DE69327653T2

DE69327653T2 - Brennkraftmaschine mit einen zyklus mit beschränktete temperatur

Info

Publication number: DE69327653T2
Application number: DE69327653T
Authority: DE
Inventors: Douglas C. Kruse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2013-07-27
Also published as: US6058904A; AU4785193A; EP0653018A1; US5265562A; DE69327653D1; US5460128A; WO1994002726A1; JP2006112434A; US5566650A; EP0653018B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Verbrennungsmotoren und insbesondere Expansionsraumkolbenmotoren, die in einem offenen thermodynamischen Prozeß arbeiten.
Kraftfahrzeug- und Motorenhersteller, Lieferanten von Kraftstoffeinspritzanlagen und tatsächlich die Gesellschaft als Ganze haben gemeinsam den Wunsch nach einem leistungsfähigen effektiven Transport. Das Gleichgewicht zwischen den Verbrennungsprozessen, um Leistung zu erzeugen, und jenen Prozessen, die eine Verschmutzung hervorrufen, wird am besten durch Verbessern des grundlegenden Wirkungsgrades der Motorprozesse angesprochen.
Es ist gut bekannt, daß der ideale Camot-Prozeß, bei dem eine isotherme Wärmezuführung und - abweisung mit einer isentropischen Verdichtung und Expansion kombiniert werden, der wirksamste Motorprozeß für bestimmte obere und untere Betriebstemperaturen ist. Der Carnot-Prozeß ist jedoch für einen Expansionsraumkolbenmotor infolge des sehr hohen Verdichtungsverhältnisses (über 50 : 1) nicht praktisch, das erforderlich ist, um eine bedeutende Leistung zu erzeugen. Dennoch wäre ein praktischer Prozeß, der in gewissem Maß den hochwirksamen Carnot-Prozeß anwenden könnte, ein Fortschritt im Fachgebiet.
Der praktischste Motor, und daher gegenwärtig der dominierendste, ist der Ottomotor, der einen Verdichtungsprozeß eines Kraftstoff-Luft-Gemisches umfaßt, gefolgt von einer nichtregulierten Verbrennung. Es ist gut bekannt, daß der ideale Otto-Prozeß für ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis der wirksamste Expansionsraumkolbenmotor ist, da der Otto-Prozeß eine hohe maximale Temperatur mit einer praktischen mittleren Temperatur der Wärmezufuhr kombiniert.
Die hohe maximale Verbrennungstemperatur eines Ottomotors kann jedoch eine Selbstzündung eines Teils des Kraftstoff-Luft-Gemisches hervorrufen, was zu einem Motorgeräusch und einer Beschädigung des Motors ebenso wie zur Bildung von überschüssigen Mengen der unerwünschten NOx führt.
In der Vergangenheit wurde die Selbstzündung in Ottomotoren durch Verwendung von chemischen Zusätzen zum Kraftstoff verringert, wie beispielsweise Bleiverbindungen (gesetzlich nicht mehr gestattet), Manganverbindungen (die den Aufbau von Zündkerzenablagerungen hervorrufen, was zu Fehlzündungen führt), Benzol (dessen Verwendung gegenwärtig durch einen gesetzlichen Erlaß eingeschränkt wird) oder Kraftstoffreformierungen, um eine schädliche Selbstzündung zu verhindern, während Umweltvorgaben erfüllt werden. Eine Selbstzündung kann ebenfalls verringert werden, indem die Verbrennungstemperatur beschränkt wird, entweder durch Anwendung eines niedrigeren Verdichtungsverhältnisses (was sowohl die Leistung als auch den Wirkungsgrad verringert) oder durch eine Abgasrückführung, Magerverbrennungs- oder Schichtladungsverfahren, die alle einen Leistungsverlust bewirken.
Für eine allgemeine Verwendung auf Straßen sind die Motoren der emissionsbeschränkten Personenkrafrtvagen gegenwärtig auf eine nutzbare Verdichtung von etwa 10 : 1 beschränkt. Oberhalb jener Grenze überwiegen die erhöhten Kosten des Kraftstoffsteuersystems und die zusätzlichen Kosten für mehr Platin oder Rhodium für Abgaskatalysatoren im allgemeinen den Vorteil der höheren Verdichtungsverhältnisse. Eine Technologie, die gestatten würde, daß ein praktischer Otto- Verdichtungsprozeß mit Verdichtungsverhältnissen von mehr als 10 : 1 funktioniert, wäre im Fachgebiet ein Fortschritt.
Eine Verbesserung beim Otto-Prozeß, wie sie durch ein höheres nutzbares Verdichtungsverhältnis verkörpert wird, ist ein idealer Diesel-Prozeß, der eine isotherme Wärmezuführung und eine isochore (konstantes Volumen) Wärmeabweisung aufweist, kombiniert mit einer isentropischen Verdichtung und Expansion. Der ideale Diesel-Prozeß überwindet die Kraftstoffoktangrenze des Otto-Prozesses, indem Luft allein für den Verdichtungsvorgang genutzt und der Kraftstoff mit der Prozeßluft als Teil des Verbrennungsprozesses gemischt wird. Das gestattet die Verwendung von Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl, erfordert aber einen Kraftstoff mit Zetanzahl (erhöhte Selbstzündung). Der isotherme Prozeß des vorangehend beschriebenen idealen Diesel-Prozesses wurde jedoch infolge des erforderlichen extrem hohen Verdichtungsverhältnisses (50 : 1) als unpraktisch ermittelt, und ein alternativer Wärmezuführungsprozeß (isobar oder konstanter Druck) wurde in die Praxis eingeführt.
Eine weitere Abwandlung des idealen Diesel-Prozesses ist der ideal begrenzte Druckprozeß, der eine kombinierte isochore und isobare Wärmezuführung und eine isochore Wärmeabweisung kombiniert mit einer isentropischen Verdichtung und Expansion umfaßt. Dieser Verbrennungsprozeß gestattet, daß ein Motor mit mittelmäßigen Verdichtungsverhältnissen (14 : 1 bis 17 : 1 für große Direkteinspritzmotoren) ebenso wie mit hohen Verdichtungsverhältnissen (20 : 1 bis 25 : 1 für Motoren mit kleinem Hubraum) betrieben werden kann.
Wenn Dieselmotoren infolge ihres hohen Verdichtungsverhältnisses auch einen hohen Kraftstoffwirkungsgrad aufweisen, neigen sie dazu, schwerer zu sein und eine niedrigere Leistung zu zeigen als ein Ottomotor mit dem gleichen Hubraum. Außerdem leiden alle Dieselmotoren mit Zylindereinspritzung an einem Zündverzug, was die Steuerung und die Wirksamkeit des Verbrennungsprozesses verringert. Ein Weg, um diesen Zündverzug zu überwinden, ist das Vorwärmen des Kraftstoffes auf 1500ºR vor dem Einspritzen. Das erzeugt eine selbstzündende Verbrennung beim Einspritzen, ist aber infolge der kurzen Lebensdauer der Einspritzdüse ein unbrauchbares Verfahren.
Hybridmotorenprozesse wurden entwickelt, die die Charakteristik sowohl des Diesel- als auch Fremdzündungsmotors einschließen, aber diese haben sich für Straßenzwecke als unbrauchbar erwiesen. Beispiele für diese Hybridprozesse umfassen das Texaco TCCS, das Ford PROCO, Ricardo MAN-FM und KHD-AD. Alle benutzen Motoren mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, die Schichtladungsverfahren anwenden, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Diese Entwicklungsmotoren leiden an einem wesentlichen Leistungsverlust wegen des Zündverzuges, einer unvollständigen Ausnutzung der Prozeßluft und eines schlechten Mischens der Kraftstoff/Luft-Zuführung.
Weil die Grenzen der gegenwärtigen Technologie daher erreicht sind, besteht eine Notwendigkeit für einen Verbrennungsmotor, der ein besseres Gleichgewicht zwischen Leistungserzeugung, Kraftstoffwirkungsgrad, Bewirken einer Verschmutzung und Verschmutzungssteuerung durch Anwendung einer praktischeren Kombination von thermodynamischen Prozessen liefern wird.
Das DE-A-25 07 142 offenbart ein Verfahren zum Betätigen eines Verbrennungsmotors, bei dem einem im wesentlichen Gleichraumverbrennungsprozeß, bei dem 80 bis 90% des Kraftstoffes verbrannt werden, ein im wesentlichen isothermer Verbrennungsprozeß folgt, bei dem die restlichen 10 bis 20% des Kraftstoffes verbrannt werden. Im DE-A-25 07 142 wird dem Motor jedoch eine Kraftstoff/Luft-Mischung zugeführt, und es gibt keine spezifische Offenbarung eines isentropischen Leistungsabgabeprozesses im Anschluß an die Wärmezufuhrphase, die durch die zwei Verbrennungsprozesse verkörpert wird, worauf man sich vorangehend bezogen hat.
Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bei Anwendung der Zylindereinspritzung für die Kraftstoffzuführung bereitgestellt, wobei der Motor einen Verbrennungsraum umfaßt und einen Arbeitszyklus aufweist, der eine Wärmezufuhrphase umfaßt, die einen im wesentlichen Gleichraumverbrennungsprozeß aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Arbeitszyklus ein Verdichtungsverhältnis von mehr als oder gleich etwa 12 umfaßt; daß die Wärmezuführphase außerdem aufweist: einen im wesentlichen Gleichdruckverbrennungsprozeß, der dem im wesentlichen Gleichraumverbrennungsprozeß folgt; und einen im wesentlichen isothermen Verbrennungsprozeß, der dem im wesentlichen Gleichdruckverbrennungsprozeß folgt; und daß der Wärmezufuhrphase des Arbeitszyklusses ein im wesentlichen isentropischer Leistungsabgabeprozeß folgt.
Weitere Ziele, Vorteile und charakteristische Merkmale der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung deutlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, die zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines Viertaktverbrennungsmotors, der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nutzt;
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt von einer schaltmagnetbetätigten Kraftstoffeinspritzdüse, die in dem in Fig. 1 abgebildeten Motor eingesetzt werden kann, wobei die Einspritzdüse einen Kolbennocken umfaßt, der die Kraftstoffeinspritzmengen und -geschwindigkeiten bereitstellt, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 grafische Darstellungen des (1) Kraftstoffeinspritzdüsenkolbenhubes über dem Motorkurbelwellenwinkel und der (2) eingespritzen Kraftstoffmengen über dem Motorkurbelwellenwinkel in Übereinstimmung mit einem Musterbetriebszustand;
Fig. 4 Diagramme des Druck-Volumens und des damit in Beziehung stehenden Motorprozeß, mittels eines Untergrundes dargestellt, um das allgemeine Verständnis der vorliegenden beanspruchten Erfindung zu unterstützen;
Fig. 5A-5C zusammen ein Flußdiagramm, daß die Schritte für das Analysieren des Motorprozesses aus Fig. 4 und für das Berechnen der Motorleistung und anderer Betriebsparameter zeigt;
Fig. 6 grafische Darstellungen des prozentualen Kraftstoffes, der für eine Gleichtemperaturverbrennung zugeführt wird, über dem Verdichtungsverhältnis für zwei maximale Temperaturen (3300ºR und 4000ºR);
Fig. 7 eine grafische Darstellung der Wärmefreigabegeschwindigkeit über dem Kurbelwellenwinkel für einen Prozeß mit einer maximalen Temperatur von 3300ºR; und
Fig. 8 Diagramme des Druck-Volumens und des damit in Beziehung stehenden Motorprozesses mit Bezugnahme auf eine Ausführung der Erfindung.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 wird in schematischer Form ein Viertaktmotor 10 mit Fremdzündung mit normaler Ansaugung gezeigt, der die Lehren der vorliegenden Erfindung anwendet. Den Fachleuten wird es klar sein, daß die Vorteile der Erfindung bei Zweitaktmotoren mit Fremdzündung ebenso wie bei Wankel-Rotationskolbenmotoren und jenen, die Turbolader oder Kompressionsmotoren sind, realisiert werden können. Obgleich in Fig. 1 der Einfachheit halber ein einzelner Zylinder gezeigt wird, wird man verstehen, daß ein Motor, der die Erfindung einschließt, typischerweise mehrere Zylinder aufweisen wird.
Der Motor 10 weist auf: einen Block 12; einen Zylinderkopf 14; und einen Zylinder 16 mit einem Kolben 18, der so ausgeführt ist, daß er innerhalb des Zylinders 16 zwischen einem oberen und unteren Totpunkt hin- und hergeht, um mit dem Zylinder 16 einen Verbrennungsraum 20 zu definieren. Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 18 wird in eine Rotationsabtriebsbewegung mittels einer Pleuelstange 22 und einer Kurbelwellenbaugruppe 24 umgewandelt, alle, wie sie im Fachgebiet gut bekannt sind. Wie es nachfolgend detaillierter erklärt wird, wird das Verdichtungsverhältnis des Motors 10 in Übereinstimmung mit der Erfindung typischerweise wesentlich höher sein als das eines konventionellen Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit Fremdzündung. Während ein konventioneller Motor beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis von 8 : 1 bis 10 : 1 aufweisen kann, kann ein Motor, bei dem die Lehren der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen, ein Verdichtungsverhältnis von 18 : 1 aufweisen.
Der Motor 10 umfaßt außerdem ein Luftansaugsystem 26, das ein Luftansaugventil 28 im Zylinderkopf 14 umfaßt. Das Ventil 28 wird zusammen mit einem Auslaßventil (in Fig. 1 nicht sichtbar) mittels einer konventionellen Nockenwelle 30 und des damit in Beziehung stehenden Ventilantriebsmechanismus 32 betätigt. Ebenfalls im Zylinderkopf 14 ist eine Zündkerze 34 montiert, deren Energiezuführung mittels einer im Fachgebiet gut bekannten Einrichtung gesteuert und zeitlich festgelegt wird.
Jetzt ebenfalls mit Bezugnahme auf Fig. 2 wird dem Motor 10 mittels eines Kraftstoffeinspritzsystems 36 Kraftstoff zugeführt, das genau die Kraftstoff/Luft-Mischung für die Verbrennung und die Abgasemissionssteuerung reguliert. Das Kraftstoffeinspritzsystem 36 umfaßt eine elektrisch betätigte Kraftstoffeinspritzpumpe 38, die im oder angrenzend an den Zylinderkopf 14 installiert und so ausgeführt ist, daß vorgegebene Mengen an Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum 20 über eine Einspritzleitung 40 und eine Einspritzdüse 41, die innerhalb des Verbrennungsraumes 20 und angrenzend an die Zündkerze 34 endet, eingespritzt werden. Die Einspritzpumpe 38 kann beispielsweise die Form einer Kraftstoffeinspritzanlage Modell 200, hergestellt von AMBAC International, mit einem modifizierten Nocken, wie nachfolgend beschrieben wird, und dem Zusatz eines Schaltmagneten 44 aufweisen. Die Einspritzpumpe 38 weist ein Kraftstoffüberlaufventil 42 auf, das gegen die Vorspannung einer Feder 43 mittels des Schaltmagneten 44 betätigt wird, der durch eine Schaltmagnetantriebseinheit (SDU) 46 mit Energie versorgt werden kann. Die Antriebseinheit 46 wird wiederum durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 48 gesteuert, die mittels geeigneter Meßfühler ausgewählte Motorbetriebsbedingungen überwacht, wie beispielsweise den Ansaug- und Auspuffsammelrohrdruck, die Motordrehzahl, die Zündauslöseposition, die Drosselklappenposition, die Motortemperatur, usw. Elektrische Signale, die diese Bedingungen verkörpern, werden als Eingangssignale 50 an die Steuereinheit 48 angelegt. Wie im Fachgebiet bekannt ist, berechnet die elektronische Steuereinheit 48 auf der Basis mehrerer Eingangssignale 50 elektronisch die zeitliche Steuerung und Dosierung des Kraftstoffes, der mittels der Einspritzpumpe 38 in den Verbrennungsraum 20 eingeführt wird.
Kraftstoff wird der Kraftstoffeinspritzanlage 38 mittels einer Zuführpumpe (nicht gezeigt) durch eine Kraftstoffleitung 52 mit einem ausreichend hohen Druck zugeführt, um einen angemessenen Kraftstoffstrom zu erzeugen, und um die Dampfbildung im Kraftstoffsystem während des verlängerten Hochtemperaturbetriebes zu verhindern. Wenn der Schaltmagnet 44 durch die Schaltmagnetantriebseinheit 46 mit Energie versorgt wird, schließt sich das Ventil 42 und, weil der Hubraum des Kolbens 54 bekannt ist, wird die eingespritzte Kraftstoffmenge nur dadurch gesteuert, daß die Einspritzdüsenimpulsbreite verändert wird, d. h., die Zeitdauer, über die das Ventil 42 geschlossen gehalten wird.
Die Einspritzpumpe 38 umfaßt einen Kolben 54 einer Kolbenpumpe, der mittels eines Nockens 56 betätigt wird, der eine Nockenstößelfläche oder eine Nockenerhebung 58 in Eingriff mit dem Kolben 54 aufweist; der Nocken 56 ist mit der Drehzahl der Motorkurbelwelle drehbar.
Wie in Fig. 3 gezeigt wird, weist der Nocken 56 ein Hubprofil als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels auf, das aufweist: einen ersten linearen Abschnitt 60, der von einem Grundkreis 62 aus bis zu einem maximalen Hub von etwa ¹/&sub2; in durch eine Winkelverschiebung der Kurbelwelle um etwa 180º ansteigt; und einen zweiten linearen Abschnitt 64, der zum Grundkreis bei etwa 60º der Kurbelwellenverschiebung zurückfällt.
Fig. 3 zeigt einen Kraftstoffeinspritzzeitplan für einen einzelnen beispielhaften Betriebszustand, nämlich eine weit geöffnete Drosselklappe für einen Viertaktmotor mit begrenztem Temperaturzyklus, der ein Verdichtungsverhältnis von 18 : 1 und eine maximale Temperatur von etwa 3300ºR aufweist. Der Kraftstoffeinspritzzeitplan in Fig. 3 liefert zwei aufeinanderfolgende Einspritzungen von Kraftstoffmengen A und B. Wie bereits erklärt wurde, sind die Kraftstoffmengen A und B Funktionen nur der Zeitdauer, über die die Einspritzdüse 38 in Betrieb ist, wie durch die elektronische Steuereinheit 48 bestimmt wird.
Meistens wird eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit der Nockenwellendrehzahl angetrieben, d. h., mit der halben Kurbelwellendrehzahl des Motors. Hierbei wird die Pumpe mit der Kurbelwellendrehzahl des Motors gedreht, wobei bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung die Nockenerhebung 58 ihren Hub im wesentlichen zu Beginn des Motoransaughubes (0º) startet. Das bewirkt eine erste Kraftstoffeinspritzmenge (in Fig. 3 als A gezeigt) während des Ansaughubes, gleich einem Ottomotor. Der Pumpennocken 56 vollendet seine erste Drehung am Ende des Motorverdichtungshubes (360º). Die nächste Drehung des Pumpennockens 56 wird die zweite Kraftstoffmenge (Menge B) während des Arbeitshubes in einer Weise einspritzen, die im wesentlichen eine Gleichtemperaturverbrennung bewirkt.
Die Kraftstoffmenge A, die etwa 56% des gesamten Kraftstoffes aufweist, der für die vollständige Verbrennung der Prozeßluft erforderlich ist, wird während des Ansaughubes des Kolbens 18 zwischen etwa 10º und 120º (Motorkurbelwellenwinkel) nach dem oberen Totpunkt eingespritzt. Im wesentlichen am Ende des Verdichtungshubes (360º oder oberer Totpunkt) wird die zweite Menge B, die die restlichen 44% der gesamten Menge an Kraftstoff aufweist, die für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, eingespritzt, wobei eine derartige zweite Einspritzung bei etwa 60º nach dem oberen Totpunkt endet, d. h., bei etwa 420º. Eine Zündung durch die Zündkerze 34 beim betrachteten Beispiel wird typischerweise bei 5º bis 10º vor dem oberen Totpunkt bewirkt.
Die Verbrennung der Kraftstoff/Luft-Mischung auf der Basis der eingespritzten Menge A weist eine erste Verbrennungsphase auf, die, wie beim normalen Ottoprozeß, ein im wesentlichen Gleichraumprozeß ist. Die erste Verbrennungsphase wird natürlich eine sehr magere Mischung aufweisen, die bei Nichtvorhandensein der zweiten Phase der Verbrennung, die beschrieben wird, dazu neigen würde, die Motorleistung deutlich zu verringern. Die Verbrennung der Kraftstoffmenge B erfolgt bei im wesentlichen konstanter Temperatur, d. h., isotherm, wobei sowohl eine Leistung als auch ein Wirkungsgrad gebracht werden. Es wurde ermittelt, daß die Temperatur, bei der diese zweite Verbrennungsphase erfolgt, begrenzt ist und niedriger als die, die bei einem normalen Ottomotor mit sogar mittelmäßigem Verdichtungsverhältnis, beispielsweise 8 : 1 oder 10 : 1, erreicht würde. Daher gestattet der begrenzte Temperaturzyklus der vorliegenden Erfindung dem Konstrukteur, das Verdichtungsverhältnis eines Motors für einen bestimmten Kraftstoff, beispielsweise bis zu etwa 18 : 1, drastisch zu erhöhen, wobei alle Vorteile bereitgestellt werden, die einen hohen Wirkungsgrad und Ausgangsleistung umfassen, die sich bei einem Motor mit hohem Verdichtungsverhältnis ergeben, ohne daß Nachteile hinsichtlich der Wärme, Explosion und Emission zu verzeichnen sind.
Ein großer Teil des Kraftstoffes ist für eine Gleichraumverbrennung vorgemischt, im allgemeinen 50 bis 90%. Dieser erste Prozeß wird mit einem zweiten Kraftstoffteil kombiniert, der während des Verbrennungsprozesses mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, um erstens den maximalen Druck zu begrenzen, und um zweitens die maximale Zylindertemperatur zu begrenzen.
Der Motorprozeß der vorliegenden Erfindung weist einen höheren Wärmewirkungsgrad als ein Camot-Prozeß bei der gleichen mittleren Temperatur bei der Wärmezufuhr auf.
Mit dem Hintergrund der beanspruchten vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 4 drei Motorzylinderdiagramme (Druck-Volumen, Temperatur-Volumen und Temperatur-Entropie), die Beispiele des begrenzten Temperaturzyklusses der vorliegenden Erfindung für zwei maximale Verbrennungsraumtemperaturen (Tmax) vergleichen, nämlich 3300ºR und 4300ºR. Der Motorprozeß des ersten Beispieles (Tmax = 3300ºR) wird durch die Punkte 1-2-3-4-5-1 in den Diagrammen der Fig. 4 definiert, und der des zweiten Beispieles (Tmax = 4300ºR) durch die Punkte 1-2-3'-4'-5'-1. In Fig. 4 ist der Verlauf 1-2 eine isentropische Verdichtung von 18 : 1, und die Verläufe 2-3 und 2-3' sind Gleichraumverbrennungsprozesse, die beim ersten Beispiel 56% des Kraftstoffes einsetzen, der für die vollständige Verbrennung der Prozeßluft erforderlich ist. Die Verläufe 3-4 und 3'-4' sind isotherme Prozesse, die beim ersten Beispiel die restlichen 44% des Kraftstoffes einsetzen. Die Verläufe 4-5 und 4'-5' sind isentropische Expansionsprozesse und die Verläufe 5-1 und 5'-1 sind Gleichraumauslaßprozesse.
Bei Verwendung der idealen Kraftstoff/Luft-Analyse aus Fig. 5A-5C können die Bedingungen oder Zustände an jedem Punkt für die zwei Beispiele aus Fig. 4 wie folgt berechnet werden:

ERSTES BEISPIEL

CR = 18,0 Tmax = 3300ºR

PUNKT 1 - AUSGANGSBEDINGUNGEN BEIM UNTEREN TOTPUNKT, ANSAUGHUB:

P1 = 14,7 psia
V = 50,3 in.3
T1 = 530ºR
N = 2000 U/min.
Ns = 0,95
F/A = 0,0416
Ma = 130 lb/h
LHV = 18300 Btu/lb
Nv = 100%
NCOMB = 100%
worin sind:
P1 = Ausgangsdruck
V1 = Ausgangsvolumen
T1 = Ausgangstemperatur
N = Motordrehzahl
Ns = Verdichtung/Expansion-Wirkungsgrad
F/A = Kraftstoff/Luft-Verhältnis
Ma = Luftmassenstrom
LHV = unterer Heizwert des Kraftstoffes
Nv = volumetrischer Wirkungsgrad
NCOMB = Verbrennungswirkungsgrad

PUNKT 2 - NACH DER ISENTROPISCHEN VERDICHTUNG (VERLAUF 1-2):

Ka = 1,37
Cv(air) = 0,186 Btu/lbm-ºR
V2 = V1/CR = 50,3/18 = 2,79 in³
P2 = P1(V1/V2)K = 14,7(18)1,37 = 771 psia
WC = Cv (T1 - T2) = 0,186 (530 - 1597) = -198 Btu/lbm

PUNKT 3 - NACH DER VERBRENNUNG BEI BEGRENZTER TEMPERATUR @ KONSTANTEM VOLUMEN (VERLAUF 2 - 3):

T&sub3; = Tmax = 3300ºR
P3 = P2(T3/T2) = (771)(3300/1597) = 1593 psia
Cv(ex) = 0,242 Btu/lbm ºR
V3 = V2 = 2,79 in³
QCv = Cv (T3 - T2) = 0,242(3300 - 1597) = 412 Btu/lbm
Mf = F/A (Ma) = (0,0416)(130) = 5,408 lb/hr
Qtot = (Mf)(LHV) = (5,408)(18,300) = 98,966 Btu/hr
QCV/Qcycle = 412/731 = 56,4% ← der Verbrennung bei konstantem Volumen

PUNKT 4 - NACH DER GLEICHTEMPERATURVERBRENNUNG UND EXPANSION (VERLAUF 3- 4):

Qct = QCYCLE - Qcv = 731 - 412 = 319 Btu/lbm ← (43,6% bei konst.Temp.)
T4 = T3 = 3300º
P4 = P3(V3/V4) = 1593(2,79/11,41) = 389 psia

PUNKT 5: NACH DER ISENTROPISCHEN EXPANSION (VERLAUF 4-5):

Kex = 1,26
Cpex = 0,325
Cvex = 0,25
V&sub5; = V&sub1; = 50,3 in³
WEXS = Cv(T4 - T5) = 0,25 (3300 - 2297) = 251 Btu/lbm

ZUSAMMENFASSUNG DER LEISTUNG DES PROZESSES DES ERSTEN BEISPIELS:

Wnet = WC + WEXT + WEXS = -198 + 303 + 251 = 356 Btu/lbm
Ncyc = Wnet/Qtot = 356/731 = 48,7%

ZWEITES BEISPIEL

PUNKT 1 - AUSGANGSBEDINGUNGEN BEIM UNTEREN TOTPUNKT, ANSAUGHUB:

Das gleiche wie beim ersten Beispiel.

PUNKT 2 - NACH DER ISENTROPISCHEN VERDICHTUNG (VERLAUF 1 - 2):

Das gleiche wie beim ersten Beispiel.

PUNKT 3' - NACH DER VERBRENNUNG BEI BEGRENZTER TEMPERATUR @ KONSTANTEM VOLUMEN (VERLAUF 2 - 3'):

T3' + Tmax = 4300ºR
P3' = P2(T3'/T2) = (771)(4300/1597) = 2076 psia
Cv(exh) = 0,242 Btu/lbm ºR
V3' = V2 = 2,79 in³
QCv = Cv(T3' - T2) = 0,242 (4300 - 1597) = 654 Btu/lbm
Mf = F/A (Ma) = (0,0416)(130) = 5,408 lb/hr
Qtot = (Mf)(LHV) = (5,408)(18,300) = 98,966 Btu/hr
Qcv/Qcycle = 654/731 = 89,5% ← % der Verbrennung bei konstantem Volumen

PUNKT 4' - NACH DER GLEICHTEMPERATURVERBRENNUNG UND EXPANSION (VERLAUF 3'-4'):

Qct = QCYCLE - Qcv = 731 - 654 = 77 Btu/lbm ← (10,5% bei konst. Temp.)
T4' = T3' = 4300º

PUNKT 5' - NACH DER ISENTROPISCHEN EXPANSION (VERLAUF 4'-5'):

Kex = 1,26
Cpex = 0,325
Cvex = 0,25
V&sub5;' = V&sub1; = 50,3 in³
WEXS = Cv (T4' - T5') = 0,25(4300 - 2275) = 506 Btu/lbm

ZUSAMMENFASSUNG DER LEISTUNG DES PROZESSES DES ZWEITEN BEISPIELS:

Wnet = WC + WEXT + WEXS = -198 + 72,9 + 506 = 381 Btu/lbm
Ncyc = Wnet/Qtot = 381/731 = 52%
Bei einer weiteren Ausführung kann der Kraftstoff, der für den isochoren Vorgang zugeführt wird, eine Menge sein, die eine Temperatur des Arbeitsmediums von etwa 4000 Grad Rankine erzeugen wird, etwas weniger als die, die durch eine uneingeschränkte Verbrennung erzeugt wird, wobei der Rest des Kraftstoffes proportional der Zunahme des Volumens während des Arbeitshubes zugeführt wird, um eine im wesentlichen isotherme Verbrennung zu bewirken. Diese Ausführung wird eine hohe Leistung bringen, während eine Explosion bei höheren Verdichtungsverhältnissen vermieden wird.
Fig. 6 zeigt grafische Darstellungen für zwei maximale Verbrennungstemperaturen (3300ºR und 4000ºR) des prozentualen Kraftstoffes, der für eine Gleichtemperaturverbrennung zugeführt wird, als eine Funktion der Verdichtungsverhältnisse zwischen 8 : 1 bis 24 : 1.
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Wärmefreigabegeschwindigkeit als eine Funktion des Motorkurbelwellenwinkels für eine maximale Verbrennungstemperatur von 3300ºR (vorangehend angeführtes erstes Beispiel). Ein erster Abschnitt 70 dieser grafischen Darstellung zeigt die Wärmefreigabegeschwindigkeit für den Gleichraumprozeß (Verlauf 2-3 in Fig. 4). Ein zweiter Abschnitt 72 der grafischen Darstellung zeigt die Wärmefreigabegeschwindigkeit für den isothermen Prozeß (Verlauf 3-4 in Fig. 4).
Wiederum mit Bezugnahme auf Fig. 3 wird den Fachleuten deutlich, daß die Erfindung bei Zweitaktmotoren angewandt werden kann, einfach indem zeitlich festgelegt wird, daß die erste Einspritzung (Menge A) zu Beginn des Verdichtungshubes und die zweite Einspritzung (Menge B) wie beim Viertaktmotor stattfinden. Bei der Zweitaktanwendung muß sich der aktive Abschnitt der Nockenerhebung von Beginn des Verdichtungshubes bis zum Ende des isothermen Verbrennungsprozesses erstrecken. Da das eine längere Zeitdauer mit einem bedeutenden nicht genutzten Abschnitt der Hubrampe ist, kann ein Abschnitt des Nockens mit konstantem Radius angewandt werden, um übermäßig große Gesamtabmessungen der Nockenerhebung zu vermeiden.
Die Fachleute werden verstehen, daß anstelle einer Kraftstoffeinspritzpumpe (wie in Fig. 2 gezeigt wird) eine schaltmagnetgesteuerte Blockeinspritzdüse eingesetzt werden kann, oder es kann als eine weitere Alternative ein Kraftstoffeinspritzsystem mit gemeinsamem Verteilerrohr, das durch eine Hochdruckpumpe mit konstantem Durchfluß versorgt wird, bei Einspritzdüsen genutzt werden, die unabhängig durch Schaltmagnete gesteuert werden. Den Fachleuten wird es außerdem weiter klar sein, daß piezoelektrische Betätigungselemente für die Schaltmagnete eingesetzt werden können, wo sehr kurze Einspritzdüsenenergiezuführzeiten erforderlich sind (d. h., kleine Kraftstoffmengen). Piezoelektrische Betätigungselemente können ebenfalls genutzt werden, um einen höheren Grad der Steuerung der Einspritzung zu bewirken, da derartige Einspritzdüsen eingesetzt werden können, um mehrere einzelne Mengen mit dem Ergebnis einzuspritzen, daß der Prozeß den idealen isothermen Prozeßverläufen genauer folgen wird. In Übereinstimmung mit einer noch weiteren Alternative kann eine piezoelektrische Vorrichtung für den Pumpenkolben in einer Blockeinspritzdüse eingesetzt werden, wodurch die Forderung eliminiert wird, daß ein Nocken die Einspritzdüse betätigt. Um eine derartige Anwendung eines piezoelektrischen Betätigungselementes möglich zu machen, würde die piezoelektrische Vorrichtung mehrmals (beispielsweise 100-mal) durch die elektronische Steuereinheit betätigt werden, um die erforderlichen Gesamtkraftstoffmengen mit einem piezoelektrischen Element von praktischer Größe einzuspritzen.
Es wird ebenfalls erkannt, daß die Prozeßdiagramme in Fig. 4 ideale Prozesse zeigen. Reelle Motorverläufe werden in gewissem Maß von den gezeigten idealen Prozessen infolge von Verstell-, Wärme- und Reibungsverlusten abweichen. Diese Faktoren werden sich selbst in den Prozeßdiagrammen als beispielsweise abgerundete Ecken und Verschiebungen der Prozeßlinien zeigen.
Es ist ebenfalls möglich, ein normales Vergaserkraftstoffeinführungssystem mit einer Einspritzdüse zu kombinieren. Mit Bezugnahme auf das Beispiel in Fig. 3 würde bei einem derartigen System der Vergaser die erste Menge (Menge A) zuführen, und die Einspritzdüse würde die zweite Menge (Menge B) zuführen. Die Benutzung einer Einspritzdüse für das Einführen beider Kraftstoffeinspeisungen wird jedoch bevorzugt, um die Kosten zu minimieren.
Die Erfindung kann ebenfalls in Verbindung mit vorhandenen Otto-, Diesel-, Magerverbrennungs- oder Schichtladungsmotorprozessen im gleichen Motor bei unterschiedlichen Lasten oder unterschiedlichen Betriebsbedingungen in die Praxis eingeführt werden.
Mit Bezugnahme auf den Wert des begrenzenden maximalen Zylinderdruckes macht die Erfindung Gebrauch von einer Kombination von Gleichraumverbrennung, Gleichdruckverbrennung und Gleichtemperaturverbrennung. Wärme wird während des Gleichraumprozesses in einer derartigen Menge freigegeben, daß die bevorzugte Druckgrenze erreicht wird. Wärme wird danach bei konstantem Druck zugeführt, bis die bevorzugte maximale Temperatur erreicht ist. Die verbleibende Wärme wird isotherm zugeführt. Ein Beispiel wird in den Prozeßdiagrammen der Fig. 8 gezeigt. Ein Motor, der in Übereinstimmung mit dieser Ausführung betrieben wird, wird mit Bezugnahme auf Fig. 8 die folgenden Prozeßverläufe umfassen: der Verlauf 1-2 ist ein isothermer Verdichtungsprozeß, bei dem Kraftstoff zugeführt wird. Der Kraftstoff, der frühzeitig beim Verdichtungsprozeß zugeführt wird, dient zwei Zwecken: erstens verringert die Verdampfungswärme die Arbeit der Verdichtung, zweitens wird die Verbrennungstemperatur proportional zu der Abkühlung verringert, die durch den Kraftstoff bewirkt wird, und drittens gestattet das frühzeitige Einspritzen einen Zeitraum, daß Vorflammreaktionen vor dem Zündzeitpunkt stattfinden können, wodurch der Zündverzug verringert wird (ein bedeutendes Problem bei Diese(- oder anderen vorherrschend Zylindereinspritzhybridsystemen). Der Verlauf 2-3 ist ein isentropischer Verdichtungsprozeß, wie er bereits erklärt wird; der Verlauf 3-4 ist ein isochorer Verbrennungsprozeß, bei dem der maximale Druck auf einen vorgewählten Wert begrenzt ist, indem die Kraftstoffmenge A dosiert wird (Fig. 3); der Verlauf 4-5 ist ein Gleichdruckprozeß, d. h. ein isobarer Prozeß, der durch einen ersten Teil des Kraftstoffanteils B (Fig. 3) bewirkt wird, wobei der Teil eine Menge aufweist, um die isobare Verbrennung fortzusetzen, bis die vorgewählte maximale Verbrennungstemperatur erreicht ist; der Verlauf 5-6 ist ein isothermer Verbrennungsprozeß bei der vorgewählten maximalen Verbrennungstemperatur; der Verlauf 6-7 ist ein isentropischer Expansionsprozeß; und der Verlauf 7-1 ist ein isochorer Auslaßprozeß. Jede der Kraftstoffeinführungen kann eine oder mehrere einzelne Mengen aufweisen, um so den idealen Prozessen so genau wie möglich zu entsprechen.
Eine weitere Ausführung der Erfindung kann in die Praxis eingeführt werden, indem der erste Anteil (Menge A) der gesamten Kraftstoffmenge in einen oder mehrere einzelne eingespritzte Kraftstoffteile unterteilt wird. Wenn beispielsweise zwei derartige Teile verwendet würden, würden diese als Teile A' und A" bezeichnet, wobei die Summe dieser zwei Teile der Menge A gleicht. In Übereinstimmung mit einem Beispiel dieser Ausführung würde der erste Kraftstoffteil A', der 40% des gesamten Kraftstoffes aufweist, während des Intervalls von 10º bis 80º der Motorkurbelwellendrehung eingespritzt, und der zweite Kraftstoffteil A", der 16% des gesamten Kraftstoffes aufweist, würde während des Intervalls von 320º bis 350º der Motorkurbelwellendrehung eingespritzt. Diese Ausführung liefert eine chemisch richtige Kraftstoff/Luft-Mischung, die die Zündkerze in der ersten Phase der Verbrennung umgibt, was dazu dient, die Grenze der Magerfehlzündung zu erweitern, ebenso wie die Bildung von NOx weiter zu verringern, indem das Vorhandensein von unverbranntem Sauerstoff in der ersten Verbrennungsphase vermieden wird.
Man wird ebenfalls verstehen, daß die Erfindung bei verschiedenen Kraftstoffen, wie beispielsweise Naturgas, Diesel, Benzin und Methanol, ebenso wie bei mehreren Kraftstoffen zur Anwendung kommen kann, die beispielsweise eine Kombination von Naturgas für den Wärmefreigabeprozeß bei konstantem Volumen und Dieselkraftstoff für den isothermen Wärmefreigabeprozeß umfassen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bei Anwendung der Zylindereinspritzung für die Kraftstoffzuführung, wobei der Motor einen Verbrennungsraum (16) umfaßt und einen Arbeitszyklus aufweist, der eine Wärmezufuhrphase umfaßt, die einen im wesentlichen Gleichraumverbrennungsprozeß aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Arbeitszyklus ein Verdichtungsverhältnis von mehr als oder gleich etwa 12 umfaßt, daß die Wärmezufuhrphase außerdem aufweist: einen im wesentlichen Gleichdruckverbrennungsprozeß, der dem im wesentlichen Gleichraumverbrennungsprozeß folgt; und einen im wesentlichen isothermen Verbrennungsprozeß, der dem im wesentlichen Gleichdruckverbrennungsprozeß folgt; und daß der Wärmezufuhrphase des Arbeitszyklusses ein im wesentlichen isentropischer Leistungsabgabeprozeß folgt.

2. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, wobei der Motor umfaßt: (1) mindestens einen Zylinder (12) und einen dazugehörenden Kolben (18) für das Bilden des Verbrennungsraumes (16), wobei der Kolben (18) eine obere Totpunktposition aufweist; (2) einen Arbeitszyklus, der einen Ansaughub und einen Verdichtungshub umfaßt; und (3) eine Zylindereinspritzanlage (38 bis 50) für die Kraftstoffzuführung; wobei das Verfahren außerdem aufweist:

Bilden einer vorgegebenen Kraftstoff/Luft-Mischung durch Zuführen von Luft und einen ersten vorgegebenen Anteil des gesamten Kraftstoffes für den Arbeitszyklus;

Zünden der Kraftstoff/Luft-Mischung, wenn der Kolben im wesentlichen im oberen Totpunkt ist, wobei die Verbrennung der Kraftstoffluftmischung den im wesentlichen Gleichraumverbrennungsprozeß liefert;

Zuführen eines zweiten vorgegebenen Anteils des gesamten Kraftstoffes für den Arbeitszyklus während des Arbeitshubes, wobei die Verbrennung des zweiten Anteils des gesamten Kraftstoffes den im wesentlichen Gleichdruckverbrennungsprozeß liefert;

Zuführen eines dritten vorgegebenen Anteils des gesamten Kraftstoffes für den Arbeitszyklus während des Arbeitshubes, wobei die Verbrennung des dritten Anteils des gesamten Kraftstoffes den im wesentlichen isothermen Verbrennungsprozeß liefert.

3. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Arbeitszyklus einen Druckluftansaugprozeß umfaßt.

4. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Prozesse die Bereitstellung einer Schichtladung umfassen.

5. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, bei dem die Prozesse die Bereitstellung eines im wesentlichen Magerverbrennungs-Kraftstoff/Luft-Verhältnisses in mindestens einem Abschnitt des Verbrennungsraumes umfassen.

6. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Arbeitszyklus einen Verdichtungsprozeß umfaßt, der das Zuführen von Kraftstoff während des Verdichtungsprozesses aufweist, wobei die Verdampfung des Kraftstoffes im wesentlichen die Verdichtungsarbeit reduziert.

7. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 6, bei dem das Zuführen von Kraftstoff einen im wesentlichen isothermen Verdichtungsprozeß liefert.

8. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 6, bei dem das Zuführen von Kraftstoff im wesentlichen am Anfang des Verdichtungsprozesses beginnt.

9. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Arbeitszyklus einen Kraftstoffansaugprozeß umfaßt, wobei ein piezoelektrisches Material benutzt wird, um die Kraftstoffansaugung zu regulieren.

10. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, bei dem das Zuführen von jeweils dem ersten, zweiten und dritten Kraftstoffanteil das Zuführen von mehr als einer einzelnen Menge umfaßt.

11. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Temperatur des im wesentlichen isothermen Prozesses kleiner ist als oder gleich etwa 4300 Grad Rankine.

12. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Temperatur des im wesentlichen isothermen Prozesses kleiner ist als oder gleich 3300 Grad Rankine.