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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsmotoren
und insbesondere auf den Betrieb eines Dieselmotors in einem Betriebszustand
mit homogener kompressionsgezündeter Ladung (HCCI = homogeneous
charge compression ignition).
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Hintergrund
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Ein
Dieselmotor kann typischerweise eine Brennkammer aufweisen, die
aus einem Kolben aufgebaut ist, der verschiebbar in einem Zylinder
montiert ist. Der herkömmliche Verbrennungsvorgang im Dieselmotor
kann durch die direkte Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder
eingeleitet werden, nachdem eine Aufwärtsbewegung des Kolbens
ein Volumen mit stark komprimierter Luft innerhalb des oberen Teils
des Zylinders erzeugt hat. Der Brennstoff kann nahezu sofort daraufhin
gezündet werden, dass er in die stark komprimierte Luft
eingespritzt wird, und er kann somit eine Diffusionsflamme oder
Flammenfront erzeugen, die sich entlang den Wolken des eingespritzten
Brennstoffes erstreckt. Die Erzeugung der Diffusionsflamme oder
Flammenfront kann das Vorhandensein von Verunreinigungen in dem
Abgasstrom des Dieselmotors zur Folge haben. Diese Verunreinigungen
können beispielsweise Partikelstoffe, Stickoxyde („NOx")
und Schwefelverbindungen aufweisen.
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Aufgrund
vermehrter Rücksichtnahme auf die Umwelt sind Motorabgasemissionsstandards
immer strenger geworden. Die Menge der Verunreinigungen im Abgasstrom,
die aus dem Dieselmotor ausgestoßen werden, können
abhängig von der Art, der Größe und/oder
der Klasse des Motors geregelt werden. Ein Verfahren, welches von
Motorherstellern eingerichtet wird, um mit den Regulierungen von
Abgasstromverunreinigungen in Übereinstimmung zu kommen,
ist gewesen, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion
(„SCR-Katalysator") einzusetzen, um NOx aus dem Motorabgasstrom
zu reinigen bzw. zu entfernen. Die An wendung des SCR-Katalysators
wird im
US-Patent Nr. 6,823,660 von
Minami offenbart. Minami offenbart auch, dass, obwohl der SCR-Katalysator
eine hohe Reinigungsrate (NOx-Reduktion) bei höheren Abgasstromtemperaturen
hat, die Fähigkeit des SCR-Katalysators zu reinigen, stark
im Leerlauf oder bei Bedingungen mit niedriger Motorbelastung abnimmt,
wo die Temperatur des Abgasstroms fällt. Ein Grund für
diese Verringerung ist, dass die Rate der NOx-Umwandlung stark von
der Temperatur des Abgasstroms beeinflusst wird. Minami schlägt
vor, die Temperatur des Abgasstroms zu erhöhen, bevor er
durch den SCR-Katalysator läuft, um eine nahezu 100%-ige
Entfernung von NOx vorzusehen. Jedoch erfordert die Vergrößerung der
Temperatur des Abgasstroms in der Art und Weise, wie sie von Minami
vorgeschlagen wurde, eine ziemlich komplexe Anordnung von Ventilvorrichtungen
und Leitungen, und sie kann weiterhin die Anwendung von zusätzlichem
Brennstoff und/oder Energie erfordern.
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Andererseits
kann die Tatsache, dass man gestattet, dass der Abgasstrom auf niedrigeren
Temperaturen bleibt, die Anwesenheit von größeren
Mengen an Verunreinigungen in dem Abgasstrom zur Folge haben. Da
neuere Motoren auch einen Dieselpartikelfilter („DPF")
aufweisen, um Verunreinigungen einzufangen, kann die Tatsache, dass
man gestattet, dass diese Verunreinigungen den Dieselpartikelfilter erreichen,
eine Verstopfung bewirken und die Leistung des Dieselpartikelfilters
verringern. Somit kann der Dieselpartikelfilter häufige
Instandhaltung und/oder Regeneration erfordern, um zufrieden stellend
zu arbeiten.
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Das
System der vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eine oder
mehrere der oben dargelegten Einschränkungen zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt kann die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb
eines Verbrennungsmotors gerichtet sein. Das Verfahren kann aufweisen,
selektiv den Motor in einem ersten Betriebszustand zu betreiben,
indem Brennstoff in komprimiertes Strömungsmittel eingespritzt
werden kann, um eine im Wesentlichen heterogene Mischung aus Brennstoff
und komprimiertem Strömungsmittel zu erzeugen, und wobei
Brennstoff durch die Wärme des komprimierten Strömungsmittels
gezündet werden kann. Das Verfahren kann auch aufweisen,
selektiv den Motor in einem zweiten Betriebszustand zu betreiben,
in dem Brennstoff in Gas eingespritzt werden kann, um eine im Wesentlichen
homogene Mischung aus Gas und Brennstoff zu erzeugen, wobei die
im Wesentlichen homogene Mischung komprimiert werden kann und Brennstoff durch
die Wärme des komprimierten Gases gezündet werden
kann. Das Verfahren kann weiter aufweisen, zu bestimmen, ob der
Motor im ersten oder zweiten Betriebszustand zu betreiben ist, und
zwar gemäß Motorbedingungen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann die vorliegende Offenbarung auf einen Verbrennungsmotor gerichtet
sein. Der Verbrennungsmotor kann eine Brennkammer aufweisen, die
einen Kolben und einen Zylinder aufweist, und eine Brennstoffeinspritzsteuervorrichtung,
die selektiv den Motor in den ersten und zweiten Betriebszuständen
betreibt und den Betriebszustand entsprechend Motorbedingungen auswählt.
Im ersten Betriebszustand kann Brennstoff in das komprimierte Strömungsmittel
eingespritzt werden, um eine im Wesentlichen heterogene Mischung
aus Brennstoff und komprimiertem Strömungsmittel zu erzeugen,
und Brennstoff kann durch die Wärme des komprimierten Strömungsmittels
gezündet werden. Im zweiten Betriebszustand kann Brennstoff
in Gas eingespritzt werden, um eine im Wesentlichen homogene Mischung
aus Gas und Brennstoff zu erzeugen, wobei die im Wesentlichen homogene
Mischung komprimiert werden kann und Brennstoff durch die Wärme
des komprimierten Gases gezündet werden kann.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt kann die vorliegende Offenbarung auf eine
Arbeitsmaschine mit einem Verbrennungsmotor gerichtet sein. Der Verbrennungsmotor
kann eine Brennkammer aufweisen, die einen Kolben und einen Zylinder
aufweist, und eine Brennstoffeinspritzsteuervorrichtung, die selektiv
den Motor in den ersten und zweiten Betriebszuständen betreiben
kann und den Betriebszustand gemäß den Motorbedingungen
auswählen kann. Im ersten Betriebszustand kann Brennstoff
in komprimiertes Strömungsmittel eingespritzt werden, um
eine im Wesentlichen heterogene Mischung aus Brennstoff und komprimier tem
Strömungsmittel zu erzeugen, und Brennstoff kann durch
die Wärme des komprimierten Strömungsmittels gezündet
werden. Im zweiten Betriebszustand kann Brennstoff in Gas eingespritzt
werden, um eine im Wesentlichen homogene Mischung aus Gas und Brennstoff
zu erzeugen, wobei die im Wesentlichen homogene Mischung komprimiert
werden kann und Brennstoff durch die Wärme des komprimierten
Gases gezündet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 sieht
eine schematische Ansicht einer Brennkammer gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor.
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2 sieht
eine nähere Ansicht der Brennkammer der 1 vor.
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3 sieht
eine weitere Ansicht der Brennkammer der 1 vor.
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4 sieht
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor.
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Detaillierte Beschreibung
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Nun
wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen. Wo immer es möglich
ist, werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen
verwendet, um sich auf dieselben oder die gleichen Teile zu beziehen.
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1 veranschaulicht
eine Brennkammer 10 eines Verbrennungsmotors 12.
Obwohl nur eine einzige Brennkammer 10 gezeigt ist, sei
bemerkt, dass der Motor 12 mehrere Brennkammern aufweisen
kann. Die Brennkammer 10 kann durch eine Zylinderseitenwand 14,
eine Zylinderendwand 16 und einen sich hin und her bewegenden
Kolben 18 gebildet werden und kann eine Brennkammerlängsachse 20 aufweisen.
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Der
sich hin und her bewegende Kolben 18 kann einen gleitenden
Teil bzw. ein Kolbenkörper 22 aufweisen, welches
eng in eine Bohrung passen kann, die durch die Zylinderseitenwand 14 definiert wird.
Der Kolbenkörper 22 kann eine Oberseite bzw. einen
Kolbenboden 24 und eine Unterseite 28 aufweisen,
die betriebsmäßig mit einer Kurbelwelle 30 durch
eine Verbindungsstange bzw. Pleuelstange 32 verbunden sind.
Der Kolben 18 kann sich in der Bohrung durch Hin- und Hergleiten
zwischen zwei Positionen hin und her bewegen, während er
Verbrennungszyklen ausführt. Die erste Position kann als eine
obere Totpunktposition („TTC” = top dead center)
entsprechend der Position bezeichnet werden, wo der Kolbenkörper 22 am
weitesten entfernt von der Kurbelwelle 30 sein kann. Die
zweite Position kann als eine untere Totpunktposition („BDC")
bezeichnet werden, und zwar entsprechend der Position, wo der Kolbenkörper 22 am
nächsten zur Kurbelwelle 30 sein kann. Entsprechend
können der obere Totpunkt und der untere Totpunkt die oberen
bzw. unteren Ausdehnungen des Kolbenweges definieren. Zusätzlich
oder alternativ kann die Bewegung des Kolbens 18 gemäß der
Winkeldrehung der Kurbelwelle 30 beschrieben werden, die
durch die Bewegung des Kolbens 18 verursacht wird. Beispielsweise kann
die Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt
bewirken, dass die Kurbelwelle 30 sich um 180 Grad oder
um eine halbe Umdrehung dreht. Wenn der Kolben 18 vom unteren Totpunkt
zum oberen Totpunkt läuft, kann er somit derart charakterisiert
werden, dass er um 180 Grad gelaufen ist. Die Hin- und Herbewegung
des Kolbens 18 zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt
kann Leistung an die Kurbelwelle in einer Art und Weise liefern,
die dem Fachmann bekannt ist.
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Ein
Einlassanschluss 34, ein Einlassventil 36, ein
Auslassanschluss 38 und ein Auslassventil 40 können
um die Zylinderendwand 16 herum gelegen sein, wie in 2 gezeigt.
Das Einlassventil 36 kann im Einlassanschluss 34 angeordnet
sein und kann betreibbar sein, um strömungsmittelmäßig
den Lufteinlassanschluss 34 mit der Brennkammer 10 zu
verbinden. Das Auslassventil 40 kann strömungsmittelmäßig
mit der Brennkammer 10 gekoppelt sein und kann betreibbar
sein, um die Brennkammer 10 mit dem Auslassanschluss 38 zu
koppeln. Der Einlassanschluss 34, das Einlassventil 36,
der Auslassanschluss 38 und das Auslassventil 40 können
in einer Art und Weise funktionieren, die dem Fachmann bekannt ist.
Zusätzlich oder alternativ können der Einlassanschluss 34 und/oder
die Brennkammer 10 konfiguriert sein, um eine Verwirbelung
in Strömungsmittel und/oder Gase in der Brennkammer 10 einzuleiten.
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Eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 kann eine Düsenspitze 44 aufweisen,
die sich direkt in die Brennkammer 10 durch eine Öffnung 46 in
der Zylinderendwand 16 erstreckt. Wie in 3 gezeigt,
kann die Düse 44 konfiguriert sein, um Brennstoff
einzuspritzen, sodass Brennstoffwolken 70 über
einer Kolbenvertiefung 26 in der Oberseite 24 des
Kolbenkörpers 22 gebildet werden können.
Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 kann konzentrisch
oder parallel mit der Längsachse 20 der Brennkammer 10 sein oder
kann sich in einem spitzen Winkel bezüglich der Längsachse 20 der
Brennkammer 10 erstrecken. Weiterhin kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 von
irgendeiner herkömmlichen Bauart sein. Beispielsweise kann
die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 eine mechanisch betätigte
Bauart, eine hydraulisch betätigte Bauart oder eine Common-Rail-Bauart sein
und kann für einen Einzelmodus- oder einen Mischmodusbetrieb
ausgelegt sein. Wenn der Einlassanschluss 34 und/oder die
Brennkammer 10 konfiguriert sind, um eine Verwirbelung
einzuleiten, wie oben besprochen, kann der von der Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 eingespritzte
Brennstoff weniger wahrscheinlich an der Zylinderseitenwind 14 anhaften.
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Im
Betrieb kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 einen
brennbaren Brennstoff zur Brennkammer 10 als eine Funktion
eines Steuersignals liefern. Während eines Motorbetriebs
mit normaler bis hoher Belastung kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 ein
Steuersignal aufnehmen, welches bewirkt, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 Brennstoff
in die Brennkammer 10 ein- oder mehrmals einspritzt. Beispielsweise
kann die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 eine erste Brennstoffmenge (eine
Pilot- bzw. Voreinspritzung) einspritzen, wenn der Kolben 18 an
irgendeiner Position zwischen dem unteren Totpunkt und ungefähr
40 Grad vor dem oberen Totpunkt gelegen ist. Die Pilot- bzw. Voreinspritzung
kann sich mit der Einlassluft in der Brennkammer 10 vermischen,
und die Mischung kann komprimiert bzw. verdichtet werden, wenn der
Kolben 18 zur oberen Totpunktposition läuft. Die
Mischung aus Voreinspritzung und Einlassluft kann verbrennen, wenn ihre
Verbrennungstemperatur erreicht ist, wie beispielsweise wenn die
Wärme der komprimierten Einlassluft ausreicht, um die Voreinspritzung
zu zünden. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 kann
auch eine zweite Brennstoffmenge (eine Haupteinspritzung) in die
Brennkammer 10 einspritzen, und zwar gleichzeitig da mit,
dass die Verbrennungstemperatur der Mischung aus Voreinspritzung
und Einlassluft in der Brennkammer 10 erreicht ist oder
geringfügig davor. Die Haupteinspritzung kann daraufhin
verbrennen, dass sie in die Mischung aus Voreinspritzung und Einlassluft
eingeleitet wird, und zwar zumindest teilweise aufgrund dessen,
dass sie der Wärme ausgesetzt wird, die mit der Mischung
aus Voreinspritzung und Einlassluft assoziiert ist. Dies kann als
ein erster Betriebszustand für den Motor 12 bezeichnet
werden. Zusätzlich oder alternativ kann im ersten Betriebszustand
die Voreinspritzung weggelassen werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel
kann die Einlassluft durch den Kolben 18 komprimiert werden, wenn
sie zur oberen Totpunktposition läuft. Die Haupteinspritzung
kann in die komprimierte Einlassluft eingespritzt werden. Wenn die
komprimierte Einlassluft die Verbrennungstemperatur erreicht hat, dann
kann die Haupteinspritzung sofort daraufhin zünden, dass
sie in die Brennkammer 10 eingeleitet wird, und zwar aufgrund.
der Wärme der komprimierten Einlassluft. Zusätzlich
oder alternativ kann die Haupteinspritzung kurz danach zünden,
nachdem sie in die Brennkammer 10 eingespritzt wurde.
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Während
eines Motorbetriebs im Leerlauf oder mit niedriger Belastung kann
das Steuersignal verändert werden, sodass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 Brennstoff
in die Brennkammer 10 nur dann einspritzt, wenn der Kolben 18 näher
am unteren Totpunkt ist. Dies kann beispielsweise durch Modifizieren
der Voreinspritzung vom ersten Betriebszustand und durch Eliminieren
der Haupteinspritzung aus dem ersten Betriebszustand erreicht werden. Dies
kann als ein zweiter Betriebszustand für den Motor 12 bezeichnet
werden. Die Bezeichnung als „erster" und „zweiter"
Betriebszustand dient nur zu Erklärungszwecken und hat
keine weitere Bedeutung. Darüber hinaus können
die Ausdrücke „niedrige Belastung", „normale
Belastung" und „hohe Belastung" relativ sein. Beispielsweise
kann der Zustand mit niedriger Belastung für einen Motor,
der keine Abgasrückzirkulationsanordnung („AGR-Anordnung") hat
(nicht gezeigt) bei oder ungefähr bei 25% Belastung beginnen
(ungefähr 600 kPa mittlerer Wirkungsdruck (BMEP)), während
bei einem Motor mit einer Abgasrückzirkulations- bzw. Abgasrückführungsanordnung
ein Zustand im Leerlauf oder mit niedriger Belastung auf oder um
50% Belastung (ungefähr 1200 kPa mittlerer Wirkungsdruck
(BMEP)) beginnen kann.
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Somit
sei bemerkt, dass die Bedeutung von niedriger, normaler und hoher
Belastung je nach Motor variieren wird, und dass diese Bezeichnung
nicht einschränkend für das insgesamt offenbarte
Konzept sein sollen.
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Das
Steuersignal kann selektiv durch eine Steuervorrichtung 48 erzeugt
werden, wie in 1 gezeigt. Die Steuervorrichtung 48 kann
viele Formen annehmen, die ein computerbasiertes System, ein mikroprozessorbasiertes
System, das einen Mikroprozessor aufweist, eine Mikrosteuervorrichtung
bzw. einen Mikrocontroller oder irgendeine andere geeignete Steuerschaltung
oder ein Steuersystem aufweisen. Die Steuervorrichtung 48 kann
auch einen Speicher zur Speicherung eines Steuerprogramms zum Betrieb
und zur Steuerung der Brennkammer 10 und damit in Beziehung
stehender Elemente aufweisen. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 48 mit
einem Satz von (nicht gezeigten) Sensoren in Verbindung stehen,
welche die Umdrehungen pro Minute, die Motorkühlmitteltemperatur,
die Öltemperatur, die Kolbenposition, den Einlasssammelleitungsdruck,
die Brennkammertemperatur und/oder die Abgastemperatur messen. Aus
den abgefühlten Informationen und/oder Werten, die diese
anzeigen, kann die Steuervorrichtung 48 bestimmen, ob der
Motor 12 bei Bedingungen im Leerlauf, mit niedriger Belastung,
mit normaler Belastung oder mit hoher Belastung arbeitet, und kann
die Brennstoffmenge variieren, die zur Brennkammer 10 geliefert
wird, und/oder sie kann die Brennstoffeinspritzung entsprechend
zeitlich steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 48 die
Brennstoffmenge variieren, die zur Brennkammer 10 geliefert
wird, indem sie die Dauer eines Einspritzereignisses steuert, wo
es eine direkte Beziehung zwischen der Zeitdauer gibt, während
der die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 offen ist (Brennstoff
einspritzt) und der eingespritzten Brennstoffmenge. Auch kann die
Steuervorrichtung 48 die Anzahl der Brennstoffeinspritzereignisse
steuern und die Zeitsteuerung von jedem dieser Verbrennungsereignisse bezüglich
des Verbrennungszyklus. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die
Steuervorrichtung 48 die Brennstoffmenge und/oder den Brennstoffeinspritzzeitpunkt
entsprechend Anweisungen von einem Fahrzeugbediener, Fahrzeuginstandhaltungspersonal
usw. variieren kann. In einem Ausführungsbeispiel kann
die Steuervorrichtung 48 ein elektronisches Motorsteuermodul
oder ein Brenn stoffeinspritzvorrichtungssteuermodul aufweisen, welches konfiguriert
sein kann, um die oben erwähnten Funktionen auszuführen.
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Es
wird auch in Betracht gezogen, dass die Steuervorrichtung 48 ein
einzelnes Brennstoffeinspritzereignis in eine Reihe von kleineren
Brennstoffeinspritzereignissen aufteilen kann, die nacheinander über
eine kurze Zeitperiode auftreten, wie beispielsweise über
eine Zeitperiode von 3 Millisekunden oder weniger. Um einen solchen
Effekt zu erreichen, kann die Steuervorrichtung 48 bewirken,
dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 zwischen geöffneten
und geschlossenen Positionen schnell umschaltet, und zwar ähnlich
in einer Art und Weise einer Schwingungsbewegung. Während
der Schwingungsbewegung kann Brennstoff eingespritzt werden, wenn
die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 sich von der geschlossenen
Position zu der geöffneten Position bewegt. Die Verwendung
einer Vielzahl von kleinen eng beabstandeten Brennstoffeinspritzereignissen
kann die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Brennstoff an den Wänden
der Brennkammer 10 anhaftet, was somit eine effizientere
und vollständigere Verbrennung gestattet.
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Die
Steuervorrichtung 48 kann auch das Einlassventil 36 und/oder
das Auslassventil 40 betreiben/betätigen. Beispielsweise
kann die Steuervorrichtung 48 eine Einlassventilbetätigungsvorrichtung („IVA
= Intake valve actuator”) aufweisen, die konfiguriert ist,
um das Einlassventil 36 zu betätigen, sodass das
Einlassventil 36 sich zwischen einer geöffneten Position,
in der Einlassluft in die Brennkammer 10 hinein und aus
dieser heraus fließen kann, einer geschlossenen Position,
in der Einlassluft nicht in die Brennkammer 10 eintreten
kann oder aus ihr herausfließen kann, und Position dazwischen
bewegen kann. Während des Betriebs des Motors 12 im
ersten Betriebszustand kann die Einlassventilbetätigungsvorrichtung
das Einlassventil 36 zu dem Zeitpunkt schließen,
zu dem der Kolben 18 den unteren Totpunkt erreicht oder
um diesen herum. In dem zweiten Betriebszustand kann die Einlassventilbetätigungsvorrichtung
das Schließen des Einlassventils 36 bis kurz nach
dem Zeitpunkt verzögern, zu dem der Kolben 18 beginnt,
zum oberen Totpunkt hin während eines Verdichtungshubes
zu laufen. Wenn der Kolben 18 den Verdichtungshub beginnt,
kann somit die Einlassluft in der Brennkammer 10 immer
noch aus der Brennkammer 10 durch das geöffnete
Einlassventil 36 austre ten. Kurz danach kann die Einlassventilbetätigungsvorrichtung
das Einlassventil 36 schließen. Weil ein Menge
an Einlassluft aufgrund des verzögerten Schließens
des Einlassventils 36 entwichen ist, kann ein kleineres
Volumen der Einlassluft in der Brennkammer 10 im zweiten
Betriebszustand im Vergleich zum ersten Betriebszustand angetroffen
werden. Wenn weniger Luft in der Brennkammer 10 ist, kann
die Verbrennung des Brennstoffes schwieriger werden. Somit kann
im zweiten Betriebszustand erforderlich sein, dass der Kolben 18 zu
einer Stelle näher an den oberen Totpunkt läuft,
als dies im ersten Betriebszustand erforderlich wäre, um
genügend Wärme und Druck in der Brennkammer 10 zu
erzeugen, um die Verbrenhung einzuleiten (Zündung des Brennstoffes).
Durch Verwendung der Einlassventilbetätigungsvorrichtung
zur Einstellung der Menge der Einlassluft in der Brennkammer 10 kann
die Steuervorrichtung 48 als solches den Zeitpunkt der
Verbrennung bezüglich des Verbrennungszyklus steuern.
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Ein
System 64 zur selektiven katalytischen Reduktion („SCR-System")
kann in Strömungsmittelverbindung mit dem Auslassanschluss 38 sein.
Das SCR-System 64 kann ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom
des Motors unter Verwendung einer Einspritzvorrichtung 67 einspritzen,
wobei das Reduktionsmittel beispielsweise gasförmigen Ammoniak, Ammoniak
in wässriger Lösung, wässrigen Harnstoff oder
Ammoniak von einem (nicht gezeigten) Ammoniakgenerator aufweisen
kann. Im Abgasstrom kann das Reduktionsmittel einen Hydrolyse-Vorgang
ausführen und kann in zwei Nebenprodukte zersetzt werden,
die beispielsweise gasförmigen Ammoniak und Kohlendioxyd
aufweisen. Der Abgasstrom kann über einen SCR-Katalysator 66 geleitet
werden, der Aluminium, Titan oder irgendein anderes geeignetes Metall
oder eine Legierung als Träger aufweisen kann, und Platin,
Vanadiumoxyd, Eisenoxyd, Molybdänoxyd oder Ähnliches
als aktives Glied. Wenn der Abgasstrom über den SCR-Katalysator 66 geleitet wird,
können die Nebenprodukte mit Stickoxyden („NOx")
im Abgasstrom reagieren und das NOx zu molekularem Stickstoff reduzieren.
Dies kann die NOx-Emissionen im Abgas verringern oder begrenzen.
Typischerweise kann das SCR-System 64 NOx-Emissionen in
Abgasströmen mit hoher Temperatur mit großer Effizienz
reduzieren, jedoch kann das SCR-System 64 die NOx-Emissionen
in Abgasströmen mit niedrigerer Temperatur mit weniger
Effizienz reduzieren. Beispielsweise kann der SCR-Katalysator 66 effizient
arbeiten, wenn er mit einem Abgasstrom beliefert wird, der eine
Temperatur von ungefähr 200°C oder größer
hat. Jedoch kann ein Betrieb des Motors 12 im Leerlauf
oder mit niedriger Belastung einen Abgasstrom mit einer Temperatur
von irgendwo zwischen ungefähr 90° und 200°C
erzeugen, der, wenn er zum SCR-Katalysator 66 geliefert wird,
nicht warm genug sein kann, um vollständig die zuvor erwähnten
Reaktionen einzuleiten.
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Ein
Dieselpartikelfilter 68 („DPF") kann in Strömungsmittelverbindung
mit dem SCR-System 64 stromabwärts des SCR-Katalysators 66 sein.
Der Dieselpartikelfilter 68 kann irgendeine Bauart eines Filters
aufweisen, die in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise einen
Schaumcordieritfilter, einen Sintermetallfilter, einen Keramikfilter
oder einen Siliziumcarbidfilter. Der Dieselpartikelfilter 68 kann
weiter Katalysatormaterialien enthalten, die beispielsweise Aluminium,
Platin, Rhodium, Barium, Cer und/oder Alkalimetalle, Erdalkalimetalle,
Seltenerdmetalle oder Kombinationen davon aufweisen. Weiterhin kann
zumindest ein Teil des Dieselpartikelfilters 68 in einer
Honeycomb- bzw. Wabenkonfiguration, in einer Gitterkonfiguration
und/oder einer anderen geeigneten Konfiguration angeordnet sein,
die für die Filterung der Verunreinigungen sorgen kann, wenn
der Abgasstrom durch den Dieselpartikelfilter 68 läuft.
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Ein
Verfahren zum Einrichten eines Aspektes dieser Offenbarung ist in 4 gezeigt.
Das Verfahren kann mit dem Starten des Motors 12 beginnen (Schritt 50).
Der nächste Schritt kann aufweisen, einen oder mehrere
Parameter zu bestimmen, die mit dem Motor 12 assoziiert
sind (Schritt 52). Die Motorparameter können die
abgefühlten Werte aufweisen, Werte, die diese anzeigen
und/oder Werte, die darauf basierend berechnet wurden. Wenn ein
oder mehrere der Motorparameter außerhalb eines vorbestimmten
Bereiches von Werten sind (Schritt 54), dann kann die Steuervorrichtung 48 die
Brennstoffeinspritzzeitsteuerung derart einstellen, dass der Motor 12 im
zweiten Betriebszustand arbeiten kann (Schritt 56). Wenn
der eine Motorparameter oder die Vielzahl von Motorparametern in
dem vorbestimmten Bereich sind, dann kann der Motor 12 die
Brennstoffeinspritzzeitsteuerung derart einstellen, dass der Motor 12 im ersten
Betriebszustand arbeiten kann (Schritt 58). Bis der Motor 12 ausgeschaltet
wird (Schritt 60), kann die Steuervorrichtung 48 kontinuierlich
Motorparameter überwachen und kann basierend auf diesen
Informationen selektiv den Motor 12 in die ersten und zweiten
Betriebszustände bringen. Sobald der Motor 12 ausgeschaltet
wird, kann der Prozess oder das Verfahren enden (Schritt 62).
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Industrielle Anwendbarkeit
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Der
offenbarte Verbrennungsmotor 12 kann Anwendung bei mit
Diesel angetriebenen Arbeitsmaschinen haben. Der Motor 12 kann
spezielle Anwendbarkeit bei einer Anpassung zur Verringerung der Menge
der unerwünschten Emissionen in dem Abgas der Arbeitsmaschine
haben, ohne beträchtlich den Gesamtbrennstoffverbrauch
und/oder den Energieaufwand zu steigern, wenn die Arbeitsmaschine unter
Bedingungen im Leerlauf oder mit niedriger Belastung arbeitet.
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Strengere
Emissionsstandards haben Versuche zur Verringerung von Rauch bzw.
Ruß und NOx-Nebenprodukten des Verbrennungsprozesses für
die Motoren nötig gemacht, während sie den Brennstoffwirkungsgrad
beibehalten haben oder verbessert haben. Unter Bedingungen mit normaler
bis hoher Motorbelastung, wo der Motor 12 in dem, was als
ein erster Betriebszustand bezeichnet werden kann, betrieben werden
kann, kann ein Abgasstrom mit relativ hoher Temperatur erzeugt werden,
der die notwendige Wärme für einen Katalysator 66 für
selektive katalytische Reduktion („SCR-Katalysator") und/oder
einen Dieselpartikelfilter („DPF") 68 nötig ist,
um wirkungsvoll zu arbeiten, um die Menge der Rauch- und NOx-Nebenprodukte
im Abgasstrom zu verringern.
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Unter
Bedingungen mit normaler bis hoher Motorbelastung, wie beispielsweise
wenn der Motor 12 über 25% Belastung läuft
(ungefähr 600 kPA mittlerer Wirkungsdruck (BMEP)), falls
der Motor 12 keine Abgasrückzirkulations- bzw.
Abgasrückführungsanordnung („AGR-Anordnung")
hat, oder über 50% Belastung (ungefähr 1200 kPa
mittlerer Wirkungsdruck), falls der Motor 12 eine Abgasrückzirkulationsanordnung
hat, kann der Motor 12 im ersten Betriebszustand arbeiten.
Das Arbeiten im ersten Betriebszustand kann aufweisen, eine erste
Brennstoffmenge (eine Pilot- bzw. Voreinspritzung) in eine Brennkammer 10 unter
Verwendung ei ner Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 einzuspritzen,
während ein Kolben 18 auf oder nahe der unteren
Totpunktposition („BDC” = bottom dead center)
gelegen sein kann. Die Voreinspritzung kann sich mit der Einlassluft
vermischen, die schon in der Brennkammer 10 ist, wenn der
Kolben 18 einen Kompressions- bzw. Verdichtungshub ausführt,
wobei er sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt („TDC” =
top dead center) bewegt. Die Mischung aus Voreinspritzung und Einspritzluft kann
verbrennen, wenn eine ausreichende Temperatur und ein ausreichender
Druck erreicht werden. Auch kann eine zweite Brennstoffmenge (eine
Haupteinspritzung) in die Brennkammer 10 durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 eingespritzt
werden, und zwar gleichzeitig damit, dass die Verbrennungstemperatur
der Mischung aus Voreinspritzung und Einspritzluft erreicht wird,
oder geringfügig davor. Die Haupteinspritzung kann darauf
hin zünden, dass sie in die Mischung aus Voreinspritzung
und Einlassluft eingespritzt wird, oder direkt danach. Die Wärme zur
Zündung der Haupteinspritzung kann durch die Wärme
geliefert werden, die durch die Kompression und/oder Verbrennung
der Mischung aus Voreinspritzung und Einlassluft erzeugt wird. Im
ersten Betriebszustand kann die Temperatur des vom Motor 12 erzeugten
Abgasstroms auf oder über 200°C sein, und somit
kann die Temperatur des SCR-Katalysators 66 auf oder über
200°C sein, was gestattet, dass der SCR-Katalysator 66 effizient
NOx aus dem Abgasstrom entfernt. Zusätzlich oder alternativ
kann die Voreinspritzung im ersten Betriebszustand weggelassen werden
und die Haupteinspritzung kann durch die Wärme zünden,
die alleine durch die Verdichtung der Einlassluft geliefert wird,
und nicht durch eine Mischung aus Einlassluft und Brennstoff.
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Bei
Bedingungen im Leerlauf oder mit niedriger Motorbelastung, wie beispielsweise,
wenn der Motor 12 auf oder unter 25% Belastung (ungefähr 600
kPa mittlerer Wirkungsdruck) arbeitet, wenn der Motor 12 keine
Abgasrückzirkulationsanordnung („AGR-Anordnung")
hat, oder unter 50% Belastung (ungefähr 1200 kPa mittlerer
Wirkungsdruck), wenn der Motor 12 eine Abgasrückzirkulationsanordnung hat,
kann der Motor 12 in einem zweiten Betriebszustand arbeiten.
Unter diesen Bedingungen kann die Leistung des SCR-Katalysators 66 stark
abnehmen, weil die Temperatur des vom Motor 12 erzeugten
Abgasstroms in einen Bereich irgendwo zwischen ungefähr
90 und 200°C fallen kann. Der zweite Betriebszustand kann
in dem Motorzyklus des Motors 12 vorgesehen sein, um die
Rauch- und NOx-Nebenprodukte zu verringern, während der
Brennstoffwirkungsgrad beibehalten oder verbessert wird. Der zweite
Betriebszustand kann genauer als ein gesteuerter Selbstzündungsbetriebszustand
bzw. CAI-Betriebszustand bezeichnet werden (CAI = controlled autoignition).
Der Verbrennungsprozess im zweiten Betriebszustand kann im Wesentlichen
eine gleichzeitige Verbrennung an einer Vielzahl von Stellen in einer
brennbaren Mischung aufweisen und kann die Haupteinspritzung vermeiden,
die mit dem ersten Betriebszustand assoziiert ist. Diese Verteilung
der Verbrennung über die gesamte Mischung kann die Bildung
von Flammenfronten und lokalen Hochtemperaturregionen verhindern,
die mit dem Betrieb des Motors 12 im ersten Betriebszustand
assoziiert sind, und kann dadurch die Rauch- und NOx-Nebenprodukte
im Abgasstrom des Motors 12 verringern, wenn er unter Bedingungen
im Leerlauf oder mit niedriger Belastung arbeitet.
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Der
Betrieb des Motors 12 im zweiten Betriebszustand kann die
Schritte aufweisen, Luft in die Brennkammer 10 zu liefern,
Brennstoff in die Brennkammer 10 unter Verwendung der Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 einzuspritzen,
um zu gestatten, dass die Luft und der Brennstoff eine homogene
Mischung bilden, und die homogene Mischung in der Brennkammer 10 zu
komprimieren bis sie selbst zündet. Die Selbstzündung
kann auftreten, wenn die Wärme des komprimierten Gases
ausreicht, um den Brennstoff zu zünden. Die Mischung aus
Luft und Brennstoff kann homogen sein, wenn sie eine gleichförmige
Zusammensetzung, Erscheinung und Eigenschaften in der gesamten Mischung
hat. Die Luft und der Brennstoff können heterogen sein,
wobei der Brennstoff und die Luft im Wesentlichen getrennt sind und
sich nicht vollständig vermischt haben.
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In
einigen Ausführungsbeispielen kann der Einspritzschritt
während eines Bereiches von Kolbenpositionen eingeleitet
werden, die von ungefähr 90 bis 40 Grad vor dem oberen
Totpunkt reichen. Die genaue Zeitsteuerung der Brennstoffeinspritzung kann
elektronisch durch eine Steuervorrichtung 48 gesteuert
werden, und die optimale Zeitsteuerung bzw. der optimale Zeitpunkt
können sowohl von der Motorkonstruktion als auch von seiner
Drehzahl und seiner Belastung abhängen. Es wird auch in
Betracht gezogen, dass andere Gase zur Brennkammer 10 geliefert
werden können, wie beispielsweise Abgase, die von dem Abgasrückzirkulationssystem („AGR-System")
geliefert werden (nicht gezeigt), die die Temperatur der komprimierten
homogenen Mischung vergrößern können,
um dabei zu helfen, die Selbstzündung zu bewirken. Es wird
weiter in Betracht gezogen, dass die Steuervorrichtung 48 auch den
Zeitpunkt der Selbstzündung durch Steuerung und/oder Verzögerung
des Öffnens und des Schließens eines Einlassventils 36 beeinflussen
kann, welches selektiv die Brennkammer 10 in und außer
Strömungsmittelverbindung mit einer (nicht gezeigten) Lufteinlasssammelleitung
des Motors 12 bringt.
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3,
welche den Betrieb des Motors 12 im zweiten Betriebszustand
während Bedingungen im Leerlauf oder mit niedriger Belastung
darstellt, veranschaulicht den Kompressions- bzw. Verdichtungshub des
Kolbens 18 an einer Kolbenposition von ungefähr 50
Grad vor dem oberen Totpunkt. An diesem Punkt im Verbrennungszyklus
kann die Einlassluft in die Brennkammer 10 eingetreten
sein und kann komprimiert worden sein und mit dem Brennstoff vermischt worden
sein, der aus der Düse 44 eingespritzt wird. Wie
oben erwähnt, können andere Gase in der Brennkammer 10 vorhanden
sein, beispielsweise können Abgase durch das (nicht gezeigte)
Abgasrückzirkulationssystem vorhanden sein. Der eingespritzte
Brennstoff, beispielsweise Dieselbrennstoff, kann Brennstoffwolken 70 in
der Brennkammer 10 bilden. Wenn der Kolben 18 zum
oberen Totpunkt von 50 Grad vor dem oberen Totpunkt voranläuft, können
der Brennstoff und die Luft ausreichend Zeit haben, um sich homogen
miteinander zu vermischen. Die homogene Mischung kann komprimiert werden
und schließlich selbst zünden, wenn der Druck
in der Brennkammer 10 einen Schwellenselbstzündungsdruck
der homogenen Mischung überschreitet. Wie in dieser Offenbarung
klar wird, kann die Einleitung bzw. Initialisierung der Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 dem
entsprechen, dass die Steuervorrichtung 48 ein elektrisches
Steuersignal sendet, welches die Brennstoffeinspritzvorrichtung 42 zur
Brennstoffeinspritzung erregt, und/oder das Betätigen von
einem oder mehreren Ventilen (nicht gezeigt), um dieses zu erreichen.
Durch Steuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtungszeitsteuerung kann
die Steuervorrichtung 48 selektiv den Motor 12 in
die ersten und zweiten Betriebszustände abhängig von
den Motorbelastungsbedingungen bringen.
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Die
Fähigkeit, den Motorbetrieb vom ersten Betriebszustand
während Bedingungen mit hoher Belastung in den zweiten
Betriebszustand während Bedingungen im Leerlauf oder mit
niedriger Belastung umzuschalten, kann aus vielen Gründen
wünschenswert sein. Der Verbrennungsprozess im zweiten
Betriebszustand kann verringerten Rauch bzw. Ruß, verringertes
NOx und eine Verringerung an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im
Abgasstrom des Motors 12 vorsehen, und zwar durch Verringerung
der Bildung von schädlichen Hochtemperaturregionen in der
Brennkammer 10, was somit verbesserte Emissionen und eine
bessere Brennstoffausnutzung während Bedingungen im Leerlauf
und mit niedriger Belastung zur Folge hat. Aufgrund der Verringerung
der Menge an Verunreinigungen im Abgasstrom kann weiterhin ein häufiges
Blockieren oder Verstopfen des SCR-Katalysators und/oder des Dieselpartikelfilters
durch eingefangene Verunreinigungen vermieden werden, und so kann
die Regeneration weniger oft oder überhaupt nicht ausgeführt
werden, während der Motor 12 im zweiten Betriebszustand
arbeitet. Da die Regeneration typischerweise zusätzlichen Brennstoff
und/oder zusätzliche Energie erfordern kann, kann das Vermeiden
einer Regeneration die Brennstoff- und/oder Energiekosten reduzieren,
die mit dem Betrieb des Motors 12 assoziiert sind.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten System und dem offenbarten Verfahren
vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung
abzuweichen. Zusätzlich werden andere Ausführungsbeispiele
des offenbarten Systems und des Verfahrens dem Fachmann aus einer
Betrachtung der Beschreibung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt,
dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden
Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen
gezeigt wird.
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Zusammenfassung
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SYSTEM ZUR SELEKTIVEN HOMOGENEN
KOMPRESSIONSZÜNDUNG
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Ein
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors kann aufweisen, selektiv
den Motor in einem ersten Betriebszustand zu betreiben, wobei Brennstoff
in das komprimierte Strömungsmittel eingespritzt werden
kann, um eine im Wesentlichen heterogene Mischung aus Brennstoff
und komprimiertem Strömungsmittel zu erzeugen, und wobei
Brennstoff durch die Wärme des komprimierten Strömungsmittels
gezündet werden kann. Das Verfahren kann auch aufweisen,
selektiv den Motor in einem zweiten Betriebszustand zu betreiben,
wobei Brennstoff in das Gas eingespritzt wird, um eine im Wesentlichen
homogene Mischung aus Gas und Brennstoff zu erzeugen, wobei die
im Wesentlichen homogene Mischung komprimiert wird und der Brennstoff
durch die Wärme des komprimierten Gases gezündet
wird. Das Verfahren kann weiter aufweisen, um gemäß Motorbedingungen
zu bestimmen, ob der Motor im ersten oder zweiten Betriebszustand
zu betreiben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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