagerungsdaten aufzuzeichnen und zu tabellarisieren, um ein Motordrehverlagerungs-/Druck-Profil für das System 19 mit Speicher 13 zu erzeugen.
Nachdem das Drehverlagerungs-/Druck-Profil für das Pumpsystem 19 erzeugt wurde, kann der Fluiddruck am Auslass des Speichers 13 genau gesteuert werden, indem die Drehverlagerung des Pumpenmotors anhand des erzeugten Drehverlagerungs-/Druck-Profils variiert wird.
Bei einer Ausführungsform ist das Pumpsystem 19 mit der gemeinsamen Kraftstoffleitung (Common Rail) 18 verbunden, welche mit einer Vielzahl von Kraftstoffeinspritzventilen verbunden sein kann. Der Kraftstoffdruck am Auslass des Speichers 13 kann durch das Vorhandensein der gemeinsamen Kraftstoffleitung (Common Rail) beeinträchtigt werden; daher sollte ein neues Motordrehverlagerungs-/Druck-Profil für diese Anordnung entwickelt werden. Ein spezifisches Drehverlagerungs-/Druck-Profil sollte im Hinblick darauf entwickelt werden, an was der Verteilkanal 23 angeschlossen ist (z. B. eine gemeinsame Kraftstoffleitung eines Dieselmotors, eine gemeinsame Kraftstoffleitung eines Benzinmotors, etc).
Bei einer Ausführungsform kann der Computer 14 einen Lernmodus oder Selbstanpassungsmodus initiieren, um ein Drehverlagerungs-/Druck-Profil für ein Pumpsystem 19 nach einer Anforderung eines Nutzers oder einer vorgegebenen Zeit wie zum Beispiel einer Wartungsroutine zu entwickeln. Der Selbstanpassungsmodus kann stattfinden, bevor der Motor gestartet wird, und entspricht im Wesentlichen dem Betrieb der Pumpe in einer Endlosschleife, um ein Drehverlagerungs-/Druck-Profil für das Pumpsystem zu erzeugen.
5 stellt eine beispielhafte Umgebung dar, in der die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann. Der Motor 3 kann zum Beispiel einen Benzindirekteinspritzungsmotor, einen Dieselmotor oder jeden anderen Kraftstoffeinspritzungs-Verbrennungsmotor umfassen. Sensoren wie zum Beispiel ein Nockenwellensensor 25 und ein Kurbelwellensensor 26 stellen der Motorsteuerungseinheit (ECU) 17 Motorbetriebsdaten zur Verfügung. Die ECU 17 verwendet diese Daten um festzustellen, wo auf der Betriebsebene der Motor gerade arbeitet. Durch Verwendung dieser Informationen und der vorgegebenen Einspritznadelprofile, welche die Motorbetriebsebene aufspannen, bestimmt die ECU wie hierin beschrieben ein Einspritznadelprofil für die Einspritzventile des Motors 3 am Betriebspunkt. Das Kraftstoffeinspritzventil 15 steht mit der ECU 17 in Verbindung, zum Beispiel über einen Kraftstoffeinspritzventil-Treiber, und wird dazu veranlasst, Kraftstoff gemäß dem Einspritznadelprofil, das für den aktuellen Betriebspunkt festgelegt wurde, in den Motor 3 einzuspritzen.
6 stellt physikalische und chemische Prozesse dar, welche die Kompressionszündverzögerung von Kraftstoffen beeinflussen. Bei dem Zündvorgang wird ein Kraftstoffvolumen als Nebel bei Schritt 27 in ein Verbrennungsvolumen eingespritzt. Dann wandelt sich der Kraftstoffnebel bei Schritt 28 in Tröpfchen. Bei Schritt 29 verdampfen die Kraftstofftröpfchen dann und der Kraftstoffdampf vermischt sich bei Schritt 30 mit in dem Verbrennungsvolumen, hier ein Zylinder eines Verbrennungsmotors 3, vorhandener Luft. Nun durchläuft der Kraftstoff chemische Prozesse, wie zum Beispiel die Bildung freier Radikale bei Schritt 31. Nach diesen physikalischen und chemischen Prozessen zündet der Kraftstoff.
Während des Zündvorgangs leiten verschiedene Kraftstoffeigenschaften eine Verzögerung ein, einschließlich einer physikalischen Verzögerung 32 und einer chemischen Verzögerung 33. Während des Einspritzschritts 27 beeinflusst die Kraftstoffdichte die physikalische Verzögerung 32. Während der Tröpfchenbildung 3 beeinflussen die Kraftstoffviskosität und die Oberflächenspannung die physikalische Verzögerung 32. Während des Verdampfens 29 beeinflussen die spezifische Wärme, der Dampfdruck und die Verdampfungswärme die Zündverzögerung (d. h. die physikalische Verzögerung 32). Während des Vermischens 2 beeinflusst die Kraftstoffdampfdiffusivität die Zündverzögerung (d. h. die physikalische Verzögerung 32). Schließlich, während des chemischen Zündvorgangs, beeinflusst die chemische Struktur und die Zusammensetzung des Kraftstoffs die chemische Verzögerung 33.
7 stellt eine Ausführungsform dar, bei der das Kraftstoffeinspritzsystem 16 die physikalischen Verzögerungen im Verdichtungsvorgang ausgleicht und dadurch die Zündverzögerung verkürzt, zum Beispiel um die Verwendung von Niedrigoktankraftstoffen in einem Motor mit Kompressionszündung zu erlauben. Der Kraftstofftank 2 mit Kraftstoff einer Oktanzahl von kleiner als 87 und größer oder gleich –30 versorgt das Kraftstoffeinspritzsystem 16 mit Kraftstoff.
Das dargestellte Kraftstoffeinspritzsystem 16 weist eine Mittel- bis Hochdruckkraftstoffpumpe 12 auf, d. h. in einem Bereich von 4 bis 210 MPa, mit einem bevorzugten Bereich von 14 bis 32 MPa. Die Kraftstoffpumpe 12 pumpt Kraftstoff durch eine gemeinsame Kraftstoffleitung (Common Rail) 18 zu einer Vielzahl von Kraftstoffdirekteinspritzventilen 15. Hier wird eine Heizquelle eingesetzt, um den Kraftstoff oder die Umgebung des Kraftstoffs auf eine vorgegebene Minimaltemperatur zu erhitzen, bevor er in den Motor 3 eingespritzt wird. Beispielhaft kann ein Verdichtungsgrad im Bereich von 12:1 bis 20:1 eingesetzt werden. Durch diese Erhitzung werden die Zündverzögerungen derart verkürzt, dass Kraftstoffe mit Oktanzahlen (OZ) zwischen 87 und 30 im Motor 3 verwendet werden können, mit einem bevorzugten Oktanzahlbereich von zwischen 50 und 65.
Bei manchen Ausführungsformen spritzen die Kraftstoffeinspritzventile 15 Kraftstoff direkt in den Motor 3 als Flüssigkeit ein. Dies kann das Erhitzen des Kraftstoffs, und optional das unter Druck setzen des Kraftstoffs umfassen, so dass der Kraftstoff in einer überkritischen Fluidphase vorliegt. Bei anderen Ausführungsformen weist die Phase des Kraftstoffs eine unterkritische Flüssigphase auf. Bei diesen Ausführungsformen umfasst das Erhitzen des Kraftstoffs das Erhitzen auf eine vorgegebene Minimaltemperatur. Dies ermöglicht die Verwendung eines Kraftstoffs 2 beinhaltend einen benzinartigen Kraftstoff mit einer Oktanzahl von kleiner als 87 und größer gleich 30. Bei manchen Ausführungsformen kann Kraftstoff mit diesen Oktanzahlen durch Vermischen von durchschnittlichem, benzinartigem Kraftstoff (mit Oktanzahlen von größer oder gleich 87) mit Dieselkraftstoff oder anderem Niederoktankraftstoffen hergestellt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Kraftstoff unmittelbar durch Destillation von Petroleum oder anderen Kraftstoffherstellungsverfahren hergestellt werden.
Bei manchen Ausführungsformen kann es schwer sein, die Kraftstofftemperatur unmittel vor der Dosierung in den Motor festzustellen. Entsprechend kann ein Erhitzen des Kraftstoffs auf die vorgegebene Minimaltemperatur durch Erhitzen des Kraftstoffeinspritzventils auf eine Temperatur erreicht werden, die festgelegt wurde, um den Kraftstoff auf die vorgegebene Minimaltemperatur zu erhitzen. Bei manchen Ausführungsformen können die Kraftstoffeinspritzventile auf Temperaturen zwischen 150 Grad Celsius und 550 Grad Celsius erhitzt werden, was dazu führt, dass die Kraftstoffe auf die richtige Temperatur für den gewünschten Zündverzögerungswert erhitzt werden. Bei anderen Ausführungsformen können Heizelemente in den Kraftstoffeinspritzventilen vorgesehen sein, um ein Erhitzen des Kraftstoffs zu ermöglichen. Bei weiteren Ausführungsformen hängt die spezifische Temperatur, auf welche das Einspritzventil erhitzt wird, von (i) der Oktanzahl des spezifisch verwendeten Kraftstoffs, und (ii) der für den Betrieb des Kompressionsmotors gewünschten Zündverzögerung ab.
Bei manchen Ausführungsformen können die verkürzten Zündverzögerungen, die durch Erhitzen des Kraftstoffs erreicht wurden, die Verwendung von Kraftstoffen mit Oktanzahlen zwischen 87 und –30 ohne den Einsatz zusätzlicher Kraftstoffkonditionierungsprozesse erlauben. Zum Beispiel ist katalytisches Cracken oder Reformieren, oder Mischen des Kraftstoffs mit nicht-Standard Zusätzen oder Wasser aufgrund der verkürzten Zündverzögerung, die durch die vorliegende Erfindung erzielt werden, nicht erforderlich, um den Mittel- bis Hochkompressionszündungsmotor zu betreiben.
Unter Bezugnahme auf 8 wird nun das Kraftstoffzufuhrdosierungssystem 34 des All-In-One Einspitzzündungs-Kraftstoffeinspritzventils 7 der Erfindung beschrieben. Insbesondere beinhaltet das Kraftstoffzufuhrdosierungssystem 34 einen Kraftstoffleitungsfilter 11 zum Filtern des Kraftstoffs, ein Dosiersolenoid 35 zur Dosierung einer nächsten Kraftstoffladung mit einer vorgegebenen Menge an Kraftstoff, und ein Flüssigkraftstoffnadelventil 36 zum Abgeben der nächsten Kraftstoffladung in eine Druckkammer 37 des Kraftstoffeinspritzventils 7. Das Flüssigkraftstoffnadelventil 36 weist bevorzugt ein elektromagnetisch oder piezoelektrisch aktiviertes Nadelventil auf, welches die nächste Kraftstoffladung als Antwort auf einen Look-Ahead Computersteueralgorithmus in der Motorsteuerungseinheit (ECU) in die Druckkammer 37 abgibt. Das Kraftstoffzufuhrdosierungssystem 34 kann Kraftstoff von einer Standardbenzinkraftstoffpumpe oder einem Common-Rail Verteilsystem annehmen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 8 ist die Einspritzdüse 38 des All-In-One Kraftstoffeinspritzventils 30 zwischen der Druckkammer 37 und der Verbrennungskammer des Fahrzeugs vorgesehen. Die durch das Kraftstoffzufuhrdosierungssystem 34 ausgegebene Kraftstoffladung wird in der Druckkammer 37 mittels eines heißen Bereichs des Kraftstoffeinspritzventils 30, der die Kammer 37 umgibt, stark erhitzt. Insbesondere wird die Kraftstoffladung in der Druckkammer 37 unter Druck und vorhandenen Katalysatoren erhitzt, die beginnen, den Kraftstoff aufzubrechen und diesen dazu zu veranlassen, mit den internen Quellen an Sauerstoff zu reagieren. Die Einspritzdüse 38 weist ein Einspritzdüsenstiftventil 39, einen Kollimator 40, und ein Stiftventilstellglied 41 auf. Insbesondere öffnet das Düsenstiftventil 39 ungefähr am oberen Totpunkt (180° der Taktdrehung) und erlaubt damit dem heißen, unter Druck stehendem Gas einen Zugang zur Verbrennungskammer. Das Stiftventilstellglied 41 kann ein Stiftventilsolenoid 43 aufweisen, welches eine Stiftventilantriebswelle 42 zur Einspritzung der nächsten Kraftstoffladung durch das Einspritzdüsenstiftventil 39 betätigt.
Bei der Ausführungsform mit dem All-In-One Kraftstoffeinspritzventil ist der Stiftventilantriebsschaft 42 innerhalb der Bohrung des Druckschafts 44 angeordnet, so dass er koaxial innerhalb des Druckschafts 44 gleiten kann. Jedoch arbeitet der Stiftventilantriebsschaft 42 unabhängig vom Druckschaft 44. Eine Dichtung 45 in Form eines O-Rings oben auf dem Druckschaft 44 blockiert den Austrittsweg zwischen diesen beiden Schäften. Die Geometrie der Einspritzdüse 38 variiert deutlich von einer üblichen Flüssigkraftstoffeinspritzdüse, da die Einspritzdüse 38 das Stiftventil 39 und einen Kollimator 40 beinhaltet zum Kollimieren des erhitzten Kraftstoffs und Abgeben einer kollimierten, unter vergleichsweise niedrigem Druck stehenden Ladung an heißem Gas in den Zylinder. Insbesondere wird die Einspritzdüse 38 des Kraftstoffeinspritzventils 30 elektrisch erhitzt, zum Beispiel durch Verwendung eines herkömmlichen Nickelchrom Heizelements, mit dem die Einspritzdüse 38 ausgekleidet ist.
Das Stiftventilstellglied 41 der Einspritzdüse 38 kann einen schnell reagierenden elektromagnetischen Antrieb oder einen piezoelektrischen Antrieb aufweisen. In seiner einfachsten Form öffnet das Einspritzdüsenstiftventil 39 zu 100%, wenn der Druckschaft 44 die gesamte Säule an heißem Gas von der Druckkammer 37 in die Verbrennungskammer zur vollen Verlagerung des Einspritzvolumens drückt. Wie einem Fachmann klar sein dürfte, können viele Kombinationen des Stiftventils und des Kolbenantriebsmodulation umgesetzt werden mit analogen Signalen und/oder digitalen Impulssignalen, um verschiedene Wärmefreisetzungsprofile in verschiedenen Beschleunigungs- und Ladesituationen zu erzeugen, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
9 ist eine schematische Ansicht, welche eine Abfolge des Ansaugtakts, der als Drehwinkel der Kurbelwelle 8 zwischen 360° und 180° BTDCF definiert werden kann, und des Verdichtungstakts, der als Hub über den Drehwinkel der Kurbelwelle 8 zwischen 180° BTDCF und TDCF (= 0° BTDCF) definiert werden kann, veranschaulicht. Der Ansaugtakt beginnt bei 360° vor dem oberen Totpunkt (BTDCF). Nach dem Schließen des Auslassventils, was während des Ansaugtakts bei einem Winkel zwischen zum Beispiel 360° und 350° BTDCF stattfinden kann, wird Ansaugluft in den Zylinder 5 gesaugt oder im Fall eines Motors mit Turboaufladung in den Zylinder gepresst, während der Kolben 6 sich in Richtung des unteren Totpunkts bewegt.
Bei oder kurz nach Erreichen des unteren Totpunkts bei einem Drehwinkel von 180° vor dem oberen Totpunkt schließt das Einlassventil und die Verdichtung startet während des Verdichtungstakts.
10 ist ein Diagramm, das die erfindungsgemäße Einspritzung im Zusammenhang mit dem Drehwinkel der Kurbelwelle während des Austagtakts und des Verdichtungstakts darstellt. Die Drehrichtung verläuft im Uhrzeigersinn und beginnt bei einem Winkel von 360° BTDCF zu Beginn des Ansaugtakts. Das Diagramm endet bei 0°, also dem oberen Totpunkt TDCF, der in etwa der Winkel ist, an dem die Zündung stattfindet. Die Einspritzung startet bei Einspritzmotoren üblicherweise mit dem Selbstzünden der Kraftstoffladung aufgrund von Kompressionswärme, welche durch die Verdichtung der Kraftstoffladung während des Verdichtungstakts erzeugt wird. Eine Zündeinspritzung wird üblicherweise während eines Drehwinkels zwischen 90° BTDCF und TDCF eingespritzt, oder manchmal zumindest teilweise nach TDCF. Im Diagramm gemäß 10 ist diese Zündeinspritzung mit II markiert.
Die Voreinspritzung kann während des Ansaugtakts zu dem Zeitpunkt beginnen, an dem das Auslassventil geschlossen wird, oder sogar bereits unmittelbar vor dem Schließen des Auslassventils, oder einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Schließen des Auslassventils bis zu einem Drehwinkel der Kurbelwelle von ungefähr 90° BTDCF. Die erfindungsgemäße Voreinspritzung ist als Früheinspritzung oder als Aufeinanderfolge von Früheinspritzungen definiert, welche vor der abschließenden Zündeinspritzung erfolgen, die üblicherweise bei einem Drehwinkel zwischen 90° vor dem oberen Totpunkt (BTDCF) und dem oberen Totpunkt (TDCF) stattfindet.
Die Voreinspritzung ist im Diagramm mit PI bezeichnet. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass die Früh-Voreinspritzung zu einer besseren Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft, wie in Zusammenhang mit obiger 6 aufgezeigt und beschrieben, führt. Insbesondere führt eine Früheinspritzung während des Ansaugtakts entweder zu einer vorzeitigen partiellen Verdampfung und einem Aufbrechen des eingespritzten Kraftstoffs in feine Tröpfchen oder, falls der Kraftstoff unter überkritischen Bedingungen voreingespritzt wurde, zu einer Kondensation aus der überkritischen Phase unmittelbar in sehr feine Tröpfchen und einer möglichen späteren Verdampfung. Dieser Prozess wird durch den vergleichsweise niedrigen Druck innerhalb des Zylinders während des Ansaugtakts verbessert, welcher Druck sogar ein Unterdruck sein kann oder im Falle eines Motors mit Turboaufladung ein mittlerer Druck oberhalb des Umgebungsdrucks, zum Beispiel 1 bis 2 bar.
Neben der Tatsache, dass die Früh-Voreinspritzung im Vergleich zum Stand der Technik mehr Zeit zum physischen Konditionieren des Kraftstoffs, sei es durch Verdampfung oder einfach durch Aufbrechen in kleinere Tröpfchen, erlaubt, gibt sie der Kraftstoffladung ebenfalls Zeit, in kleine Tröpfchen zu kondensieren, die viel feiner sind als die Tröpfchengröße, die durch die von der Einspritzdüse gebildeten Nebel gebildet werden. Zudem verbessert der viel längere Kontakt zur Ansaugluft die Konditionierung des Kraftstoffs für die Verbrennung und führt zu einer vollständigeren Verbrennung, wodurch die Effizienz gesteigert und für die Umwelt schädliche Abgase reduziert werden.
Im Stand der Technik wird davon ausgegangen, dass es nicht möglich ist, sowohl eine Voreinspritzung während des Ansaugtakts als auch eine Zündeinspritzung während des Verdichtungstakts durch überkritische Kraftstoffeinspritzung zu erreichen. Während des Ansaugtakts führt der Phasenübergang des Kraftstoffs aus überkritischen Bedingungen zur Bildung Bildung von sehr kleinen Tröpfchen, wodurch die Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft verbessert wird. Während des Verdichtungstakts verbleibt die Zündeinspritzung im überkritischen Zustand, erreicht eine schnelle Vermischung mit der Luft und die erhöhten Temperaturen verkürzen die chemische Zündverzögerung, was zur Kompressionszündung und Verbrennung der gesamten Ladung führt.
11 ist ein Diagramm, das die Phasenübergänge des Kraftstoffs in Anbetracht der Voreinspritzung in den nicht-überkritischen Ansaugtakt sowie der Zündeinspritzung in den überkritischen Verdichtungstakt und einen Vergleich zu den Phasenübergängen bei der herkömmlichen Flüssigeinspritzung darstellt. Das Diagramm zeigt für verschiedene Szenarien die Kraftstofftemperatur über dem Kraftstoffdruck in Zusammenhang mit der Phase des Kraftstoffs auf. Verschiedene Drucklevel sind durch die Linien 46, 47 und 48 markiert. Der durch die Linie 46 gezeigte Drucklevel stellt den Kraftstoffdruck im Einspritzventil zum Zeitpunkt der Einspritzung dar. Der durch die Linie 47 gezeigte Drucklevel stellt den Zylinderdruck zum Zeitpunkt des Einspritzens der Zündeinspritzung dar, welche bei einem Winkel von zwischen 270° BTDCF und TDCF erfolgt. Üblicherweise erfolgt diese Zündeinspritzung nahe bei TDCF, zum Beispiel bei 10° BTDCF. Der durch die Linie 48 gezeigte unterste Drucklevel zeigt den Zylinderdruck zum Zeitpunkt der Voreinspritzung. Dieser Druck ist als positiver Druck dargestellt. Da die Voreinspritzung während des Ansaugtakts erfolgen kann, kann der Zylinderdruck tatsächlich unterhalb des Umgebungsdrucks liegen, da der sich bewegende Kolben Ansaugluft in den Zylinder saugt. Jedoch kann die Voreinspritzung auch teilweise während des Verdichtungstakts bei einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks erfolgen. Ferner, im Fall turbogeladener Motoren, kann der Druck sogar während des Ansaugtakts oberhalb des Umgebungsdrucks liegen.
Die vertikale Linie 49, die im Diagramm mit der horizontalen Linie 50 einen rechten Winkel bildet, zeigt die Grenzen für den überkritischen Zustand des Kraftstoffs auf. Das bedeutet, dass die Temperatur und der Druck oberhalb des kritischen Punkts liegen, an dem getrennte Flüssig- und Gasphasen nicht existieren. Überkritische Fluide können sich zum Beispiel durch Feststoffe wie ein Gas ausbreiten und Materialien wie eine Flüssigkeit lösen. Wie durch die Linien 49 und 50 gezeigt, ist der Kraftstoff oberhalb eines bestimmten Drucks bei einer bestimmten Temperatur in einer überkritischen Phase. Der kritische Punkt ist der Punkt, an dem sich die Linien 49 und 50 schneiden und einen rechten Winkel einschließen.
Die Linie 51 zeigt eine Einspritzung, die von einem Kraftstoffdruck in dem Einspritzventil startet, welcher durch die Linie 46 markiert ist. Während der Einspritzung fällt der Druck vom Druck im Einspritzventil auf den Druck im Zylinder ab. Beispielsweise für die Zündladung, bei welcher der Druck im Zylinder vor dem Zünden auf dem Level 47 ist, und bei einer hohen Temperatur oberhalb der Linie 49 aufgrund der Kompressionswärme, verbleibt der Kraftstoff im überkritischen Zustand, vermischt sich jedoch mit der Luft. Dieser Prozess wird durch die Linie 52 dargestellt, an der sich der Kraftstoff mit Luft vermischt und der partielle Kraftstoffdruck vom Druck bei der Zündeinspritzung abnimmt.
Im Gegensatz zu Linie 52, die zum Beispiel die Zündeinspritzung aufzeigt, beschreibt Linie 53 die Voreinspritzung. Wie die Zündeinspritzung wird auch die Voreinspritzung unter überkritischen Kraftstoffbedingungen, wie durch Linie 51 dargestellt, eingespritzt. Im Gegensatz zur Zündeinspritzung erfolgt die Voreinspritzung jedoch bei vergleichsweise niedrigen Zylinderdrücken, die sogar unterhalb des Umgebungsdrucks liegen können, und niedriger Zylindertemperatur. Folglich kondensiert der Kraftstoff zunächst aus der überkritischen Phase direkt in die flüssige Phase, da der partielle Druck des Kraftstoffs und die Temperatur abnehmen, und das so Gebildete in feine Tröpfchen kondensiert. Deshalb geht der Kraftstoff zunächst aus den überkritischen Bedingungen nach flüssig in Form feiner Tröpfchen über, die aufgrund eines hohen Oberfächen/Volumen-Verhältnisses eine hohe Verdampfungsneigung haben und Dampf bilden, und dieser Dampf kann sich einfach mit Luft vermischen. Diese Kraftstofftröpfchen sind viel feiner als das, was durch einen durch eine Düse erzeugten Nebel erreicht werden kann, und ferner ist die Spanne der durch Kondensation erzeugten Kraftstofftröpfchengrößen viel kleiner als die Spanne unterschiedlicher Größen, auch als Tröpfchengrößenverteilung bekannt, die durch einen Flüssignebel, der durch eine Düse erzeugt wurde, erzeugt werden kann. Zum Beispiel kann die Tröpfchengröße für durch Kondensation erzeugte Tröpfchen vorwiegend im Bereich zwischen 5 und 10 μm liegen, während die durch eine Düse erzeugte Tröpfchengröße etwa im Bereich zwischen 10 und 75 μm liegen kann, vorwiegend zwischen 20 und 75 μm. Ferner kann der durchschnittliche Durchmesser der durch Kondensation erzeugten Tröpfchen im Bereich zwischen 5 und 10 μm liegen, während die durchschnittliche durch eine Düse erzeugte Tröpfchengröße zwischen 20 und 30 μm liegen kann. Je feiner die Kraftstofftröpfchen sind, desto größer ist das Oberflächen/Volumen-Verhältnis und daher auch desto höher die Verdampfungsrate der Kraftstofftröpfchen.
Linie 54 stellt ein Szenario dar, bei dem die Voreinspritzung unter erhitzten Bedingungen und hohem Druck des Kraftstoffs erfolgt, die Kombination aus Druck und Temperatur jedoch nicht die überkritische Bedingung erreicht. Im Wesentlichen ist der Zündprozess ein Prozess mit erhitzter Flüssigeinspritzung und Tröpfchenbildung. Bei der Flüssigeinspritzung fällt der Kraftstoffdruck während des Ansaugtakts vom Einspritzdruck auf den Zylinderdruck ab. Während dieses Druckabfalls bricht die Flüssigeinspritzung in Hochtemperaturtröpfchen mit einer hohen Verdampfungsneigung auf.
Um die vorliegende Erfindung dem Stand der Technik gegenüberzustellen, zeigt Linie 55 eine herkömmliche Flüssigeinspritzung von Kraftstoff durch eine Düse. Der Kraftstoff weist eine niedrigere Temperatur auf, üblicherweise etwa die der Temperatur des Motorblocks, der bei wassergekühlten Motoren auf etwa der Siedetemperatur von Wasser (212°F oder 100°C) oder sogar etwas darunter gehalten wird. Der Nebel verbleibt als Flüssigtröpfchen und durchläuft keinen nachfolgenden Kondensationsprozess wie bei der vorliegenden Erfindung, bei der feinere Tröpfchen gebildet werden oder in Hochtemperaturtröpfchen aufbrechen, falls die erfindungsgemäße Einspritzung bis zu einem gewissen Grad unterhalb überkritischer Bedingungen erfolgt.
12 ist ein Diagramm, das die Wärmefreisetzung gegenüber dem Kurbelwinkel bei vorgemischter Verbrennung, Diffusionsverbrennung sowie einer Überlagerung aus vorgemischter Verbrennung und Diffusionsverbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Die durch das Bezugszeichen 56 gekennzeichnete Funktion zeigt die vorgemischte Verbrennung. Diese vorgemischte Verbrennung wird durch die oben erwähnte Zündeinspritzung ausgelöst, die in Abhängigkeit der Verdichtungsparameter und des verwendeten Kraftstoffs zwischen 90° BTDCF und TDCF erfolgt, jedoch üblicherweise näher bei TDCF, zum Beispiel bei einem Kurbelwinkel von 10° BTDCF. Erfindungsgemäß erfolgt diese Zündeinspritzung in der überkritischen Phase des Kraftstoffs, während sich zur gleichen Zeit das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das durch die Voreinspritzung innerhalb des Kurbelwinkelbereichs zwischen 360° BTDCF und 90° BTDDCF erzeugt wurde, ebenfalls in der überkritischen Phase befindet. Deshalb zündet der als die Zündeinspritzung eingespritzte Kraftstoff schnell an mehreren Orten gleichzeitig, was zu einer sehr schnellen Verbrennung führt. Dies erklärt den in der Funktion gemäß 12 dargestellten schnellen Anstieg der Wärmefreisetzungrate kurz nach erfolgter Zündeinspritzung, zum Beispiel bei einem Kurbelwinkel von 4° vor Erreichen des TDCF, mit Spitzen bei nur sehr wenigen Graden nach TDCF, zum Beispiel bei einem Kurbelwinkel von 2° ATDCF, und fällt ebenfalls schnell wieder ab um bei einem Kurbelwinkel von 10° ATDCF bei fast 0 zu liegen.
Im Gegensatz dazu entwickelt sich die Diffusionsverbrennung ein wenig später, zum Beispiel bei einem Kurbelwinkel von etwa TDCF oder wenig früher, zum Beispiel bei einem Kurbelwinkel von 1°, stellt jedoch eine weniger aggressive Wärmefreisetzungsrate über dem Kurbelwinkel bereit, da sich eine Wellenfront der Flamme entwickeln und durch das Gemisch aus Kraftstoff und Luft ausbreiten muss. Diese die Diffusionsverbrennung zeigende Kurve ist durch das Bezugszeichen 57 markiert.
Das Bezugszeichen 58 kennzeichnet die überlagerte Verbrennung, die aus der Kombination einer vorgemischten Verbrennung und einer Diffusionsverbrennung resultiert. Die Erfindung verbindet die Vorteile beider Welten, d. h. eine schnelle vorgemischte Verbrennung, die gute Effizienzeigenschaften aufweist, diese jedoch mit einer Diffusionsverbrennung ausgleicht, die eine mildere Wärmefreisetzung jedoch über einen längeren Kurbelwinkel bereitstellt.
Die Kombination einer frühen Voreinspritzung unter erhitzten oder sogar überkritischen Bedingungen des Kraftstoffs in Kombination mit dem Einspritzen einer Zündeinspritzung unter überkritischen Bedingungen sieht erfindungsgemäß vor, dass sogar bei einem Kraftstoff mit niedriger Reaktionsfähigkeit wie Benzin keine Zündkerze erforderlich ist. Dies kann teilweise durch die vorteilhaftere Konditionierung des vorgemischten Kraftstoffs in feinere Tröpfchen erklärt werden, zum Beispiel aufgrund von Kondensation aus einer überkritischen Phase, oder einfach durch das Aufbrechen in feinere Tröpfchen unter erhitzten und unter Druck gesetzten Bedingungen, die nahe einer überkritischen Phase liegen können. Eine weitere Erklärung für die bessere Konditionierung des vorgemischten Kraftstoffs ist der viel längere Kurbelwellenwinkel, der eine gleichmäßigere Verteilung der feinen Tröpfchen oder in einfachen Worten eine bessere Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft aufgrund von mehr verfügbarer Zeit erlaubt.
Ein weiterer Grund für ein bessere Vermischung ist, dass der voreingespritzte Kraftstoff einem Teil des Ansaugzyklus ausgesetzt wird, wenn die Kolbengeschwindigkeit am schnellsten ist bei etwa 270° BTDC, so dass die Geschwindigkeit der in den Zylinder strömenden Ansaugluft am schnellsten ist. Dies trägt ebenfalls dazu bei, dass der Kraftstoff in feinere Tröpfchen aufgebrochen wird. Die Kombination der Effekte, die durch die vorliegende Erfindung gefunden wurden, erlaubt auch Kraftstoffen mit niedriger Reaktionsfähigkeit durch eine Zündeinspritzung gezündet zu werden und anschließend vorwiegend durch Diffusionsverbrennung verbrannt zu werden. Je niedriger die Reaktionsfähigkeit des Kraftstoffs ist, desto höher kann der prozentuale Anteil des voreingespritzten Kraftstoffs liegen, oder desto höher kann die Temperatur des erhitzten Voreinspritzungskraftstoffs zum Zeitpunkt der Einspritzung sein. Da jedoch die Diffusionsverbrennung sogar für den voreingespritzten Kraftstoff erhalten bleibt, wird gleichzeitig eine ausgewogenere Verbrennung bereitgestellt, welche die Nachteile abmildert, die sich andernfalls aus einer nahezu ausschließlich vorgemischten Verbrennung ergeben würden, wie zum Beispiel Geräusche oder Vibrationen.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Kraftstoffzufuhr
3: Motor
4: Kraftstoffleitung
5: Zylinder
6: Kolben
7: Kraftstoffeinspritzventil
8: Kurbelwelle
9: Kraftstoff
10: Motorsystem
11: Kraftstofffilter
12: Kraftstoffpumpe
13: Druckregler
14: Computer
15: Kraftstoffeinspritzventil
16: Kraftstoffsystem
17: Motorsteuerungseinheit
18: gemeinsame Kraftstoffleitung (Common Rail)
19: Pumpsystem
20: Drehzahlmesser
21: Drucksensor
22: Verteilersensor
23: Verteilerkanal
24: Auslass
25: Nockenwellensensor
26: Kurbelwellensensor
27: Volumeneinspritzschritt
28: Tröpfchenbildungsschritt
29: Verdampfungsschritt
30: Kraftstoffdampf-Vermischungsschritt
31: Schritt der Bildung von Radikalen
32: Physikalische Verzögerung
33: Chemische Verzögerung
34: Kraftstoffzufuhrdosiersystem
35: Dosiersolenoid
36: Flüssigkraftstoffnadelventil
37: Druckkammer
38: Einspritzdüse
39: Düsenstiftventil
40: Kollimator
41: Stiftventilstellglied
42: Stiftventilantriebsschaft
43: Stiftventilsolenoid
44: Druckschaft
45: O-Ringdichtung
46–55: Linien in 11
56: Wärmefreisetzungsfunktion der vorgemischten Verbrennung
57: Wärmefreisetzungsfunktion der Diffusionsverbrennung
58: Wärmefreisetzungsfunktion der Überlagerung von vorgemischter und Diffusionsverbrennung

Claims

Kraftstoffeinspritzverfahren in einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Kolben, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist und sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her bewegt, während sich die Kurbelwelle zwischen einem Winkelbereich von 360° vor einem Zünden am oberen Totpunkt BTDCF und dem Zünden am oberen Totpunkt TDCF dreht, und der Kolben mindestens über einen Teil des Bereichs zwischen 360° und 180° BTDCF einen Ansaughub und mindestens über einen Teil des Drehwinkels zwischen 180° BTDCF und TDCF einen Verdichtungshub ausführt, wobei das Verfahren umfasst: Erhitzen von Kraftstoff auf eine Temperatur zwischen 300°F und 840°F (150 und 450°C); unter Druck setzen des Kraftstoffs auf einen Druck von mehr als 40 bar; Voreinspritzen von mindestens 10% der Kraftstoffladung als voreingespritzter Kraftstoff während des Ansaughubes; Einspritzen einer Kraftstoffladung in den Zylinder über mindestens einen Teil des Verdichtungshubes; und Einspritzen einer Zündeinspritzung in den Zylinder von zumindest 10% des Kraftstoffs in einem überkritischen Zustand während des Verdichtungshubes bei einem Drehwinkel zwischen 90° BTDCF und TDCF.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen 10 und 20% der Kraftstoffladung während des Ansaughubes voreingespritzt werden.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen 20 und 30% der Kraftstoffladung während des Ansaughubes voreingespritzt werden.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen 30 und 50% der Kraftstoffladung während des Ansaughubes voreingespritzt werden.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen 50 und 90% der Kraftstoffladung während des Ansaughubes voreingespritzt werden.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, bei dem der voreingespritzte Kraftstoff erhitzt und unter Druck gesetzt wird, um überkritische Zustände vor der Voreinspritzung anzunehmen.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Verfahrensschritte: Voreinspritzen des voreingespritzten Kraftstoffs unter überkritischen Bedingungen; mindestens teilweises Kondensieren des überkritischen voreingespritzten Kraftstoffs in Tröpfchen; und Verdichten der Kraftstoffladung während des Verdichtungshubs, um überkritische Bedingungen vor dem Einspritzen der Zündeinspritzung zu erreichen.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Verfahrensschritte: Voreinspritzen des voreingespritzten flüssigen Kraftstoffs unter erhitzten Bedingungen, um in Tröpfchen aufzubrechen; mindestens teilweises Verdampfen des voreingespritzten Kraftstoffs innerhalb des Zylinders, um zu Kraftstoffdampf zu werden; und Verdichten der Kraftstoffladung während des Verdichtungshubs, um überkritische Bedingungen vor dem Einspritzen einer Zündeinspritzung zu erreichen.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Voreinspritzen von insgesamt zwischen 10 und 90% der Kraftstoffladung als voreingespritzter Kraftstoff während eines Takts, der sowohl den Ansaughub als auch den Verdichtungshub beinhaltet, und Einspritzen von zwischen 10 und 90% der Kraftstoffladung als Zündeinspritzungskraftstoff.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass sich der voreingespritzte Kraftstoff und/oder der Zündeinspritzungskraftstoff vor und während der Einspritzung in überkritischen Zuständen befinden.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass sich sowohl der voreingespritzte Kraftstoff als auch der Zündeinspritzungskraftstoff vor und während der Einspritzung in überkritischen Zuständen befinden.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bereitstellen von Benzin als Kraftstoff, das unter Druck setzen des Benzins auf mindestens 40 bar, und Erhitzen des Kraftstoffs auf eine Temperatur zwischen 540°F bis 660°F (280°C und 350°C).
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bereitstellen von Diesel als Kraftstoff, das unter Druck setzen des Diesels auf mindestens 40 bar, und Erhitzen des Kraftstoffs auf eine Temperatur zwischen 720°F bis 840°F (380°C und 450°C).
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Aufteilen der Voreinspritzung in eine Reihe von kleinen, einzelnen Voreinspritzschüssen.
Kraftstoffeinspritzverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Starten der Voreinspritzung während des Ansaughubes bei einem Winkel nach 355° BTDCF.
Verbrennungsmotor, mit: mindestens einem Kolben, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist und sich innerhalb eines Zylinders zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her bewegt, während sich die Kurbelwelle zwischen einem Winkelbereich von 360° vor dem oberen Totpunkt BTDCF und dem oberen Totpunkt TDCF dreht, wobei der Kolben mindestens über einen Teil des Bereichs zwischen 360° und 180° BTDCF einen Ansaughub und mindestens über einen Teil des Drehwinkels zwischen 180° BTDCF und TDCF einen Verdichtungshub ausführt; einem Kraftstoffeinspritzventil, das in Fluidverbindung mit dem Zylinder angeordnet ist; einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Kraftstoffs vor der Einspritzung auf eine Temperatur zwischen 300°F und 840°F (150 und 450°C); einer Pumpe, die den Kraftstoff vor der Einspritzung unter Druck setzt auf einen Druck von mindestens 40 bar; und einer mit dem Kraftstoffeinspritzventil verbundenen Steuerung, wobei diese Steuerung dazu ausgebildet ist, die Menge der einzuspritzenden Kraftstoffladung während eines Takts zwischen 0 und 360° zu steuern, mindestens 10% der Kraftstoffladung als voreingespritzter Kraftstoff während des Ansaugtakts voreinzuspritzen; eine Kraftstoffladung über mindestens einen Teil des Verdichtungshubes in den Zylinder einzuspritzen; und eine Zündeinspritzung von zumindest 10% des Kraftstoffs in einem überkritischen Zustand während des Verdichtungshubs bei einem Drehwinkel zwischen 90° BTDCF und TDCF in den Zylinder einzuspritzen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, zwischen 10 und 20% der Kraftstoffladung während des Ansaugtaktes voreinzuspritzen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, zwischen 20 und 30% der Kraftstoffladung während des Ansaugtaktes voreinzuspritzen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, zwischen 30 und 50% der Kraftstoffladung während des Ansaugtaktes voreinzuspritzen
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, zwischen 50 und 90% der Kraftstoffladung während des Ansaugtaktes voreinzuspritzen
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Heizeinrichtung und die Pumpe dazu ausgebildet sind, den voreingespritzten Kraftstoff zu erhitzen und unter Druck zu setzen, um vor dem Voreinspritzen überkritische Zustände anzunehmen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, mit einem Verdichtungsverhältnis derart, dass die Kraftstoffladung während des Verdichtungshubs überkritische Zustände vor dem Einspritzen der Voreinspritzung erreicht.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, insgesamt zwischen 10 und 90% der Kraftstoffladung als voreingespritzten Kraftstoff während eines Takts, der sowohl den Ansaughub als auch den Verdichtungshub umfasst, voreinzuspritzen, und zwischen 10 und 90% der Kraftstoffladung als Zündeinspritzungskraftstoff einzuspritzen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 23, bei dem die Heizeinrichtung und die Pumpe dazu ausgebildet sind, den voreingespritzten Kraftstoff und den Zündeinspritzungskraftstoff zu erhitzen und unter Druck zu setzen, so dass sich der voreingespritzte Kraftstoff und/oder der Zündeinspritzungskraftstoff vor und während der Einspritzung in überkritischen Zuständen befinden.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 23, bei dem die Heizeinrichtung und die Pumpe dazu ausgebildet sind, den voreingespritzten Kraftstoff und den Zündeinspritzungskraftstoff zu erhitzen und unter Druck zu setzen, so dass sich sowohl der voreingespritzte Kraftstoff als auch der Zündeinspritzungskraftstoff vor und während der Einspritzung in überkritischen Zuständen befinden.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem der Verbrennungsmotor ein benzinbetriebener Motor ist und die Heizeinrichtung und die Pumpe dazu ausgebildet sind, Benzin auf mindestens 40 bar unter Druck zu setzen und das Benzin auf eine Temperatur zwischen 540°F und 660°F (280°C und 350°C) zu erhitzen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem der Verbrennungsmotor ein Dieselkraftstoff-betriebener Motor ist und die Heizeinrichtung und die Pumpe dazu ausgebildet sind, einen Dieselkraftstoff auf mindestens 40 bar unter Druck zu setzen und den Dieselkraftstoff auf eine Temperatur zwischen 720°F und 840°F (380°C und 450°C) zu erhitzen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem das Kraftstoffeinspritzventil dazu ausgebildet ist, die Voreinspritzung in eine Reihe von kleinen, einzelnen Voreinspritzschüssen zu unterteilen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, bei dem die Steuerung dazu ausgebildet ist, die Voreinspritzung während des Ansaugtakts bei einem Winkel zwischen 355 und 345° BTDCF zu starten.