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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Kraftfahrzeugindustrie sucht ständig nach
neuen Möglichkeiten,
den Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors zu verbessern, im
Bestreben, die Kraftstoffeinsparung zu erhöhen und die Emissionszielvorgaben
zu erfüllen
oder zu übertreffen
sowie die Kundenerwartungen hinsichtlich der Emissionen, des Kraftstoffverbrauchs
und der Produktdifferenzierung zu erfüllen oder zu übertreffen.
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Die
meisten modernen Verbrennungsmotoren versuchen bei stöchiometrischen
Bedingungen zu arbeiten. Dies ist das Bereitstellen eines optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
von im Wesentlichen 14,6 bis 1, das zu einem im Wesentlichen vollständigen Verbrauch
des an den Motor abgegebenen Kraftstoffs und Sauerstoffs führt. Ein
solcher Betrieb ermöglicht
eine Nachbehandlung des Abgases durch 3-Wege-Katalysatoren, die
jeglichen unverbrauchten Kraftstoff und jegliche Verbrennungsnebenprodukte wie
etwa NOx und CO beseitigen. Die meisten modernen Motoren sind mit
Kraftstoffeinspritzung, entweder mit Einspritzung am Drosselklappengehäuse bzw.
Zentraleinspritzung (throttle body injection, TBI) oder mit Mehrkanal-
bzw. Mehrfachkraftstoffeinspritzung (multi-port fuel injection,
MPFI), wobei jede der mehreren Einspritzvorrichtungen in unmittelbarer Nähe eines
Ansaugkanals an jedem Zylinder eines Mehrzylindermotors angeordnet
ist. Mit einer MPFI-Anordnung wird eine bessere Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung
erzielt; jedoch begrenzen Bedingungen wie etwa die Wandfilm- und
Ansaugkanaldynamik die Genauigkeit, mit der eine solche Steuerung zustande
gebracht wird. Die Kraftstoffabgabegenauigkeit kann durch direkte
Einspritzung in den Zylinder bzw.
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Direkteinspritzung
(direct in-cylinder injection, DI) erhöht werden. So genannte lineare
Sauerstoffsensoren verschaffen einen höheren Grad an Steuerfähigkeit,
wobei sie dann, wenn sie mit DI gekoppelt sind, ein attraktives
System mit einer verbesserten Fähigkeit
zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von Zylinder zu Zylinder
nahe legen. Jedoch wird dann die Verbrennungsdynamik im Zylinder
wichtiger und spielt die Verbrennungsqualität eine zunehmend wichtige Rolle
beim Steuern der Emissionen. Als solches haben sich Motorhersteller auf
solche Dinge wie etwa Einspritzvorrichtungs-Sprühmuster, Einlassverwirbelung
und Kolbengeometrie konzentriert, um eine verbesserte Luft/Kraftstoff-Vermischung
und -Homogenität
im Zylinder herbeizuführen.
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Obwohl
stöchiometrische
Viertakt-Benzinmotor- und 3-Wege-Katalysatorsysteme das Potential
besitzen, um extrem niedrige Emissionsziele zu erfüllen, bleibt
der Wirkungsgrad solcher Systeme hinter so genannten Magerverbrennungssystemen
zurück.
Magerverbrennungssysteme zeigen auch Ansätze beim Erfüllen von
Emissionszielen für
NOx durch Verbrennungssteuerungen, die Technologien der starken
Abgasverdünnung
und der Nachbehandlung von austretendem NOx umfassen. Jedoch stehen
Magerverbrennungssystemen weitere Hürden entgegen, beispielsweise
die Verbrennungsqualität und
die Verbrennungsstabilität
vor allem in Niedriglast-Betriebspunkten und bei starker Abgasverdünnung.
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Magermotoren
umfassen auf grundlegendster Ebene alle Verbrennungsmotoren, die
mit Luft, die gegenüber
jener, die zur Verbrennung der bereitgestellten Kraftstoffladung
erforderlich ist, im Überschuss
vorhanden ist, betrieben werden. Eine Vielfalt von Kraftstoffzufuhr-
und Zündmethodiken
grenzen Magerverbrennungstopologien voneinander ab. Durch Funke
bzw. fremd (spark ignited, SI) gezündete Systeme lösen eine
Verbrennung durch Herbeiführen
einer elektrischen Entladung in der Verbren nungskammer aus. Systeme
mit Kompressionszündung
bzw. Verdichtungsentflammung (compression ignition, CI) lösen eine
Verbrennung durch Verbrennungskammerbedingungen aus, die unter anderem Kombinationen
von Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
Temperatur und Druck umfassen. Kraftstoffzufuhrmethoden können TBI,
MPFI und DI umfassen. Systeme mit homogener Ladung sind durch eine
sehr vollständige und
gute Verteilung von verdampftem Kraftstoff innerhalb des Luft/Kraftstoff-Gemischs, wie sie
durch MPFI oder Direkteinspritzung früh im Ansaugzyklus erreicht
werden kann, gekennzeichnet. Schichtladungssysteme sind durch weniger
gut verdampften und verteilten Kraftstoff innerhalb des Luft/Kraftstoff-Gemischs
gekennzeichnet und typischerweise mit der Direkteinspritzung von
Kraftstoff spät
im Kompressionszyklus verbunden.
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Herkömmliche
Benzin-DI-Motoren können wahlweise
durch Verbrennung im Homogenbetrieb oder durch Verbrennung im Schichtbetrieb
betrieben werden. Eine Verbrennung im Homogenbetrieb wird im Allgemeinen
bei Hochlastbedingungen gewählt, während die
Verbrennung im Schichtbetrieb im Allgemeinen bei Niedriglastbedingungen
gewählt
wird.
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Bestimmte
DI-Kompressionszündungsmotoren
verwenden ein im Wesentlichen homogenes Gemisch von Luft und Kraftstoff,
die im Voraus erhitzt wurden, und führen Druck- und Temperaturbedingungen
während
der Motorkompressionszyklen herbei, die ohne Bedarf an zusätzlicher
Funkenenergie eine Zündung
hervorrufen. Dieser Prozess wird manchmal "gesteuerte Selbstzündung" genannt. Die gesteuerte Selbstzündung ist
ein vorhersagbarer Prozess und unterscheidet sich somit von unerwünschten
Vorzündungs-
bzw. Vorentflammungsereignissen, die manchmal mit Funkenzündungsmotoren verbunden
sind. Die gesteuerte Selbstzündung
unterscheidet sich auch von der wohlbekannten Kompressionszündung bei
Dieselmotoren, bei denen sich der Kraftstoff im Wesentlichen unmittelbar nach
der Einspritzung in eine stark vorkomprimierte Hochtemperatur-Luftladung entzündet, während in
dem gesteuerten Selbstzündungsprozess
die Luft und der Kraftstoff, vor der Verbrennung während Ansaugereignissen
und im Allgemeinen bei Kompressionsprofilen, die mit herkömmlichen
Viertakt-Motorsystemen mit Funkenzündung in Einklang stehen, miteinander
vermischt werden.
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Es
sind Viertakt-Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden, die für Selbstzündung sorgen, indem
sie die Bewegung der einer Verbrennungskammer zugeordneten Ansaug-
und Abgasventile so steuern, dass sichergestellt wird, dass eine Luft/Kraftstoff-Ladung
mit verbrannten Gasen vermischt wird, um Bedingungen zu schaffen,
die ohne eines externen Vorheizens der Ansaugluft oder einer Zylinderladung
oder hoher Kompressionsprofile zu bedürfen, für die Selbstzündung geeignet
sind. In dieser Hinsicht sind bestimmte Motoren vorgeschlagen worden,
die ein nockenbetätigtes
Abgasventil besitzen, das wesentlich später in dem Viertaktzyklus geschlossen
wird, als es bei einem durch Funken gezündeten Viertaktmotor üblich ist,
um ein wesentliches Überlappen
des geöffneten
Abgasventils mit einem geöffneten
Ansaugventil zuzulassen, wodurch zuvor ausgestoßene verbrannte Abgase früh während des
Ansaugzyklus in die Verbrennungskammer zurück angesaugt werden. Es sind
bestimmte andere Motoren vorgeschlagen worden, die ein Abgasventil besitzen,
das wesentlich früher
im Abgaszyklus geschlossen wird, wodurch verbrannte Abgase für ein nachträgliches
Vermischen mit Kraftstoff und Luft während des Ansaugzyklus abgefangen
werden. Bei beiden solcher Motoren wird das Abgasventil nur einmal
in jedem Viertaktzyklus geöffnet.
Es sind bestimmte andere Motoren vorgeschlagen worden, die ein hydraulisch
gesteuertes Abgasventil besitzen, das zweimal während jedes Viertaktzyklus – einmal, um
verbrannte Gase während
des Abgaszyklus aus der Verbrennungskammer in den Abgas- bzw. Auslasskanal
auszustoßen,
und ein mal, um während
des Ansaugzyklus verbrannte Gase aus dem Auslasskanal in die Verbrennungskammer
zurück
anzusaugen – geöffnet wird.
Sämtliche
dieser vorgeschlagenen Motoren beruhen auf der Saugrohr- bzw. Einzeleinspritzung.
Ein weiterer vorgeschlagener Motor hingegen besitzt hydraulisch
gesteuerte Ansaug- und Abgasventile, wobei das Abgasventil zweimal
während jedes
Viertaktzyklus geöffnet
wird, und verwendet eine Direkteinspritzung in die Verbrennungskammer, um
Kraftstoff entweder während
des Ansaugzyklus oder während
des Kompressionszyklus einzuspritzen.
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So
vorteilhaft solche Magerverbrennungs-Motorsysteme zu sein scheinen,
bestehen dennoch weiterhin bestimmte Mängel hinsichtlich der Verbrennungsqualität und der
Verbrennungsstabilität vor
allem in Niedriglast-Betriebspunkten und bei hoher Abgasverdünnung. Solche
Mängel
führen
zu unerwünschten
Kompromissen einschließlich
Einschränkungen
in der Hinsicht, wie weit eine Kraftstoffladung effektiv abgemagert
werden kann und dennoch annehmbare Verbrennungsqualitäts- und Verbrennungsstabilitätseigenschaften
aufrechterhalten werden können.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist anerkannt, dass bei einer Vielfalt von Verbrennungsmotoren einschließlich Motoren,
die Strategien wie etwa TBI, MPFI, DI, SI, CI, die gesteuerte Selbstzündung, die
Stöchiometrie,
die Magerverbrennung und Kombinationen und Varianten davon anwenden,
homogene Luft/Kraftstoff-Ladungen in einer Verbrennungskammer allgemein
wünschenswert
sind. Ein DI-Viertakt-Verbrennungsmotor mit Magerverbrennung ist
allgemein wünschenswert. Ferner
ist ein solcher Motor, der eine hohe Verbrennungsstabilität in Niedriglast-Betriebspunkten
aufweist, wünschenswert.
Außerdem
ist ein solcher Motor, der zu einem in bisher unerreichte Niedriglast-Betriebspunktbereiche
erweiterten Magerbetrieb fähig ist,
wünschenswert.
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Die
vorliegende Erfindung sieht diese und weitere wünschenswerte Aspekte in einem
Verfahren zum Betrieb eines Viertakt-Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung
nach Anspruch 1 mit einer erweiterten Fähigkeit bei niedrigen Motorlasten
unter Beibehaltung oder Verbesserung der Verbrennungsqualität, der Verbrennungsstabilität und der
NOx-Emissionen vor.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird während des Ansaugtaktes des
Kolbens ein Unterdruckereignis in der Verbrennungskammer herbeigeführt. Die
Tiefe und die Dauer des Unterdruckereignisses beeinflussen direkt
die Verbrennungsstabilität
und die Niederlastgrenze des Motors. Vorzugsweise wird das Einphasen
oder das zeitliche Abstimmen des Öffnens oder Schließens von
Ansaug- und Abgasventilen dazu verwendet, die Unterdruckereignisprofile
zu erstellen.
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Gemäß einem
nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden während des
Ansaugzyklus Abgase von dem Motor in die Verbrennungskammer rezirkuliert.
Vorzugsweise bewirkt ein Wiedereinsaugereignis, bei dem das Abgasventil während des
Ansaugzyklus geöffnet
wird, die interne Rezirkulation. Alternativ kann die interne Rezirkulation
durch ein frühes
Schließen
des Abgasventils und Abfangen von Restabgasen bewirkt werden. In ähnlicher
Weise können
externe Rezirkulationsmittel verwendet werden, um die rezirkulierten
Abgase zu liefern.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Darstellung eines Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotors
mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 verschiedene
Kurven für
den Ventilhub über
dem Kurbelwinkel entsprechend eines beispielhaften Abgas- und Ansaugventileinphasens
des Einzylindermotors von 1 gemäß dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 verschiedene
Kurven für
den Zylinderdruck über
dem Kurbelwinkel entsprechend dem in 2 gezeigten
beispielhaften Abgas- und Ansaugventileinphasens gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 eine
beispielhafte Kurve für
die Verbrennungsstabilität über der
Ansaugventilöffnungsphase,
die die Vorteile einer Niederlastgrenze demonstriert, gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 beispielhafte
Kurven für
die Verbrennungsstabilität über dem
mittleren wirksamen Netto-Zylinderdruck, die die Vorteile einer
Niederlastgrenze demonstrieren, gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 ist
zunächst
schematisch ein beispielhaftes Einzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotorsystem
(Motor 10) gezeigt, das für die Implementierung der vorliegenden
Erfindung geeignet ist. Selbstverständlich ist die vorliegende
Erfindung ebenso auf einen Mehrzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor
anwendbar. Der vorliegende beispielhafte Motor 10 ist in
einer Konfiguration für
Direkteinspritzung in die Verbrennungskammer (Direkteinspritzung)
von Kraftstoff vis-à-vis
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 41 gezeigt. Obwohl
weithin erhältliche
Sorten von Benzin und leichten Ethanolmischungen davon bevorzugte
Kraftstoffe sind, können
auch alternative flüssige
und gasförmige
Kraftstoffe wie etwa höhere Ethanolmischungen
(z. B. E80, E85), unvermischtes Ethanol (E99), unvermischtes Methanol
(M100), Naturgas, Wasserstoff, Biogas, verschiedene Reformate, Syngase
usw. bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet
werden.
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Den
Basismotor betreffend ist ein Kolben 11 in einem Zylinder 14 beweglich
und definiert darin eine Verbrennungskammer 15 mit veränderlichem Volumen.
Der Kolben 11 ist durch eine Verbindungsstange 33 mit
einer Kurbelwelle 35 verbunden und treibt diese unter Hin-
und Herbewegung an oder wird von der Kurbelwelle 35 unter
Hin- und Herbewegung angetrieben. Der Motor 10 umfasst
außerdem
einen Ventiltrieb 16, der mit einem einzigen Ansaugventil 21 und
einem einzigen Abgasventil 23 gezeigt ist, obwohl zur Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung mehrere Ansaug- und Abgasventilvarianten
gleichermaßen
anwendbar sind. Der Ventiltrieb 16 umfasst außerdem Ventilbetätigungsmittel 25,
die irgendeine einer Vielzahl von Formen einschließlich vorzugsweise
einer elektrisch gesteuerten hydraulischen oder elektromechanischen
Betätigung
annehmen können. Alternative
Ventilbetätigungsmittel,
die zur Implementierung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung
anpassbar sind, umfassen Mehrprofilnocken, Nockensteller und andere
Techniken der mechanisch verstellbaren Ventilbetätigung, die einzeln oder in Kombination
untereinander implementiert werden. Ein Ansaugkanal 17 führt Luft
in die Verbrennungskammer 15. Der Durchsatz der Luft in
die Verbrennungskammer 15 wird während Ansaugereignissen durch
das Ansaugventil 21 gesteuert. Verbrannte Gase werden durch
den Auslasskanal 10 aus der Verbrennungskammer 15 ausgestoßen, wobei
der Durchsatz während
Abgasereignissen durch das Abgasventil 23 gesteuert wird.
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Die
Motorsteuerung wird von der computerbasierten Steuerung 27 versehen,
die die Form von herkömmlichen
Hardwarekonfigurationen und -kombinationen einschließlich Antriebsstrangcontrollern, Motorcontrollern
und digitalen Signalprozessoren in integrierten oder verteilten
Architekturen annehmen kann. Im Allgemeinen umfasst die Steuerung 27 wenigstens
einen Mikroprozessor, ROM, RAM und verschiedene E/A-Vorrichtungen
einschließlich
A/D- und D/A-Umsetzern und einer Motor- bzw. Kraftantriebsschaltungsanordnung.
Die Steuerung 27 umfasst auch speziell Steuerungen für die Ventilbetätigungsmittel
und die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 41. Der Controller 27 umfasst
das Überwachen
mehrerer motorbezogener Eingaben von mehreren Messwandlerquellen
einschließlich
Sensoren für
Motorkühlmitteltemperatur,
Außenlufttemperatur,
Krümmerlufttemperatur,
Drehmomentanforderung von der Bedienungsperson bzw. dem Fahrer,
Umgebungsdruck, Krümmerdruck
bei Drosselklappenanwendungen und von Weg- und Positionssensoren
wie etwa für Ventiltrieb-
und Motorkurbelwellengrößen und
umfasst ferner die Erzeugung von Steuerbefehlen für eine Vielfalt
von Aktoren sowie die Ausübung
von allgemeinen Diagnosefunktionen. Die den Ventilbetätigungsmitteln 25 und
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 41 zugeordnete Steuer-
und Leistungselektronik kann, obwohl sie als eine Einheit mit dem
Controller 27 gezeigt und beschrieben wird, als Teil eines
verteilten, intelligenten Betätigungsschemas
aufgenommen sein, worin bestimmte Überwachungs- und Steuerfunktionen, die mit jeweiligen
Subsystemen zusammenhängen,
von programmierbaren verteilten Controllern ausgeübt werden,
die solchen entsprechenden Ventil- und Kraftstoffsteuerungs-Subsystemen
zugeordnet sind.
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Nachdem
somit die Umgebung und eine bestimmte Anwendungshardware, die zum
Implementieren des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet
ist, beschrieben worden sind, werden nun die 2 und 3 herangezogen,
um das Verfahren selbst zu beschreiben. In 2 sind Ventilhübe der Ansaug-
und Abgasventile über
einem vollständigen Viertakt-Verbrennungszyklus
eingetragen. Es sind volle 720 Grad oder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle über der
horizontalen Achse aufgetragen, beginnend bei 0 Grad, die dem oberen
Totpunkt (OT) des Kolbens beim Beginn des Expansionstaktes (Ende
des Kompressionstaktes) entsprechen, und endend bei derselben oberen
Totpunktposition am Ende des Kompressionstaktes (Beginn des Expansionstaktes).
Nach Übereinkunft,
die hier beachtet wird, beziehen sich die Winkelpositionen 0 bis
720 auf Kurbelwellenumdrehungsgrad nach der Verbrennung am oberen
Totpunkt. Die aufeinander folgend wiederholten Zyklen sind längs der
Oberseite der Figur mit Doppelpfeilen, die mit Expansion, Ausstoß, Ansaugung
und Kompression markiert sind, skizziert. Jeder dieser Zyklen entspricht
der Kolbenbewegung zwischen jeweiligen oberen Totpunkt- und unteren Totpunktpositionen
und überdeckt
volle 180 Kurbelwellenumdrehungsgrad oder ein Viertel des vollständigen Viertaktzyklus.
In 3 sind Zylinderdrücke über benachbarten Abschnitten
des Viertakt-Verbrennungszyklus, nämlich dem Abgaszyklus und dem
Ansaugzyklus, wie durch die gleichermaßen markierten Doppelpfeile,
die an der Oberseite der Figur gezeigt sind, deutlich angezeigt
ist, eingetragen.
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In
der vorliegenden beispielhaften Darlegung der Erfindung wurde beim
Implementieren der verschiedenen Ventilsteuerungen und der Erfassung
der verschiedenen hierin enthaltenen Daten ein mit Benzin gespeister
Viertakt-Einzylinder-0,55-Liter-Verbrennungsmotor mit gesteuerter
Selbstzündung
verwendet. Alle solche Implementierungen und Erfassungen sollen,
sofern speziell nichts anderes besprochen wird, unter Standardbedingungen,
was von einem Fachmann verstanden wird, ausgeführt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Eintreten einer aufgeteilten Einspritzung veranlasst. Das
heißt,
dass die gesamte Kraftstoffanforderung für den Zyklus auf zwei Einspritzereignisse
aufgeteilt wird. Eines der Einspritzereignisse wird früh im Ansaugzyklus
herbeigeführt,
während
das andere Einspritzereignis spät
im Kompressionszyklus herbeigeführt
wird. Im Allgemeinen spritzt das Ansaugzyklusereignis etwa 10 bis
etwa 50 Prozent der Kraftstoffanforderung für den Zyklus ein. Die restliche
Kraftstoffanforderung für
den Zyklus wird während
des Kompressions-Kraftstoffzufuhrereignisses
eingespritzt. Die gesamte Kraftstoffzufuhranforderung ist, wenn
sie gegenüber
gebräuchlichen
Metriken wie etwa die Verbrennungsstabilität bestimmt wird, wesentlich
kleiner als die Kraftstoffzufuhranforderung eines ähnlichen
in herkömmlicher
Weise betriebenen Verbrennungsmotors, wie später mit Bezug auf die 4 und 5 demonstriert
wird. Dies trifft hinsichtlich der absoluten Masse an Kraftstoff
bei Motoren auf ähnlicher
Basis oder hinsichtlich relativer Metriken wie etwa der mittleren
wirksamen Netto-Drücke zu.
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2 veranschaulicht
eine beispielhafte aufgeteilte Kraftstoffzufuhr gemäß bestimmter
Präferenzen
hinsichtlich der zeitlichen Steuerung der Einspritzung. Der durch
die mit 55 und 57 markierten fetten Balken be grenzte
Bereich entspricht bevorzugten Winkelbereichen innerhalb der Ansaug-
und Kompressionszyklen für
Abgabe des Ansaugzyklus-Kraftstoffzufuhrereignisses bzw. des Kompressionszyklus-Kraftstoffzufuhrereignisses.
Vorzugsweise wird der erste Anteil von Kraftstoff etwa 0 bis etwa
90 Grad nach dem OT des Abgastaktes eingespritzt, während der
zweite Anteil von Kraftstoff etwa 20 bis etwa 60 Grad nach dem OT
des Kompressionstaktes eingespritzt wird. Es können andere Bereiche für die Einspritzung
verwendet werden, die jedoch gegenüber den bevorzugten Bereichen
keinen wirklichen Vorsprung erzielen.
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Ebenfalls
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird vorzugsweise mittels Phasenanschnittsteuerung über das Öffnen und
Schließen
eines oder mehrerer der Ansaug- und Abgasventile ein Unterdruckereignis
in der Verbrennungskammer herbeigeführt. In dem in den 2 und 3 gezeigten
vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass das Eintreten eines Abgasereignisses
veranlasst wird, bei dem das Abgasventil für wenigstens einen Abschnitt
des Abgaszyklus von 180 bis 360 Grad geöffnet ist. Die wirklichen Öffnungs-
und Schließwinkel
des Abgasventils während
eines Abgasereignisses variieren entsprechend solchen Faktoren wie
etwa der Motordrehzahl und den Abgaskanalgeometrien sowie anderen
gewünschten
Motorabstimmungseigenschaften. In dem vorliegenden gezeigten Beispiel
wird angenommen, dass das Schließen des Abgasventils im Wesentlichen
380 Grad oder 20 Grad nach dem OT des Abgastaktes entspricht. Vorzugsweise
tritt das Schließen
des Abgasventils innerhalb des Bereichs zwischen angenähert 20
Grad vor dem OT des Abgastaktes und 20 Grad nach dem OT des Abgastaktes
ein. Es wird im Allgemeinen geglaubt, dass eine maximale Austreibung
von Abgasen aus der Verbrennungskammer das Minimieren des verbleibenden
Zylinderdrucks unterstützt,
wobei eine solche Bedingung im Allgemeinen mit dem Herbeiführen von
tieferen und länger
andauernden Unterdruckereignissen im Einklang steht. Bei einer bestimmten Gasdynamik
entsteht unter bestimmten Bedingungen eine maximale Austreibung,
wenn das Abgasventil für
einen gewissen Winkel nach dem Abgastakt geöffnet bleibt. Stärker bevorzugt
tritt dann das Schließen
des Abgasventils innerhalb des Bereichs zwischen angenähert dem
OT des Abgastaktes und 20 Grad nach dem OT des Abgastaktes ein.
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Im
Einklang mit dem Ziel des Herbeiführens eines Unterdruckereignisses
in der Verbrennungskammer während
des Ansaugtaktes kann es ferner wünschenswert sein, dass die
absolute Phase des Schließens
des Abgasventils des Abgasereignisses relativ zu dem OT des Abgastaktes
nicht größer als die
Ansaugventilöffnungsphase
nach dem OT des Abgastaktes ist oder dass eine minimale Ventilüberlappung
vorkommt. Im Allgemeinen ist eine bestimmter Grad an Asymmetrie
um den OT des Abgastaktes, etwa, wie beschrieben worden ist, zwischen
dem Schließen
des Abgasventils und dem Öffnen
des Ansaugventils, erforderlich, um die gewünschten Unterdruckbedingungen
oder Unterdruckzustände
in der Verbrennungskammer herbeizuführen. Wenn das Abgasventilschließereignis
vor dem OT des Abgastaktes eintritt, kann es erwünscht sein, wenigstens einen ähnlichen
Winkel nach dem OT zuzulassen, damit der Druck in der Verbrennungskammer nachlassen
kann, bevor das Ansaugventil sich zu öffnen beginnt. Vorzugsweise
folgt das Öffnen
des Ansaugventils dem Schließen
des Abgasventils etwa 20 bis etwa 60 Grad nach dem OT des Abgastaktes.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Abgasventil
während
wenigstens eines Abschnitts des Ansaugereignisses geöffnet, um
verbrannte Gase zu rezirkulieren oder wiedereinzusaugen, indem diese
in die Verbrennungskammer vis-à-vis
des Abgasventils zurück
angesaugt werden. Vorzugsweise erfolgt dieses Wiedereinsaugereignis-Abgasventilöffnen im
Anschluss an das Öffnen
des Ansaugventils und stärker
bevorzugt etwa 10 bis 30 Grad nach dem Ansaugventilöffnen.
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Außerdem erfolgt
das Abgasventilschließen, das
diesem Wiedereinsaugereignis zugeordnet ist, vorzugsweise vor dem
Ansaugventilschließen.
Stärker
bevorzugt erfolgt diese Abgasventilschließen etwa 10 bis etwa 40 Grad
vor dem Ansaugventilschließen.
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Das
Wiedereinsaugereignis-Abgasventilöffnen ist vorzugsweise auch
durch einen relativ hohen Ventilhub gekennzeichnet. Stärker bevorzugt
ist ein solcher Ventilhub nicht größer als etwa 50% des maximalen
Ventilhubs.
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Das
bisher beschriebene allgemeine und bevorzugte Ansaug- und Abgasventileinphasen
ist im Wesentlichen in den beispielhaften Kurven, die in 2 gezeigt
sind, dargelegt. Die Kurve 50 repräsentiert ein Abgasereignis-Abgasventilprofil,
bei dem das Ventilschließen
im Wesentlichen bei 20 Grad nach dem OT des Abgastaktes eintritt.
Zum Zweck der Darlegung wird angenommen, dass das Abgasereignis
im Wesentlichen statisch bezüglich
des Einphasens des Abgasereignis-Abgasventilschließens ist,
obwohl, wie oben beschrieben worden ist, beabsichtigt ist, dass
eine Phasenverschiebung des Abgasventilschließens tatsächlich im Umfang der Erfindung
beim Erreichen verschiedener Ergebnisse und Ziele von dieser liegt.
Die Ansaugprofile 51 und 53, die einem frühen (etwa
12 Grad nach dem OT des Abgastaktes oder 372 Grad) bzw. einem späten (etwa
52 Grad nach dem OT des Abgastaktes oder 412 Grad) Ansaugventilöffnen entsprechen,
zeigen beide im Wesentlichen eine Konvergenz des Ansaugventilschließens bei
etwa 60 Grad nach dem unteren Totpunkt (UT) des Ansaugtaktes. Die
Wiedereinsaugprofile 52 und 54 hängen mit
Profilen 51 und 53 für frühes bzw. spätes Ansaugventilöffnen zusammen
und entsprechen jeweils einem Wiedereinsaugereignis-Abgasventilöffnen, das
etwa 30 Grad nach dem entsprechenden damit zusammenhängenden Ansaugventilöffnen ausgelöst wird.
Die Wiedereinsaugprofile 52 und 54 zeigen ebenfalls
im Wesentlichen eine Konvergenz des Wiedereinsaugereignis- Abgasventilschließens bei
etwa 40 Grad vor dem Ansaugventilschließen. Wenn in der Figur ein
Kontinuum solcher zusammenhängender
Ansaug- und Wiedereinsaugprofile
zusammen mit dem Ansaugventilöffnen
zwischen 372 und 412 Grad und dem entsprechenden damit zusammenhängenden
Wiedereinsaugöffnen,
das um etwa 30 Grad verzögert ist,
eingetragen wird, wäre
das Ergebnis steigende Vakuumpegel und deren Dauer in der Verbrennungskammer.
Natürlich
können
zusätzlich
zu den verschiedenen Unterdruckprofilen in der Verbrennungskammer,
die mit einer einfachen Phasenverschiebung des Ventilöffnens erreicht
werden können, durch
komplexere und unabhängige
Variationen der Abgas-, Ansaug- und Wiedereinsaugprofile einschließlich mittels
Hubveränderung
neben dem zeitlichen Steuern zusätzliche
Druckprofile erzielt werden. Es sei angemerkt, dass wesentliche Änderungen
der gasbildenden Mischungen und der Temperaturen ebenfalls mittels
komplexer Variationen der Abgas-, Ansaug- und Wiedereinsaugprofile,
die möglich
sind, erwirkt werden können.
Die Arbeitsweise des Motors, wie sie durch die beispielhaften Figuren
hierin gezeigt ist, entspricht, wie oben angegeben worden ist, jener
eines Motors mit gesteuerter Selbstzündung.
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Die
Ventilphasensteuerungen zum Herbeiführen eines Unterdruckereignisses
in der Verbrennungskammer werden ausgeführt, um Druckpegelsenkungen
und deren Dauern in der Verbrennungskammer einzuführen, die
bei einer herkömmlichen bekannten
Viertaktarbeitsweise nicht gefunden werden. In 3 sind
nun Druckprofile, die sich aus den mit Bezug auf 2 beschriebenen
beispielhaften Ventilprofilen ergeben, gezeigt. Darin ist eine Kurvenfamilie
allgemein mit dem Bezugszeichen 61 und bezüglich 360
Kurbelwellenumdrehungsgrad, nämlich nur über die
Abgas- und Ansaugzyklen des vollständigen Viertaktprozesses, wie
längs der
Oberseite der Figur innerhalb der mit Ausstoß und Ansaugung markierten
Doppelpfeile skizziert ist, gezeigt. Jede Kurve entspricht im Wesentlichen
einem Ansaugventilöffnen
in Schritten von 5 Grad, beginnend bei 372 Grad und endend bei 412
Grad, bzw. einem entsprechenden Abgasventilöffnen, das dem jeweiligen Ansaugventilöffnen um
im Wesentlichen 30 Grad nacheilt. Der Zylinderdruck ist auf einer
relativ linearen Skala längs
der vertikalen Achse gezeigt, wobei der Umgebungsdruck speziell
markiert ist und im Wesentlichen als Standarddruck oder als etwa
101 kPa angenommen wird. In Übereinstimmung
mit der vereinfachenden Annahme bezüglich des Abgasereignis-Abgasventilschließens bei
einer festen Phase von im Wesentlichen 20 Grad nach dem OT des Abgastaktes für sämtliche
der verschiedenen Ansaugventil-/Abgasventilereignis-Abgasventilöffnungsvorgänge, sind die
Druckprofile über
etwa 400 Grad (40 Grad über den
OT des Abgastaktes hinaus) im Wesentlichen äquivalent. Der Bereich 63 bezeichnet
allgemein den Bereich sich ergebender Unterdruckereignisse oder Bedingungen
eines Drucks unterhalb des Umgebungsdrucks, der gemäß der vorliegenden
Erfindung eingeführt
wird. Ein erstes relativ flüchtiges
Unterdruckereignis begrenzter Dauer geht bei einem Druck unterhalb
des Umgebungsdrucks von im Wesentlichen genau vor 390 Grad bis etwa
im Wesentlichen genau nach 435 Grad oder 75 Grad über den
OT des Abgastaktes hinaus. Ein zweites relativ tiefes und länger andauerndes
Unterdruckereignis geht bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks
von im Wesentlichen genau vor 390 Grad bis etwa im Wesentlichen
genau vor 480 Grad. Das erste Unterdruckereignis erreicht im Wesentlichen
42 kPa unterhalb des Umgebungsdrucks oder anders gesagt etwa 42%
unterhalb des Umgebungsdrucks oder 58% des Umgebungsdrucks. Das
zweite Unterdruckereignis erreicht im Wesentlichen 75 kPa unterhalb
des Umgebungsdrucks oder anders gesagt etwa 75% unterhalb des Umgebungsdrucks
oder 25% des Umgebungsdrucks. Die in 3 gezeigten
spezifischen Kurven sind natürlich
beispielhaft, wobei auch andere solche Kurven und Profile kraft
mehrerer komplexer und unabhängiger
Variationen der Abgas-, Ansaug- und Wiedereinsaugprofile einschließlich mittels
Hubveränderung
neben dem zeitlichen Steuern eingeführt werden können. Beispielsweise
würde ein weiteres
Verzögern
des Ansaugventilöffnens
tiefere Unterdruckereignisse erwirken. In ähnlicher Weise können tiefere
Unterdruckereignisse durch weiteres Verzögern des Wiedereinsaugereignis-Abgasventilöffnens gegenüber dem
Ansaugventilöffnen
oder das Beseitigen eines Wiedereinsaugereignisses insgesamt erwirkt
werden. Wo es wünschenswert
ist, eine bestimmte Abgasrezirkulation bzw. Abgasrückführung aufrechtzuerhalten,
kann das Anpassen des Abgasereignis-Abgasventilschließens eine
Alternative zum Wiedereinsaugen bilden oder können externe Abgasrückführungsmittel
verwendet werden, um die Aufnahme von verbrannten Gasen zusammen
mit Frischluft durch das Ansaugventil sicherzustellen.
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Die
Kraftstoffzufuhrmethodik für
einen Motor, der wie oben beschrieben betrieben wird, kann aus einer
Vielfalt von Methoden ausgewählt
werden. Flüssige
und gasförmige
Einspritzungen sind Kandidaten für
DI. Zusätzlich
ist beabsichtigt, dass luftgestützte
und andere Typen der Abgabe verwendet werden können. Außerdem ist der Typ des verwendbaren
Zündsystems
variabel und umfasst solche nicht einschränkende Beispiele wie etwa SI,
CI und die gesteuerte Selbstzündung.
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Der
Einfluss der vorliegenden Erfindung auf die Niederlastgrenze des
beispielhaften Betriebs eines Motors mit Selbstzündung ist in 4 gezeigt. Ohne
Verwendung der vorliegenden Erfindung beträgt die Niederlastgrenze des
beispielhaften – und typischsten – Viertakt-Benzinmotors
mit Direkteinspritzung und Selbstzündung etwa 225 kPa mittleren wirksamen
Netto-Druck (Net Mean Effective Pressure, NMEP) mit einem Variationskoeffizienten
des indizierten mittleren wirksamen Drucks (Coefficient of Variation
of Indicated Mean Effective Pressure, COV of IMEP) als Indikator.
Die in 4 eingetragenen Daten wurden bei im Wesentlichen
auf 175 kPa NMEP abgemagerter Kraftstoffzufuhr und unter Implementierung
der oben beschriebenen beispielhaften Ansaug- und Abgasventilprofile
erfasst. Der Linienzug 71 zeigt deutlich eine Verbrennungsstabilitätsverbesserung
bei Einführung
und Ausdehnung von Unterdruckereignissen in der Verbrennungskammer, wie
sie hier beschrieben worden sind. Die gezogene klare Schlussfolgerung
ist die, dass das Ausdehnen von Bedingungen eines Drucks unterhalb
des Umgebungsdrucks die Verbrennungsstabilität verbessert und ein Betreiben
des Motors bei Niederlastgrenzen zulässt.
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5 demonstriert
dieselben klaren Gewinne und Vorteile der Implementierung der vorliegenden
Erfindung auf einer normierten NMEP-Skala in der Verbrennungskammer
relativ zur Umgebung. In dieser Figur repräsentiert der Punkt 83 die
Niederlastgrenze von im Wesentlichen 225 kPa hinsichtlich NMEP mit
5% Var. Koef. von IMEP als Indikator. Punkte auf der linken Seite
in der Figur (d. h. niedrigere NMEP) entsprechen niedrigeren Lasten.
Der Linienzug 81 zeigt deutlich wesentlich niedrigere NMEP,
die erforderlich sind, um annehmbare 5% oder weniger des Var. Koef.
von IMEP aufrechtzuerhalten und den Punkt der Niederlastgrenze auf
etwa 150 kPa NMEP zu verschieben. Der Linienzug 85 zeigt
ebenfalls deutlich wesentlich niedrigere NMEP, die erforderlich
sind, um annehmbare 5% oder weniger des Var. Koef. von IMEP aufrechtzuerhalten
und den Punkt der Niederlastgrenze auf etwa 25 kPa NMEP zu verschieben,
wenn die Strategie der aufgeteilten Einspritzung der vorliegenden
Erfindung mit der Herbeiführung
von Unterdruckbedingungen in der Verbrennungskammer kombiniert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist hier bezüglich bestimmter bevorzugter
Ausführungsform
und Varianten beschrieben worden. Es können alternative Ausführungsformen,
Varianten und Implementierungen implementiert und praktiziert werden,
ohne vom Umfang der Erfindung, der nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt
ist, abzuweichen: