DE10191818B3

DE10191818B3 - Verbrennungsmotor betreibbar im PCCI-Modus mit Nachzündungseinspritzung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10191818B3
Application number: DE10191818T
Authority: DE
Inventors: John F. Wright; Patrick M. Pierz; Axel O. zur Loye
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: US6516774B2; GB2369158B; DE10191820B4; JP2003532829A; JP3881243B2; JP4180278B2; WO2001086127A2; GB2370317A; DE10191819T1; JP2003532828A; US20020020388A1; DE10191818T1; US20020017269A1; US6561157B2; WO2001086127A3; WO2001086126A3; JP2003532827A; DE10191819B4; GB2369158A; GB2370316B

Abstract

Verbrennungsmotor (10, 110), der in einem Modus der Kompressionszündung einer vorgemischten Ladung bzw. eines Vorgemischs betreibbar ist, wobei mindestens ein Teil des Kraftstoffs (23, 27) bei einem PCCI-Verbrennungsvorgang verbrannt wird, aufweisend: einen Motorkörper (12, 112) mit einem Kolbenaufbau (14, 114); eine Brennkammer (16, 116), die im Motorkörper (12, 112) durch den Kolbenaufbau (14, 114) gebildet ist; ein Einlaßsystem zur Zuführung von Einlaß- bzw. Ansaugluft zur Brennkammer (16, 116); eine Mischvorrichtung, die den ersten Kraftstoff (23) mit der Einlaß- bzw. Ansaugluft mischt, um ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff (23) bereitzustellen, wobei das Zünden der vorgemischten Ladung oder des Vorgemisches durch Kompressionszündung ausgelöst wird; einen Direktkraftstoffinjektor (26, 126), der ausgebildet ist, um einen zweiten Kraftstoff (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) einzuspritzen; und ein Steuersystem (30, 130), das ausgebildet ist, um den Direktkraftstoffinjektor (26, 126) so zu steuern, daß eine...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der vorliegende Patentantrag nimmt die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/202,850, eingereicht am 8. Mai 2000, in Anspruch.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Verbrennungsmotor zum Steigern der Kraftstoffeffizienz unter Reduzierung der Abgasemissionen und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Motor, der in einem Modus mit Kompressionszündung eines Vorgemischs betrieben werden kann.
STAND DER TECHNIK
In jüngster Vergangenheit haben sich einige Motorendesigner unter dem Druck der verschärften Vorschriften hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz und niedriger Emissionen der Motoren einem Verbrennungsmotortyp zugewandt, der Kompressionszündung eines Vorgemischs (PCCI – premixed charge compression ignition) verwendet. Die Forscher haben verschiedene andere Bezeichnungen für die PCCI-Verbrennung verwendet, darunter die Kompressionszündung mit homogenem Gemisch (HCCI) sowie andere, wie ”ATAC”, die für ”aktive Thermo-Atmosphären-Verbrennung” steht (SAE Technical Paper Nr. 790501, 26. Februar – 2. März 1979), ”TS” steht für ”Toyota-Soken” (SAE Technical Paper Nr. 790840, 10.–13. September 1979) und ”CIHC” steht für ”Kompressionsgezündete homogene Charge” (SAE Paper Nr. 830264, 1983). Alle diese Begriffe werden im folgenden gemeinsam als PCCI bezeichnet.
Im allgemeinen sind herkömmliche Verbrennungsmotoren entweder Dieselmotoren oder Motoren mit Funkenzündung, wobei der Dieselmotor den Beginn der Verbrennung (SOC – start of combustion) durch das Festlegen des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung steuert, während funkengezündete Motoren den SOC durch den Zeitpunkt des Funkens steuern. Gleich zu Beginn versteht es sich, daß der SOC sich auf den Punkt in der Zeit bezieht, in welchem ein Gemisch im Zylinder zu zünden beginnt. Der Hauptvorteil des funkengezündeten Erdgas- oder Benzinmotors gegenüber dem Dieselmotor ist die Möglichkeit, extrem niedrige NOx- und Partikelemissionsniveaus zu verwirklichen. Der Hauptvorteil des Dieselmotors gegenüber den funkengezündeten Motoren mit Vorgemisch ist seine höhere Wärmeeffizienz. Einer der Hauptgründe für die höhere Effizienz von Dieselmotoren ist die Möglichkeit, höhere Kompressionsverhältnisse verwenden zu können als bei Motoren mit Funkenzündung und Vorgemisch, weil bei Motoren mit Funkenzündung mit Vorgemisch das Kompressionsverhältnis relativ niedrig gehalten werden muß, um ein Klopfen des Motors zu vermeiden.
Ein zweiter Hauptgrund für die höhere Effizienz von Dieselmotoren ist die Fähigkeit, die Leistungsabgabe des Dieselmotors ohne Drosselklappe steuern zu können. Das eliminiert die Drosselverluste der Benzinmotoren mit Funkenzündung und Vorgemisch und ergibt bei Teillast eine signifikant höhere Effizienz für Dieselmotoren. Charakteristische Dieselmotoren verwirklichen jedoch die sehr niedrigen NOx- und Partikelemissionsniveaus nicht, die bei Benzinmotoren mit Funkenzündung und Vorgemisch möglich sind. Da die Dieselverbrennung gemischgesteuert ist, existiert ein großer Anteil des Kraftstoffs mit einem sehr hohen Äquivalenzverhältnis, das bekanntlich zur Partikelemission führt. Benzinmotoren mit Funkenzündung und Vorgemisch hingegen haben ein nahezu homogenes Luft-Kraftstoffgemisch, das dazu tendiert, entweder mager oder fast stöchiometrisch zu sein, was die sehr niedrigen Partikelemissionen möglich macht. Andererseits entsteht die gemischgesteuerte Verbrennung bei Dieselmotoren, wenn der Kraftstoff und die Luft bei einem nahezu stöchiometrischen Äquivalenzverhältnis liegen, was zu hohen Temperaturen führt. Die hohen Temperaturen wiederum verursachen hohe NOx-Emissionen. Benzinmotoren mit Funkenzündung und Vorgemisch hingegen haben weit niedrigere NOx-Emissionen oder ihre NOx-Emissionen können mit einem Dreiwegkatalysator auf sehr niedrige Niveaus reduziert werden.
Ein anderer Motortyp, der kürzlich im Brennpunkt der Forschung stand und im Stand der Technik vorgeschlagen und untersucht wurde, ist der Erdgasmotor mit Direkteinspritzung, der die Kompressionszündung anwendet. Bei einem solchen Motor wird Erdgas unter hohem Druck direkt während oder nach der Kompression in die Brennkammer eingespritzt, so daß die durch die Kompression entstehende Hitze das eingespritzte Erdgas in ähnlicher Weise wie bei Dieseleinspritzungsanwendungen zündet. Eine solche Verbrennung wird typisch durch eine Zündkerze und/oder Voreinspritzung unterstützt, und der Erdgasmotor mit Direkteinspritzung erlaubt höhere Kompressionsverhältnisse als ein vergleichbarer Erdgasmotor mit Funkenzündung. Die Gesamtwärmeeffizienz eines Erdgasmotors mit Direkteinspritzung ist daher bekanntlich höher als die eines Erdgasmotors mit Funkenzündung. Ein Erdgasmotor mit Direkteinspritzung bedingt jedoch ein Komprimieren des Erdgases mit sehr hohen Drücken, wie zum Beispiel 3000 psi oder darüber, und das ist schwer zu verwirklichen. Dieser erforderliche Kompressionsvorgang benötigt eine substantielle Menge Arbeit, die die thermische Effizienz (brake thermal efficiency) des Erdgasmotors mit Direkteinspritzung verringert. Während die Emissionsleistung eines Erdgasmotors mit Direkteinspritzung als besser befunden wurde als die des herkömmlichen Dieselmotors, haben die höheren Emissionen (im Vergleich zu einem funkengezündeten Motor) sowie die Komplexität und die hohen Kosten die kommerzielle Anziehung minimiert.
Anders als bei den oben beschriebenen Verbrennungsmotoren beruhen Motoren, die nach den PCCI-Prinzipien arbeiten, auf der Selbstzündung eines relativ gut vorgemischten Gemischs aus Kraftstoff und Luft. Insbesondere werden bei PCCI-Motoren der Kraftstoff und die Luft in der Ansaugöffnung oder im Zylinder gemischt, lang bevor die Zündung eintritt. Das Ausmaß der Homogenität des Gemischs kann je nach den wünschenswerten Verbrennungscharakteristiken geändert werden. Es können Motoren konzipiert und/oder betrieben werden, um sicher zu stellen, daß der Kraftstoff und die Luft zu einem homogenen oder nahezu homogenen Zustand vermischt werden. Ein Motor kann auch speziell konzipiert und/oder betrieben werden, um ein etwas weniger homogenes Gemisch zu schaffen, das leicht geschichtet ist. In beiden Fällen existiert das Gemisch im vorgemischten Zustand lang bevor die Zündung eintritt und wird komprimiert, bis sich das Gemisch von selbst entzündet. So zeichnet sich der PCCI-Verbrennungsvorgang dadurch aus, daß: 1. der Hauptteil des Kraftstoffs ausreichend mit Luft vorgemischt ist, um ein brennbares Gemisch im gesamten Gemisch im Zeitpunkt des Zündens zu bilden; und 2. das Zünden durch Komprimieren ausgelöst wird. Außerdem zeichnet sich die PCCI-Verbrennung vorzugsweise dadurch aus, daß der Großteil des Gemischs signifikant magerer ist als stöchiometrisch, um die Emissionen vorteilhaft zu verringern, anders als beim typischen Dieselmotorzyklus, bei dem sich der Großteil oder sogar das ganze Gemisch während der Verbrennung in einem fetten Zustand befindet. Da ein Motor, der gemäß den PCCI-Prinzipien arbeitet, das Potential besitzt, die ausgezeichnete Kraftstoffausnutzung des Dieselmotors bereitzustellen, während die NOx- und Partikelemissionsniveaus viel niedriger sind als bei herkömmlichen funkengezündeten Motoren, wurde auch er kürzlich tiefgehend untersucht und entwickelt.
Bekanntlich ist es für die effiziente PCCI-Verbrennung mit niedrigen Emissionen wichtig, daß die Verbrennung beim richtigen Kurbelwinkel des Motorzyklus eintritt. In dieser Hinsicht wurde außerdem festgestellt, daß der Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung (SOC – start of combustion) und die Verbrennungsrate (und daher die Dauer der Verbrennung) bei einem PCCI-Motor hauptsächlich von verschiedenen Werten der Verbrennungshistorie abhängen, wie zum Beispiel von der Temperaturhistorie; von der Druckhistorie; von den Kraftstoffselbstzündungseigenschaften (z. B. Oktan-/Methanzahl oder Aktivierungsenergie); und von der Zusammensetzung der eingeschlossenen Zylinderladungsluftmischung (Sauerstoffgehalt, EGR, Feuchtigkeit, Äquivalenzverhältnis usw.). Es sollte jedoch beachtet werden, daß der Begriff PCCI den Gebrauch von Zündzeitbestimmungsmechanismen nicht ausschließt, wie von Voreinspritzungen und Funkenzündung nach dem Stand der Technik, die verwendet werden, um den Zeitpunkt des Beginns der Zündung eines Vorgemischs präzis festzulegen. Während das Vorgemisch auf Grund der Kompression verbrennen kann, helfen solche Zündtimingmechanismen beim Auslösen des SOC des Vorgemischs in einem genauen Zeitpunkt, um die wünschenswerten Verbrennungskenndaten sicher zu stellen. Das ist gegensätzlich zu Motoren ohne PCCI-Betrieb, wie herkömmliche Benzinmotoren mit Funkenzündung, bei welchen das Vorgemisch des Benzins mit der Luft ohne Funken überhaupt nicht zünden würde.
Ein Motor mit Kompressionszündung eines Vorgemischs mit optimaler Verbrennungssteuerung mit verschiedenen Steuerfeatures zum Steuern des SOC und der Verbrennungsrate wird in der Patentanmeldung Serien-Nr. 08/916,437, eingereicht am 22. August 1997, übertragen auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung, offenbart. Diese Anmeldung wurde auch als Internationale Patentanmeldung Nr. PCT/US97/14815 veröffentlicht. Wie in der '437-Anmeldung offenbart, ist die aktive Steuerung wünschenswert, um den SOC und die Dauer der Verbrennung bei der wünschenswerten Lage der Kurbelwelle bzw. mit der wünschenswerten Dauer aufrecht zu erhalten, um effektive, effiziente PCCI-Verbrennung mit hoher Effizienz und niedrigen NOx-Emissionen zu verwirklichen. In dieser Hinsicht offenbart die '437-Anmeldung einen PCCI-Motor mit einem Steuersystem für die Verbrennungshistorie, das mindestens eines von einem Temperatursteuersystem, um die Temperatur des Gemischs aus Kraftstoff und Luft zu variieren, Drucksteuersystem, um den Druck des Gemischs zu steuern, Äquivalenzverhältnis-Steuersystem zum Ändern des Äquivalenzverhältnisses des Gemischs und Steuersystem für die Gemischselbstentzündungseigenschaft, um die Selbstentzündungseigenschaft des Gemischs zu ändern, umfaßt. Der Motor verwendet ein Gerät zum Erfassen des Betriebszustands, das ein Signal an einen Prozessor sendet, der wiederum ein oder mehrere Signale erzeugt, um das Steuersystem der Verbrennungshistorie zu steuern, wie das Temperatursteuersystem, das Drucksteuersystem, das Äquivalenzverhältnis-Steuersystem und/oder das Steuersystem für die Selbstzündungseigenschaft des Gemischs. So kann die variable Steuerung der Verbrennungshistorie zukünftiger Verbrennungsvorgänge erreicht werden. Ein Sensor für den Beginn der Verbrennung (SOC), wie ein Zylinderdrucksensor kann verwendet werden, um den Beginn der Verbrennung zu erfassen, so daß auch eine effektive Rückkoppel- bzw. Feedbacksteuerung verwirklicht werden kann.
Die '437-Anmeldung offenbart weiter den Gebrauch eines Injektors zum Eispritzen zusätzlichen Gases oder zusätzlicher Flüssigkeit, wie Dieselkraftstoff, in den Zylinder, um den Zeitpunkt des PCCI-Vorgangs festzulegen. In dieser Hinsicht kann Dieselkraftstoff entweder früh beim Kompressionsvorgang oder später im Kompressionsvorgang in der Nähe des oberen Totpunkts (TDC – top dead center) eingespritzt werden, um, den PCCI-Verbrennungsvorgang auszulösen. So dient die späte Einspritzung einem ähnlichen Zweck für den Dieselvoreinspritzvorgang dadurch, daß sie eine kleine Menge Schichtkraftstoff hinzufügt, die entweder funken- oder kompressionsgezündet werden kann, um das Zünden des Vorgemischs zu unterstützen und so den PCCI-Verbrennungsvorgang auszulösen. Diese Dieselvoreinspritzung hat sich als vorteilhaft herausgestellt, weil sie einen effektiven Weg bietet, das Zünden des Vorgemischs auszulösen und den SOC eines PCCI-Motors zu steuern. Wie weiter unten besprochen wird, war die Voreinspritzung auch effektiv, um die PCCI-Verbrennung sicher zu stellen, vor allem während des Übergangs zwischen verschiedenen Betriebsarten oder während des Anlassens des Motors. So tritt die späte Einspritzung gemäß der '437-Anmeldung und den aus dem Stand der Technik bekannten Techniken des Dieselvoreinspritzbetriebs vor der PCCI-Verbrennung des Vorgemischs auf und dient dem Sicherstellen des Zündens der Vorgemische, um den PCCI-Verbrennungsvorgang auszulösen.
Aus der EP 0 767 303 A1 ist ein Dieselmotor bekannt, der eine Einspritzvorrichtung und eine Steuereinheit zur Regelung der Einspritzvorrichtung aufweist. Auf eine erste Einspritzung folgt eine zweite Einspritzung, die eine Zündung auslöst. Darüber hinaus kann eine dritte Einspritzung nach Zündung erfolgen. Die Zündung erfolgt durch einen eingespritzten Kraftstoff.
Die AT 002 905 U1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem Speicherkatalysator. Es wird im Bereich des fetten Motorbetriebes vor der Verbrennung im Brennraum ein zumindest überwiegend homogenes Kraftstoffgemisch erzeugt. Es kann eine Vor- und/oder Nacheinspritzung während des fetten Motorbetriebes vorgesehen sein. Diese Einspritzungen sind vor dem Beginn der Verbrennung vorgesehen.
Trotz dieser signifikanten jüngeren Entwicklungen in der Verbrennungsmotortechnologie besteht noch Bedarf an weiterer Steigerung der Kraftstoffeffizienz von Verbrennungsmotoren unter Minimierung der Abgasemissionen. Diese weiteren Verbesserungen an den Abgasemissionen sind wünschenswert und erforderlich, um die ständig verschärften Regierungsforderungen zu erfüllen, insbesondere hinsichtlich der NOx-Emissionsniveaus, die mit der derzeitig bekannten Technologie und den heutigen Verfahren schwer noch weiter reduzierbar sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Vorgenannten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verbrennungsmotor mit gesteigerter Kraftstoffeffizienz und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motors bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines solchen Motors und eines Verfahrens, die die Abgasemissionen verringern.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verbrennungsmotors und eines Verfahrens, die mit Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch mit gesteigerter Kraftstoffeffizienz und verringerten Emissionen arbeiten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines solchen Verbrennungsmotors und eines Verfahrens, die die Kraftstoffeffizienz steigern und die Emissionen verringern, indem eine Einspritzung nach der Zündung nach dem Auslösen der Zündung des Vorgemischs bereitgestellt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung des mittleren induzierten Drucks bzw. des mittleren effektiven Bremsdrucks (BMEP – brake mean effective pressure), während der Zylinderspitzendruck unter einem wünschenswerten maximalen Zylinderdruck gehalten wird, indem die Einspritzung nach der Zündung verwendet wird.
Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch einen verbesserten Verbrennungsmotor verwirklicht, der in einem Modus der Kompressionszündung eines Vorgemischs betreibbar ist und bei dem mindestens ein Teil des Kraftstoffs in einem PCCI-Verbrennungsvorgang verbrannt wird, der aufweist einen Motorkörper mit Kolbenaufbau, eine Brennkammer, die im Motorkörper durch den Kolbenaufbau gebildet ist, ein Ansaugsystem zur Zuführung von Ansaugluft zur Verbrennungskammer, eine Mischvorrichtung, die einen ersten Kraftstoff mit der Ansaugluft mischt, um ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff bereitzustellen, wobei das Zünden der vogemischten Ladung oder des Vorgemisches durch Kompressionszündung ausgelöst wird, einen Direktkraftstoffinjektor, der dazu geeignet ist, einen zweiten Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, ein Steuersystem, das dazu geeignet ist, den Direktkraftstoffinjektor so zu steuern, daß er eine Einspritzung nach der Zündung durchführt, bei der der zweite Kraftstoff direkt in die Brennkammer nach dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs in der Brennkammer eingespritzt wird. In dieser Hinsicht wird der zweite Kraftstoff vorzugsweise bei mindestens einem der Zeitpunkte nämlich während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer in die Brennkammer eingespritzt.
Gemäß einer Ausführungsform sind der erste und der zweite Kraftstoff vom gleichen Typ, wie Erdgas oder Dieselkraftstoff. Bei einer anderen Ausführung sind der erste und der zweite Kraftstoff unterschiedlich. Bei der bevorzugten Ausführung ist der erste Kraftstoff Erdgas, während der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff ist. Nach einer bevorzugten Ausführung ist das Steuersystem außerdem dazu geeignet, mindestens einen der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs zu steuern, der vom Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird. In dieser Hinsicht kann das Steuersystem dazu geeignet sein, die Menge des zweiten Kraftstoffs, die vom Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird, in Bezug auf die Menge des ersten Kraftstoffs auf der Grundlage mindestens eines der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors variabel zu steuern. Der zweite Kraftstoff, der vom Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird, kann 0,1 bis 50% der gesamten Kraftstoffmenge ausmachen, die in der Brennkammer verbrannt wird, oder kann vorzugsweise 0,1 bis 25% der gesamten Kraftstoffmenge ausmachen, die in der Brennkammer verbrannt wird. Wenn der Verbrennungsmotor außerdem eine Vielzahl von Zylindern besitzt, kann die Menge des zweiten Kraftstoffs, die eingespritzt wird, in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder auf einmal variiert werden.
Nach einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung kann der Verbrennungsmotor außerdem einen Sensor umfassen, der ein Signal erzeugt, das den Zylinderdruck in der Brennkammer anzeigt. Der Sensor kann mindestens eines der Elemente Drucksensor, Beschleunigungsmesser, Ionensensor, optische Diagnose, Dehnungsmeßgeräte, Lastscheibe, schnelles Thermoelement, Drehmomentsensor, Drehzahlsensor und Emissionensensor sein. Der Direktkraftstoffinjektor kann dazu geeignet sein, den zweiten Kraftstoff einzuspritzen, wenn der Sensor eine vorausbestimmte Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer erfaßt. In dieser Hinsicht kann die Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs durch das Steuersystem gesteuert werden, um einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck aufrecht zu erhalten, der während eines vorausbestimmten Hubbereichs des Kolbenaufbaus nicht größer ist als der maximale wünschenswerte Zylinderdruck, wobei der mittlere induzierte Druck (BMEP) des Motors gesteigert wird.
Die Mischvorrichtung kann mindestens eines der Elemente Vergaser, Ventilbzw. Drosselkörperinjektor und Öffnungskraftstoffinjektor umfassen, das dazu geeignet ist, Luft und den ersten Kraftstoff der Brennkammer vorgeschaltet zu mischen. Als Alternative oder zusätzlich kann die Mischvorrichtung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung sein, die dazu geeignet ist, den ersten Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen. Bei einer solchen Ausführung kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung der Direktkraftstoffinjektor selbst sein, so daß der Direktkraftstoffinjektor sowohl den ersten Kraftstoff, als auch den zweiten Kraftstoff der Brennkammer zuführt, und kann außerdem ein Hochdrucksystem umfassen, um den ersten Kraftstoff vor dem Direkteinspritzen des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer mit Druck zu beaufschlagen. Bei anderen Ausführungen kann die Mischvorrichtung ein erster Direktkraftstoffinjektor sein, der dazu geeignet ist, den ersten Kraftstoff in die Brennkammer einzuspritzen, und der Direktkraftstoffinjektor kann ein zweiter Direktkraftstoffinjektor sein, der dazu gecxeignet ist, den zweiten Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen. Außerdem kann der Direktkraftstoffinjektor bei allen Ausführungen zusätzlich dazu geeignet sein, eine Einspritzung bereitzustellen, wie eine Voreinspritzung oder frühe Steuereinspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer festzulegen.
Außerdem und nach den Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben anhand eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch verwirklicht, bei dem mindestens ein Teil des Kraftstoffs in einem PCCI-Verbrennungsvorgang verbrannt wird, wobei der Verbrennungsmotor einen Kolbenaufbau umfaßt, der eine Brennkammer bildet, wobei das Verfahren die Schritte des Zuführens mindestens der Ansaugluft zur Brennkammer während des Ansaughubs des Kolbenaufbaus umfaßt, wodurch ein erster Kraftstoff mit der Ansaugluft gemischt wird, um ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff zu ergeben, und wobei auf den Ansaughub der Kolbeneinheit ein Kompressionshub folgt, der das Vorgemisch zündet, wobei das Zünden der vorgemischten Ladung oder des Vorgemisches durch Kompressionszündung ausgelöst wird, und wobei ein zweiter Kraftstoff direkt in die Brennkammer nach dem Beginn des Zündens des Vorgemischs eingespritzt wird. In dieser Hinsicht wird der zweite Kraftstoff vorzugsweise direkt in die Brennkammer zu mindestens einem der Zeitpunkte nämlich während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer direkt eingespritzt.
Nach anderen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können der erste und der zweite Kraftstoff vom gleichen Typ sein, wie Erdgas. Als Alternative können der erste und der zweite Kraftstoff unterschiedliche Kraftstoffe sein. In dieser Hinsicht kann der erste Kraftstoff Erdgas und der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff sein. Das vorliegende Verfahren kann auch einen Schritt zum Steuern von mindestens einem der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs auf der Grundlage einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors sein. In dieser Hinsicht kann die vorliegende Methode einen Schritt umfassen, bei dem die Menge des zweiten eingespritzten Kraftstoffs in Bezug auf die Menge des ersten Kraftstoffs auf der Grundlage mindestens eines der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors variabel gesteuert wird. Der zweite direkt in die Brennkammer eigespritzte Kraftstoff kann 0,1 bis 50% des gesamten in der Brennkammer verbrannten Kraftstoffs ausmachen oder vorzugsweise 0,1 bis 25 Prozent des gesamten in der Brennkammer verbrannten Kraftstoffs. Wenn der Verbrennungsmotor außerdem eine Vielzahl Zylinder besitzt, kann die Menge des zweiten Kraftstoffs, die eingespritzt wird, in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder auf einmal variiert werden.
Nach einer anderen Ausführung kann das vorliegende Verfahren auch einen Schritt zum Erfassen des Zylinderdrucks in der Brennkammer umfassen und das Direkteinspritzen des zweiten Kraftstoffs auf der Grundlage des erfaßten Zylinderdrucks. In dieser Hinsicht kann der Zylinderdruck durch einen Sensor erfaßt werden, der ein Signal erzeugt, das den Zylinderdruck anzeigt, wie mindestens eines der Elemente Drucksensor, Beschleunigungsmesser, Ionensensor, optische Diagnose, Dehnungsmessgeräte, Lastscheibe, schnelles Thermoelement, Drehmomentsensor, Drehzahlsensor und Emissionssensoren. Der zweite Kraftstoff kann direkt in die Brennkammer nach dem Erfassen einer vorausbestimmten Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer eingespritzt werden. Außerdem kann das vorliegende Verfahren einen Schritt zum Steuern der Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs umfassen, um in der Brennkammer für einen vorausbestimmten Hubbereich des Kolbenaufbaus einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck aufrecht zu erhalten, wobei dieser im wesentlichen konstante Zylinderdruck nicht größer sein kann als der wünschenswerte maximale Zylinderdruck in der Brennkammer.
Der erste Kraftstoff kann mit der Luft anhand mindestens eines der Elemente Vergaser, Ventil- bzw. Drosselkörperinjektor, Öffnungskraftstoffinjektor gemischt werden, das den ersten Kraftstoff stromauf der Brennkammer in die Luft einspritzt und anhand eines Direktkraftstoffinjektors, der den ersten Kraftstoff in die Luft der Brennkammer einspritzt. Außerdem kann das vorliegende Verfahren einen Schritt zur Bereitstellung einer Einspritzung umfassen, wie eine Voreinspritzung und/oder eine frühe Steuereinspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer festzulegen.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dank der folgenden Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung kombiniert mit den begleitenden Zeichnungen verdeutlicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Zylinders des Verbrennungsmotors nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Zylinders des Verbrennungsmotors nach einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine grafische Darstellung der Brennkammerkenndaten des Stands der Technik des Verbrennungsmotors im herkömmlichen PCCI-Modus.
4 ist eine grafische Darstellung der Brennkammerkenndaten eines Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine vergleichende grafische Darstellung, die die Wärmeabgaberate eines Verbrennungsmotors im herkömmlichen PCCI-Betrieb zeigt und einen anderen Verbrennungsmotor im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine grafische Darstellung der Menge des zweiten Kraftstoffs, der direkt in die Brennkammer eingespritzt wird und des mittleren induzierten Drucks des Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine grafische Darstellung der Verbrennungseffizienz und der entsprechenden mittleren induzierten Drücke eines Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
8A ist eine grafische Darstellung der Kohlenwasserstoffemissionsniveaus und der entsprechenden mittleren induzierten Drücke eines Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
8B ist eine grafische Darstellung der Kohlenmonoxidemissionsniveaus und der entsprechenden mittleren induzierten Drücke des Verbrennungsmotors nach 8A.
8C ist eine grafische Darstellung der Stickstoffoxidemissionsniveaus und der entsprechenden mittleren induzierten Drücke des Verbrennungsmotors nach 8A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie nachfolgend im Detail beschrieben ist, stellt einen verbesserten Verbrennungsmotor bereit, der im Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch betrieben werden kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motors, das die Kraftstoffeffizienz unter Verringerung der Abgasemissionen, die umweltschädigend sein können, steigert. In dieser Hinsicht wird anfänglich darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung bei verschiedenen Typen von Verbrennungsmotoren verwendet werden kann, die verschiedene Kraftstoffe verbrennen, darunter (ohne einschränkende Wirkung) Erdgas, Benzin, Dieselkraftstoff, Rohbenzin, Propan und/oder andere Kraftstoffe. Außerdem und wie oben beschrieben, bezieht sich der Ausdruck Kompressionszündbetrieb mit Vorgemisch (nachstehend ”PCCI” genannt) auf jeden Motor oder Verbrennungsprozess, bei dem: 1. der Großteil des Kraftstoffs ausreichend mit Luft vorgemischt wird, um ein brennbares Gemisch in der ganzen Charge bzw. Ladung im Zeitpunkt des Zündens zu ergeben, und bei dem 2. das Zünden durch Kompressionszündung ausgelöst wird, so daß Motoren mit Kompressionszündung mit homogenem Gemisch (HCCI) inbegriffen sind. Es wird darauf hingewiesen, daß der Begriff PCCI, so wie er hier verwendet wird, den Gebrauch von Zündzeitbestimmungsmechanismen nicht ausschließt, wie von Voreinspritzungen und Funkenzündung, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung eines Vorgemischs präzis festzulegen, wobei der größte Teil des Vorgemischs durch Kompressionszünden ohne Anwesenheit einer selbsterhaltenden voraneilenden Flammenfront verbrennt, wie das beim Motor mit Funkenzündung der Fall ist. Das erlaubt es dem PCCI-Motor, ein Gemisch zu verbrennen, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flammenfront zu nähren, was ein Vorgemisch zulässt, das magerer ist als das, das ein Motor mit Funkenzündung zulässt. Daher kann der Einsatz von Zündzeitbestimmungsmechanismen auch auf die vorliegende Erfindung angewandt werden.
1 zeigt allgemein ein Beispiel eines PCCI-Verbrennungsmotors 10, auf den eine Ausführung der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann. Wie gezeigt umfaßt der Verbrennungsmotor 10 einen Motorkörper 12 mit einem darin hin und her bewegbar eingebauten Kolbenaufbau 14. Der Kolbenaufbau 14 bildet eine Brennkammer 16 im Motorkörper 12 wie nach dem Stand der Technik bekannt. Der Verbrennungsmotor 10 umfaßt außerdem ein Einlaß- bzw. Ansaugsystem 18 zur Zuführung von Einlaß- bzw. Ansaugluft zur Brennkammer 16 über ein Einlaß- bzw. Ansaugventil 20. Es wird hervorgehoben, daß 1 nur einen Zylinder darstellt, daß die vorliegende Erfindung jedoch für Verbrennungsmotoren mit verschiedenen Konfigurationen angewandt werden kann, darunter auch auf Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern, zum Beispiel vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf oder sechzehn Zylindern usw.
Nach der dargestellten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt der Verbrennungsmotor 10 eine Mischvorrichtung, wie einen Öffnungskraftstoffinjektor 22, der dazu geeignet ist, die Ansaugluft und einen ersten Kraftstoff 23 stromauf der Brennkammer 16 zu mischen und dadurch der Brennkammer 16 ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff 23 bereitzustellen. In der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs aus Luft und dem ersten Kraftstoff 23 magerer sein als 0,5. Natürlich können bei anderen Ausführungen reichere bzw. fettere Äquivalenzverhältnisse verwendet werden, wie 1,0 oder sogar Gemische, die reicher bzw. fetter sind als stöchiometrisch. Außerdem kann bei der dargestellten Ausführung der erste Kraftstoff 23 Erdgas sein, aber in anderen Ausführungen kann der erste Kraftstoff 23 auch Benzin oder einer anderer Kraftstofftyp oder Mischungen von Kraftstoffen sein. Außerdem wird betont, daß andere Mischvorrichtungen an Stelle des Öffnungskraftstoffinjektors 22 verwendet werden können, wie ein Vergaser oder ein Ventil- bzw. Drosselkörperinjektor, die aus dem Stand der Technik gut bekannt sind. Das Vorgemisch aus Luft und erstem Kraftstoff 23 wird der Brennkammer 16 zugeführt, und wenn der Kolbenaufbau das Vorgemisch komprimiert, wird das Vorgemisch auf Grund des gesteigerten Drucks und der Temperatur in der Brennkammer 16 in einem PCCI-Verbrennungsvorgang verbrannt.
Außerdem wird der Verbrennungsmotor 10 nach der vorliegenden Erfindung mit einem Direktkraftstoffinjektor 26 versehen, der dazu geeignet ist, einen zweiten Kraftstoff 27 bevorzugt unter Hochdruck in die Brennkammer 16 direkt einzuspritzen. In der hier beschriebenen Ausführung kann der zweite Kraftstoff 27 Dieselkraftstoff sein, von dem die Erfinder festgestellt haben, daß es sehr wünschenswerte Zünd- und Verbrennungseigenschaften liefert, wenn es gemeinsam mit dem Erdgas des ersten Kraftstoffs 23 so verwendet wird, wie weiter unten detailliert beschrieben. Natürlich können andere Ausführungen, andere Kraftstofftypen oder Kraftstoffgemische ebenso verwendet werden, darunter auch Erdgas.
Der Direktkraftstoffinjektor 26 ist zur Kommunikation mit einem Steuersystem verbunden, zum Beispiel mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU – electrical control unit) 30, die in der Ausführung nach 1 dargestellt und dazu geeignet ist, den Direktkraftstoffinjektor 26 zu steuern. Insbesondere und nach der vorliegenden Erfindung ist die ECU 30 dazu geeignet, den Direktkraftstoffinjektor 26 so zu steuern, daß eine Einspritzung nach der Zündung erfolgt, wobei der zweite Kraftstoff 27 direkt in die Brennkammer 16 nach dem Beginn des Zündens des Vorgemischs in der Brennkammer 16 eingespritzt wird. In dieser Hinsicht kann die ECU 30 einen Prozessor umfassen, wie einen Mikro-Controller, Mikroprozessor oder eine andere geeignete Mikrorecheneinheit, zum Steuern des Direktkraftstoffinjektors 26 oder anderer Bauteile des Verbrennungsmotors 10 nach einem weiter unten beschriebenen Verfahren.
Es wird hervorgehoben, daß der Begriff ”Zündung” vom allgemeinen Begriff ”Verbrennung” zu unterscheiden ist. So wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff ”Zündung” das eigentliche Einsetzen der Verbrennung oder den Start der Verbrennung, während der Begriff ”Verbrennung” generell den Verbrennungsvorgang von Kraftstoff bezeichnet. Diese Unterscheidung ist dadurch signifikant, daß der zweite Kraftstoff 27 in die Brennkammer 16 nach dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs eingespritzt wird. In dieser Hinsicht wird der zweite Kraftstoff vorzugsweise in die Brennkammer 16 zu mindestens einem der Zeitpunkte, während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer 16 eingespritzt. So kann der zweite Kraftstoff 27 nämlich tatsächlich während der Verbrennung des Vorgemischs eingespritzt werden oder sogar nach der PCCI-Verbrennung des Vorgemischs.
Durch das Verbrennen des Vorgemischs aus Luft und erstem Kraftstoff 23 sowie des direkt eingespritzten zweiten Kraftstoffs 27 wird der Kolbenaufbau 14 im Motorkörper 12 nach unten geschoben, und die Kolbeneinheit 14 überträgt Kräfte, die bei der Verbrennung entstehen, an das (nicht dargestellte) Motorantriebssystem, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Verbrennungsabgase werden aus der Brennkammer 16 über das Auslaß- bzw. Abgasventil 32 und ein Abgassystem 34 abgeleitet, die ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eignet sich das Steuersystem, wie die ECU 30, dazu, mindestens einen der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs 27 zu steuern, der vom Direktkraftstoffinjektor 26 eingespritzt wird, und vorzugsweise auch die Mischvorrichtung, wie den Öffnungskraftstoffinjektor 22, wie in 1 gezeigt. Der Direktkraftstoffinjektor 26 des Verbrennungsmotors 10 kann dann von der ECU 30 gesteuert werden, um die Menge des zweiten Kraftstoffs 27 zu steuern, die in Bezug auf die Menge des ersten Kraftstoffs 23 über den Öffnungskraftstoffinjektor 22 basierend auf einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors 10 basierend auf der Betriebsart des Verbrennungsmotors 10 oder basierend auf anderen Bedingungen variabel gesteuert wird. Die oben erwähnte Steuerung der Einspritzparameter kann zum Beispiel auf einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors 10 aufbauen, wie auf der Temperatur, Last, Drehzahl, Drosselklappenstellung usw. und/oder wie anders vom Bediener vorgegeben. In dieser Hinsicht können die Anteile des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 in einer Bezugstabelle nach dem Stand der Technik oder anders von der ECU 30 berechnet werden. Außerdem sollte berücksichtigt werden, daß die oben beschriebene Ausführung, bei der eine Menge des zweiten eingespritzten Kraftstoffs 27 variabel gesteuert wird, nur ein Beispiel darstellt, und daß bei anderen Ausführungen andere Parameter von der ECU 30 variabel gesteuert werden können, wie die oben erwähnten Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, und/oder Einspritzrate.
Es wird auch darauf hingewiesen, daß 1 zwar sowohl das Einspritzen des ersten Kraftstoffs 23 als auch das Einspritzen des zweiten Kraftstoffs 27 durch den Direktkraftstoffinjektor 26 zeigt, daß diese beiden Vorgänge typisch jedoch nicht gleichzeitig eintreten. Wie bereits besprochen, spritzt der Öffnungskraftstoffinjektor 22 den ersten Kraftstoff 23 in die Ansaugluft ein und stellt dadurch ein Vorgemisch bereit, das dann der Brennkammer 16 durch das Ansaugventil 20 zugeführt wird. Während das Vorgemisch in der Brennkammer 16 gezündet wird, spritzt der Direktkraftstoffinjektor 26 den zweiten Kraftstoff 27 in die Brennkammer 16 ein und stellt dadurch die Einspritzung nach der Zündung nach der vorliegenden Erfindung bereit.
Es wird auch hervorgehoben, daß die relativen Anteile des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 umfangreich in Abhängigkeit von verschiedenen Parameter und Betriebsbedingungen variiert werden können. In dieser Hinsicht wird eingangs darauf hingewiesen, daß eine ausführliche Besprechung der Strategien für den Betrieb und die Steuerung eines Motors, der im PCCI-Betrieb betrieben werden kann, in der Patentanmeldung mit dem Titel ”Multiple Operating Mode Engine And Method Of Operation” enthalten ist, die gleichzeitig mit der vorliegenden Patentanmeldung am 8. Mai 2001 eingereicht wurde (Docket Nr. 740270-2697; Serien-Nr. unbekannt), und dessen kompletter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird.
Was die vorliegende Erfindung betrifft, kann die anteilsmäßige Menge des ersten Kraftstoffs 23, die über den Öffnungskraftstoffinjektor 22 eingespritzt wird, unter gewissen Betriebsbedingungen und Betriebsarten des Verbrennungsmotors 10 sogar nur 1% des gesamten Kraftstoffs ausmachen, der verbrannt wird, während die anteilsmäßige Menge des zweiten eingespritzten Kraftstoffs 27 bis 99% des gesamten in die Brennkammer 16 zum Verbrennen eingespritzten Kraftstoffs ausmachen kann. Fälle, in welchen eine solche anteilsmäßige Menge des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 eingespritzt wird, können während des Anlassen des Verbrennungsmotors 10 oder während des Betriebs mit kaltem Motor liegen, bei welchen die PCCI-Verbrennung des Vorgemischs schwierig zu verwirklichen sein kann. Es sollte auch beachtet werden, daß sich der Begriff ”gesamter Kraftstoff”, so wie er hier verwendet wird, auf die Summe des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 gemeinsam auf der Grundlage irgend eines messbaren Parameters bezieht. Wenn die beiden Kraftstoffe zum Beispiel äquivalent gemessen werden können, kann die relative Menge des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 basierend auf dem Volumen oder der Masse bestimmt werden. In anderen Fällen kann die relative Menge der Kraftstoffe auf dem Energiegehalt gemessen werden, zum Beispiel in BTU oder Joule, etc.
Umgekehrt kann unter anderen Betriebsbedingungen oder bei anderen Betriebsarten des Verbrennungsmotors 10 die anteilmäßige Menge des ersten Kraftstoffs 23, der vom Öffnungskraftstoffinjektor 22 eingespritzt wird, sehr groß sein, wie zum Beispiel 99,9% des gesamten Kraftstoffs, der verbrannt wird, während die anteilsmäßige Menge des zweiten Kraftstoffs 27, die vom Direktkraftstoffinjektor 26 in die Brennkammer 16 eingespritzt wird, sehr gering ist, zum Beispiel nur 0,1% des gesamten Kraftstoffs, der in der Brennkammer 16 verbrannt werden soll. Fälle, bei welchen eine solche anteilsmäßige Menge des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 eingespritzt wird, können während des im wesentlichen stabilen Betriebs des Verbrennungsmotors auftreten, während welcher die Kraftstoffeffizienz und verringerten Emissionen sowie die anderen Vorteile der PCCI-Verbrennung zur Ganze verwirklicht werden können. Natürlich sind die beiden oben beschriebenen Szenarien Extrembeispiele, die einen Beispielbereich der anteilsmäßigen Mengen des ersten Kraftstoffs 23, der vom Öffnungskraftstoffinjektor 22 eingespritzt wird, und des zweiten Kraftstoffs 27, der vom Direktkraftstoffinjektor 26 eingespritzt wird, allgemein illustrieren sollen. Der Verbrennungsmotor 10 kann in einer Betriebsweise betrieben werden, bei der die anteilsmäßigen Mengen des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 irgendwo zwischen den beiden oben genannten Extrembeispielen liegen.
Außerdem kann die ECU dazu geeignet sein, den Anteil des ersten Kraftstoffs 23 und des zweiten Kraftstoffs 27 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 bei sich ändernden Betriebsbedingungen variabel zu steuern. So kann beim Anlassen, wenn der Verbrennungsmotor 10 kalt ist, der erste Kraftstoff 23 über den Öffnungskraftstoffinjektor 22 in sehr geringer Menge, wie zum Beispiel 1% des gesamten Kraftstoffs, der verbrannt werden soll, eingespritzt werden, während die anteilsmäßige Menge des zweiten Kraftstoffs 27, die eingespritzt wird, sehr hoch ist, wie zum Beispiel 99% des gesamten in der Brennkammer 16 zu verbrennenden Kraftstoffs. Der Verbrennungsmotor 10 kann in dieser Betriebsweise für eine kurze Dauer betrieben werden, um den Motor schnell zu erwärmen. Wenn die Motortemperatur steigt, kann die anteilsmäßige Menge des ersten Kraftstoffs 23 allmählich gesteigert werden, während die Menge des zweiten Kraftstoffs 27 entsprechend verringert wird. Zum Beispiel kann der Motor bei einer bestimmten Temperatur des Verbrennungsmotors 10 in einer Betriebsweise betrieben werden, bei der der erste Kraftstoff 23 und der zweite Kraftstoff 27 jeweils 50% des zu verbrennenden Kraftstoffs stellen. Wenn die Temperatur des Verbrennungsmotors 10 weiter steigt, kann die anteilsmäßige Menge des ersten Kraftstoffs 23 weiter allmählich gesteigert werden, während die anteilsmäßige Menge des zweiten Kraftstoffs 27 entsprechend verringert wird. Wenn die Temperatur des Verbrennungsmotors 10 weiter steigt, können die Anteile der Kraftstoffe so geändert werden, daß die Menge des ersten Kraftstoffs 23, die über den Öffnungskraftstoffinjektor 22 eingespritzt wird, sehr groß wird, wie zum Beispiel 99,9%, während die Menge des zweiten Kraftstoffs 27, der vom Direktkraftstoffinjektor 26 in die Brennkammer 16 eingespritzt wird, sehr gering wird, wie zum Beispiel 0,1%, so daß die Vorteile, wie die gesteigerte Kraftstoffeffizienz und die verringerten Emissionen sowie die anderen Vorteile der PCCI-Verbrennung, voll verwirklicht werden.
Natürlich ist zu berücksichtigen, daß die oben stehende Besprechung des variablen Steuerns der anteilsmäßigen Menge des ersten und des zweiten Kraftstoffs auf der Grundlage eines Motorparameters, nämlich der Temperatur des Motors geändert wird, nur ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ist. Die anteilsmäßige Menge des ersten und des zweiten Kraftstoffs kann variabel auf der Grundlage irgendeines bekannten Motorparameters gesteuert werden, wie zum Beispiel in Abhängigkeit von Last, Drehzahl, Drosselklappenposition usw., und/oder wie vom Bediener festgelegt. Wie oben bereits erwähnt, kann die anteilsmäßige Menge des ersten und des zweiten Kraftstoffs außerdem vorprogrammiert oder anders von der ECU 30 berechnet werden. Außerdem kann die ECU bei Anwendungen, bei welchen der Verbrennungsmotor 10 mehrere Zylinder aufweist, wie vier, sechs, acht usw., dazu geeignet sein, die relativen Anteile des ersten und des zweiten Kraftstoffs für jeden Zylinder getrennt zu ändern. Zum Beispiel können weniger als alle Zylinder der Vielzahl der Zylinder auf einmal von einer Betriebsart, bei der der Großteil des Kraftstoffs Dieselkraftstoff ist, auf eine Betriebsart übergeführt werden, bei der der Großteil des Kraftstoffs Erdgas ist, um dadurch das Übergehen der Betriebsweise des Verbrennungsmotors 10 noch weiter zu erleichtern. So kann der Verbrennungsmotor 10 wie oben beschrieben von der ECU 30 gesteuert werden, um in verschiedenen Betriebsarten mit unterschiedlichen Anteilen des ersten und des zweiten Kraftstoffs betrieben zu werden, so daß eine optimale Verbrennung und ein optimaler Betrieb des Verbrennungsmotors 10 verwirklicht werden.
Um jedoch minimale Abgasemissionen vor allem bei Anwendungen sicherzustellen, bei welchen der zweite Kraftstoff 27 Dieselkraftstoff und der erste Kraftstoff 23 Erdgas ist, wie das bei der vorliegenden Ausführung der Fall ist, kann der zweite vom Direktkraftstoffinjektor 26 eingespritzte Kraftstoff 0,1 bis 50 Prozent des gesamten in der Brennkammer 16 verbrannten Kraftstoffs darstellen. Vorzugsweise stellt der zweite Kraftstoff 27 0,1 bis 25 Prozent des gesamten in der Brennkammer 16 verbrannten Kraftstoffs dar. Außerdem kann die ECU 30 bei der bevorzugten Ausführung dazu geeignet sein, mindestens eines der Elemente Mischvorrichtung 22 und Direktkraftstoffinjektor 26 zu steuern, um eine Einspritzung, wie eine Voreinspritzung oder frühe Steuereinspritzung, vor dem Zünden des Vorgemischs vor dem Einsetzen der Zündung einzuspritzen, um den Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer 16 zeitlich genau zu steuern. Durch variables Steuern der Einspritzung des zweiten Kraftstoffs 27 in die Brennkammer 16 können die Verbrennungskenndaten schnell geändert oder anders gesteuert werden, um eine optimale Verbrennung auf der Grundlage der verschiedenen Betriebsbedingungen des. Verbrennungsmotors 10 wie beschrieben bereitzustellen. So kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, die Kraftstoffeffizienz zu steigern, die Abgasemissionen und vor allem die NOx-Emissionen zu minimieren und die Betriebskosten zu senken.
2 zeigt einen Verbrennungsmotor 110 nach einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Verbrennungsmotor 110 ist ähnlich wie bei der Ausführung der 1, denn er umfaßt einen Motorkörper 112 mit einem darin hin und her bewegbar eingebauten Kolbenaufbau 114, wobei der Kolbenaufbau 114 eine Brennkammer 116 bildet. Der Verbrennungsmotor 110 umfaßt außerdem ein Einlaß- bzw. Ansaugsystem 118 zur Zuführung von Einlaß- bzw. Ansaugluft zur Brennkammer 116 über ein Einlaß- bzw. Ansaugventil 120 sowie ein Auslaß- bzw. Abgasventil 132 und ein Abgassystem 134 zum Ableiten der Verbrennungsabgase aus der Brennkammer 116. Außerdem umfaßt der Verbrennungsmotor 110 einen Direktkraftstoffinjektor 126, der von einem Steuersystem, wie von der ECU 130, so gesteuert wird, daß er Kraftstoff direkt in die Brennkammer 116 nach dem Zünden des Vorgemischs in der Brennkammer 116 eispritzt, wie für die Ausführung der 1 beschrieben.
Der Verbrennungsmotor 110 der in 2 dargestellten Ausführung umfaßt jedoch keinen Vergaser, Ventil- bzw. Drosselkörperinjektor oder Öffnungskraftstoffinjektor als Mischvorrichtung. Statt dessen ist die Mischvorrichtung der Direktkraftstoffinjektor 126 selbst, so daß der Direktkraftstoffinjektor 126 auch die Funktion des Mischens des ersten Kraftstoffs mit der Luft sowie die Funktion des Direkteinspritzens des zweiten Kraftstoffs erfüllt. In dieser Hinsicht sind bei dieser Ausführung der erste und der zweite Kraftstoff vorzugsweise der gleiche Kraftstoff, zum Beispiel Erdgas. Natürlich können bei anderen Ausführungen der erste und der zweite Kraftstoff, die vom Direktkraftstoffinjektor 126 eingespritzt werden, auch andere Kraftstoffe sein, darunter Dieselkraftstoff, Benzin, Rohbenzin oder Propan. Hier ist der Direktkraftstoffinjektor 126 dazu geeignet, anfangs das Erdgas (oder den ersten Kraftstoff) in die Ansaugluft in der Brennkammer 116 einzuspritzen, welche Ansaugluft bereits angesaugt wurde oder gerade angesaugt wird, so daß das Erdgas und die Ansaugluft in ein Vorgemisch gemischt werden und im PCCI-Betrieb gezündet werden. Nach dem Zünden des Vorgemischs erfolgt eine Nachzündungseinspritzung des zweiten Kraftstoffs 127, der in diesem Beispiel gleich ist wie der erste Kraftstoff, nämlich Erdgas, und zwar durch den Direktkraftstoffinjektor 126 bevorzugt in mindestens einem der Zeitpunkte Verbrennung des Vorgemischs und/oder kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer 116. In der dargestellten Ausführung erfüllt der Direktkraftstoffinjektor 126 daher die Funktionen der Mischvorrichtung und des Direktkraftstoffinjektors der Ausführung der 1.
Es ist zu beachten, daß diese Betriebsweise weitgehend dadurch ermöglich wird, daß sowohl der erste Kraftstoff als auch der zweite Kraftstoff der gleiche Kraftstoff ist, zum Beispiel Erdgas, oder bei anderen Ausführungen andere Kraftstofftypen, wie Dieselkraftstoff oder Kraftstoffmischungen. Ein Vorteil des Einsatzes von Erdgas besteht darin, daß Erdgas ein Kraftstoff in Gasphase ist, so daß Überpenetration und Wandbenetzungsprobleme von Kraftstoffen in Flüssigphase im Wesentlichen eliminiert werden. Es sollte auch berücksichtigt werden, daß bei einer solchen Ausführung ein Hochdrucksystem (nicht dargestellt) wünschenswert ist, um das Erdgas vor dem Direkteinspritzen in die Brennkammer 116 mit Druck zu beaufschlagen, um ein gutes Vormischen des Erdgases mit Luft in der Brennkammer 116 sicher zu stellen. Jedoch wäre bei einer Ausführung, bei der Erdgas als erster und als zweiter Kraftstoff verwendet wird, ein Hochdrucksystem erforderlich, das zu parasitärem Leistungsverlust beim Betrieb des Verbrennungsmotors 110 führen und seine Gesamteffizienz beeinträchtigen kann. Natürlich muß auch beachtet werden, daß der Direktkraftstoffinjektor 126 der 2 auch dazu geeignet sein kann, eine andere Einspritzung durchzuführen, wie eine Voreinspritzung oder eine frühe Steuereinspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs, so daß der SOC des Vorgemischs in der Brennkammer 116 genau festgelegt werden kann.
Bei anderen Ausführungen kann der Direktkraftstoffinjektor 126 so konzipiert sein, daß er zum Einspritzen des ersten und des zweiten Kraftstoffs geeignet ist, auch wenn diese Kraftstoffe unterschiedlicher Art sind. Bei anderen Ausführungen, und wenn der erste und der zweite Kraftstoff nicht der gleiche Kraftstoff sind, wie zum Beispiel wenn der erste Kraftstoff Erdgas und der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff ist, kann ein anderer Direktkraftstoffinjektor (nicht dargestellt) für den spezifischen Zweck des Direkteinspritzens von Erdgas in die Brennkammer 116 vorgesehen werden, so daß ein Vorgemisch bereitgestellt wird. Bei einer solchen Ausführung werden also zwei Direktkraftstoffinjektoren bereitgestellt, ein erster Direktkraftstoffinjektor zum Einspritzen des ersten Kraftstoffs und ein zweiter Direktkraftstoffinjektor zum Einspritzen des zweiten Kraftstoffs in die Brennkammer 116. Bei solchen Ausführungen wird als zweiter Kraftstoff ein Kraftstoff ausgewählt, der leichter kompressionszündbar ist als der erste Kraftstoff. Für den Fall, daß die die zwei Kraftstoffe unterschiedlich sein sollten, kann die Ausführung der 1, die oben besprochen wurde, günstiger sein, da die Mischvorrichtung, wie zum Beispiel ein Öffnungskraftstoffinjektor, Ventil- bzw. Drosselkörperinjektor oder Vergaser der Brennkammer vorgeschaltet erlaubt, daß zuerst der erste Kraftstoff mit Luft während einer längeren Dauer gemischt wird, so daß das Vorgemisch homogener ist, was eine sehr wirtschaftliche Lösung darstellt.
Der Verbrennungsmotor 110 in der Ausführung der 2 umfaßt außerdem verschiedene optionale Features, die hierunter besprochen werden und nicht erforderlich sind, um die vorliegende Erfindung umzusetzen, die jedoch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können, um einen Verbrennungsmotor herzustellen, der in einer optimierten PCCI-Betriebsart betrieben wird, die die Kraftstoffeffizienz unter Verringerung der Abgasesmissionen noch weiter maximiert. Wie aus 2 ersichtlich, umfaßt der Verbrennungsmotor 110 einen optionalen Sensor 136, der ein Signal erzeugt, das den Druck in der Brennkammer 116 anzeigt. Der Sensor 136 ist vorzugsweise ein Sensor, der ein entsprechendes Druckdatensignal 138 erzeugt, das an das Steuersystem weitergeleitet wird, wie zum Beispiel an die ECU 130.
Der Sensor 136 ist zur Kommunikation an das Steuersystem, wie zum Beispiel an die ECU 130 angeschlossen, um vorzugsweise eine Echtzeitmessung des Drucks in der Brennkammer 116 zu liefern. Der Direktkraftstoffinjektor 126 kann dann von der ECU 130 gesteuert werden, so daß er den zweiten Kraftstoff 127 einspritzt, wenn der Sensor 136 eine vorausbestimmte Verringerung des Drucks in der Brennkammer 116 erfaßt. In dieser Hinsicht kann die Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs 127 vom Steuersystem, wie zum Beispiel von der ECU 130, so gesteuert werden, daß ein im wesentlichen konstanter Zylinderdruck aufrecht erhalten wird, der einen wünschenswerten maximalen Zylinderdruck während eines vorausbestimmten Bereichs des Kolbenaufbaus 114 nicht übersteigt, wie zum Beispiel während des Arbeitshubs des Kolbenaufbaus 114.
Es muß beachtet werden, daß der Sensor 136 auf einem oder auf allen Motorzylindern des Verbrennungsmotors 110 vorgesehen werden kann, um bei jedem Zyklus den Druck der entsprechenden Brennkammer 116 zu erfassen. Während bei der vorliegenden Ausführung der Sensor 136, der das Druckdatensignal 138 erzeugt, ein Drucksensor ist, können auch andere Sensoren verwendet werden, die ein Signal erzeugen, das den Zylinderdruck angibt, wie zum Beispiel durch die Nutzung von Druckdaten in Wechselwirkung. Zu solchen Sensoren gehören Beschleunigungsmesser, Ionensensoren, optische Diagnosen, Dehnungsmeßgeräte, Lastscheiben, schnelle Thermoelemente im Zylinderkopf oder in seiner Nähe, in der Zylinderbüchse oder im Kolben. Auch Drehmoment- oder Drehzahlsensoren können verwendet werden, um die Änderung des Motordrehmoments und der Motordrehzahl in Zusammenhang mit jedem Verbrennungsvorgang zu erfassen. Als Alternative oder zusätzlich können Emissionssensoren verwendet werden, um Emissionen zu erfassen, die eine bekannte Wechselwirkung mit dem Druck haben, der von der Verbrennung in der Brennkammer erzeugt wird. Obwohl diese Sensoren Zylinderdruckdaten nicht direkt bereitstellen oder direkte Information über den Verbrennungsvorgang geben, können sie in Verbindung mit Druckwechselwirkungsdaten verwendet werden, die den entsprechenden Zylinderdruck auf der Grundlage eines Parameters beistellen, der von solchen Sensoren gemessen wird. Die Details für Drucksensor, Beschleunigungsmesser, Ionensensor, optische Diagnose, Dehnungsmessgeräte, Lastscheibe, schnelles Thermoelement, Drehmomentsensor, Drehzahlsensor und Emissionssensor sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen hier nicht im Detail besprochen zu werden.
Das Druckdatensignal 138 kann von der ECU 130 auch dazu verwendet werden, um verschiedene Parameter des Verbrennungsmotors 110 zu überwachen und weiter zu steuern, insbesondere angesichts der Tatsache, daß der Verbrennungsmotor 110 nach der vorliegenden Erfindung im PCCI-Betrieb betrieben werden kann, der schwierig zu steuern ist. Es ist jetzt zum Beispiel etabliert, daß der Druck in der Brennkammer 116 die Verbrennungshistorie anzeigt, die den Zeitpunkt enthalten kann, bei dem der Beginn der Verbrennung (SOC) auftritt, sowie die Verbrennungsrate, die Verbrennungsdauer und/oder die Vollständigkeit der Verbrennung. Das erfaßte Druckdatensignal 138 kann daher dazu verwendet werden, den Beginn der Verbrennung (SOC) genau zu bestimmen, der sich auf den Zeitpunkt bezieht, in welchem das Gemisch im Zylinder zu zünden beginnt. In dieser Hinsicht wird der Verbrennungsmotor 110 der in 2 dargestellten Ausführung auch mit einem Kurbelwinkelsensor 140 versehen, der die Winkelposition der Motorkurbel (nicht dargestellt) überwacht, so daß der SOC in Bezug auf die Position der Kurbelwelle referenziert werden kann. Außerdem kann der Kurbelwinkelsensor 140 in Verbindung mit dem Druckdatensignal 138 des Sensors 136 dazu verwendet werden, den Zeitpunkt der Nachzündungseinspritzung des zweiten Kraftstoffs 127 durch den Direktkraftstoffinjektor 126 zeitlich genau festzulegen. Natürlich kann der Kurbelwinkelsensor 140 bei anderen Ausführungen zum genauen zeitlichen Festlegen der Einspritzung des ersten Kraftstoffs sowie einer Vor- und/oder Steuereinspritzung, falls diese bereitgestellt werden, verwendet werden. Daher kann mit der Echtzeitüberwachung des Drucks in der Brennkammer 116 eine Rückkoppel- bzw. Feedbacksteuerung in geschlossener Schleife bzw. Regelung des Verbrennungsmotors 110 erstellt werden, wobei die ECU 130 die Verbrennung und Betriebskenndaten des Verbrennungsmotors 110 genau steuert.
Auf der Grundlage des SOC oder anderer Motorparameter kann die ECU 130 dann eine Vielzahl von Ausgangssignalen mit der Bezugsnummer 142 zum variablen Steuern der Bauteile bzw. Komponenten erzeugen, die mit dem Verbrennungshistorien-Steuersystem zusammenhängen, und die eines oder mehrere der Elemente variable Ventilsteuerung, Kompressorsteuerung, Kühlersteuerung, Radiatorsteuerung, Steuerung des variablen Kompressionsverhältnisses, Kraftstoffsystemsteuerung und/oder Glühkerzen wie gezeigt zum Ändern der Selbstzündungseigenschaft des Gemischs umfassen. Die spezifischen Details der Bauteile zum variablen Steuern in Zusammenhang mit dem Verbrennungshistorien-Steuersystem wurden in der Patentanmeldung Serien-Nr. 09/255,780 besprochen, die am 23. Februar 1999 eingereicht, auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen und auch als Internationale Patentanmeldung PCT/US99/03289 veröffentlicht wurde, und deren gesamter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird. So kann eine Steuerung in geschlossener Schleife bzw. Regelung der PCCI-Verbrennung erstellt werden, um das Steigern der Kraftstoffeffizienz zu unterstützen, während Abgasemissionen minimiert werden.
3 zeigt eine grafische Darstellung eines idealisierten Verbrennungszyklus 210 eines PCCI-Verbrennungsmotors (nicht dargestellt), der im herkömmlichem PCCI-Betrieb arbeitet. Es ist ersichtlich, daß die y-Achse der Logarithmus des Drucks in der Brennkammer (Log (P)) und die x-Achse der Logarithmus des Volumens der Brennkammer (Log (V)) ist, wenn der Kolbenaufbau (nicht dargestellt) innerhalb des Motors während des Verbrennungszyklus 210 hin- und herbewegt wird. Das Segment 212 des Verbrennungszyklus 210 entspricht dem Druck in der Brennkammer, der durch das Zünden und das Verbrennen des Vorgemischs durch Kompression im herkömmlichen PCCI-Betrieb entsteht. Wie anhand des Segments 212 ersichtlich, ist die PCCI-Verbrennung beim idealisierten Verbrennungszyklus 210 sehr kurz und ein Verbrennungsvorgang mit nahezu konstantem Volumen. Eine solche PCCI-Verbrennung kann ultraniedrige NOx-Emissionsniveaus verwirklichen.
Ganz im Gegenteil zu 3, zeigt 4 einen idealisierten Verbrennungszyklus 310 eines PCCI-Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, der eine Nachzündungseinspritzung durch einen Direktkraftstoffinjektor umfaßt. Wie bei 3 entspricht die y-Achse dem Logarithmus des Drucks in der Brennkammer (Log (P)) und die x-Achse dem Logarithmus des Volumens der Brennkammer (Log (V)), wenn der Kolbenaufbau (nicht dargestellt) im Motor während des Verbrennungszyklus hin- und herbewegt wird. Ähnlich wie in 3 entspricht das Segment 312 des Verbrennungszyklus 310 dem Druck in der Brennkammer, der durch das Zünden und das Verbrennen des Vorgemischs erzeugt wird. Wie jedoch auch ersichtlich, umfaßt der Verbrennungszyklus 310 auch ein Segment 314, das dem Aufrechterhalten eines im Wesentlichen konstanten Drucks in der Brennkammer des Verbrennungsmotors durch Direkteinspritzen eines zweiten Kraftstoffs in die Brennkammer entspricht. Wie Segment 314 zeigt, setzt sich die Dehnung bzw. Expansion der Verbrennungscharge bzw. -ladung fast isobarisch (konstanter Druck) fort, bis die Nachzündungseinspritzung oder das Öffnen des Auslaß- bzw. Abgasventils in der Nähe des unteren Totpunkts des Kolbenaufbaus beendet ist. Da das Volumen der Verbrennungscharge während des Teils der Verbrennung mit konstantem Druck, der in Segment 314 gezeigt ist, weiter steigt, steigt auch die Temperatur der Charge, was das Reduzieren der CO- und HC-Emissionen unterstützt, die im allgemeinen bei der PCCI-Verbrennung auftreten. In dieser Hinsicht ist zu beachten, die PCCI-Verbrennung bekannterweise sehr niedrige NOx-Emissionen erzeugt und typisch eine sehr schnelle Wärmefreisetzung zeigt, so daß die Wärmefreisetzung nahezu Konstantvolumenverbrennung ist. Es ist auch bekannt, daß sich bei der Konstantvolumenverbrennung niedrigere Leistungsdichten beim gleichen wünschenswerten maximalen Zylinderdruck unter Verwirklichung der niedrigen NOx-Niveaus der PCCI-Verbrennung ergeben.
Wie bereits erwähnt, ergibt die PCCI-Verbrennung dargestellt durch das Segment 314 typisch ultraniedrige NOx-Emissionsniveaus. Die Verbrennung auf Grund der Direkteinspritzung des zweiten Kraftstoffs nach der Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei der der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff ist, ergäbe NOx-Emissionen mit einer Rate, die ähnlich ist mit dem Diffusionsbrennanteil der Verbrennung bei einem herkömmlichen Dieselmotor. Der zweite Kraftstoff, der direkt eingespritzt wird, würde typisch eine sehr kurze Zündverzögerung aufweisen, da die Temperatur der Brennkammer auf Grund der PCCI-Verbrennung des Vorgemischs bereits sehr hoch wäre. Indem eine Kombination von PCCI-Verbrennung und Diffusionsbrennanteil der Verbrennung in einem herkömmlichen Dieselmotor bereitgestellt wird, kann die vorliegende Erfindung eine signifikante Emissionsverbesserung gegenüber herkömmlichen Dieselmotoren bereitstellen. In ähnlicher Weise sind die Rußniveaus geringer, da bei der PCCI-Verbrennung so gut wie kein Ruß entsteht. In der bevorzugten Ausführung endet die Nachzündeinspritzung durch den Direktkraftstoffinjektor früh genug, um die Rußproduktion zu minimieren.
Außerdem, wie oben bereits beschrieben, wäre der Verbrennungsmotor nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung variabel betreibbar, so daß die anteilsmäßige Menge des ersten Kraftstoffs, der im PCCI-Betrieb verbrannt wird, und die Menge des zweiten Kraftstoffs, der durch Direkteinspritzung in die Brennkammer verbrannt wird, nach den Betriebsbedingungen oder nach der Steuerung durch den Bediener variiert werden kann. Wenn daher anteilsmäßig mehr vom ersten Kraftstoff im PCCI-Betrieb verbrannt werden soll als vom zweiten Kraftstoff, der nach der Zündung eingespritzt wird, verlängert sich das Segment 312, während das Segment 314 gekürzt wird. Umgekehrt, wenn anteilsmäßig weniger vom ersten Kraftstoff im PCCI-Betrieb verbrannt werden soll als vom zweiten Kraftstoff, der nach der Zündung eingespritzt wird, wird das Segment 312 kürzer, während das Segment 314 länger wird.
5 zeigt eine vergleichende Grafik der Wärmefreisetzungsrate eines Verbrennungsmotors im herkömmlichen PCCI-Betrieb mit einem anderen Verbrennungsmotor im PCCI-Betrieb nach einer der Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Wie ersichtlich, zeigt die x-Achse die Kurbelposition vom oberen Totpunkt der Kompression (TDC-Kompression), während die y-Achse die Wärmefreisetzung beim angegebenen Kurbelwinkel zeigt, die in BTU/Kurbelgrad angezeigt ist. Linie 410 stellt die Wärmefreisetzung eines Verbrennungsmotors dar, der im herkömmlichen PCCI-Betrieb arbeitet. Wie aus dem dargestellten Beispiel ersichtlich, steigt die Wärmefreisetzung in der Nähe der TDC-Kompression (0 Grad) dramatisch und schwindet dann schnell bei etwa 5 Grad nach der TDC-Kompression.
Die Linie 420 der 5 stellt die Wärmefreisetzung eines Beispiels eines Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb nach der vorliegenden Erfindung dar, bei der der erste Kraftstoff von einem Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird. Die Linie 420 ist mit Kreisen gekennzeichnet, um sie von der Linie 410 zu unterscheiden, die oben besprochen wurde, wobei die Kreise keine andere Bedeutung haben. Wie ersichtlicht, steigt die Wärmefreisetzung des Verbrennungsmotors mit Nachzündungseinspritzung nach der vorliegenden Erfindung dramatisch in der Nähe der TDC-Kompression (0 Grad) und schwindet dann bei etwa 5 Grad nach der TDC-Kompression schnell wie die Linie 410, die die herkömmliche PCCI-Verbrennung darstellt. Die Linie 420 zeigt eine späte Steigerung der Wärmefreisetzung wie in Abschnitt 422 der Linie 420 ersichtlich, und die durch das Dieselkraftstoff (d. h. durch den zweiten Kraftstoff) verursacht wird, das nach dem Zünden des Erdgases (d. h. des ersten Kraftstoffs) direkt in die Brennkammer eingespritzt wird.
5 umfaßt eine Linie 430, die durch Dreiecke gekennzeichnet ist und die Kurbelwinkelpositionen anzeigt, bei welchen elektrischer Strom an den Direktkraftstoffinjektor nach der vorliegenden Erfindung abgegeben wurde, so daß das Nadelventil des Direktkraftstoffinjektors betätigt wird und Dieselkraftstoff in die Brennkammer einspritzt. Der Anteil des Stroms mit der Nummer 432 zeigt die Kurbelstellung, während welcher die Nachzündungseinspritzung erfolgte. Wie aus dem Strom 432 ersichtlich, trat die Nachzündungseinspritzung bei diesem speziellen Beispiel des zweiten Kraftstoffs von etwa 10 Grad bis 30 Grad nach der TDC-Kompression ein. Nach der vorliegenden Erfindung wird der zweite Kraftstoff direkt in die Brennkammer nach dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs eingespritzt, wie weiter oben gezeigt und beschrieben, und vorzugsweise während des Verbrennens des Vorgemischs oder kurz danach. Es sollte auch beachtet werden, daß die Linie 430 der 5 außerdem darstellt, wie der Direktkraftstoffinjektor außerdem dazu geeignet ist, eine Voreinspritzung direkt in die Brennkammer vor dem Zünden des Vorgemischs durchzuführen. Das wird durch den Anteil des Stroms mit der Nummer 434 gezeigt, der etwa –110 Grad vor der TDC-Kompression auftritt. Wie oben bereits besprochen, erlaubt diese Voreinspritzung das zeitliche Festlegen des Beginns der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer.
6 zeigt Linie 510, die die Menge des zweiten Kraftstoffs angibt, die direkt in einer einzigen Nachzündeinspritzung in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, der im PCCI-Betrieb nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung betrieben wird, wie zum Beispiel während des Ventilhubs 432 in 5. Die eingespritzte Menge des zweiten Kraftstoffs ist beim mittleren induzierten Druck (BMEP) in Pfund pro Quadratzoll (psi) gezeigt. Wie aus dem Beispiel der 6 ersichtlich, wird die Menge der Nachzündeinspritzung allmählich bis zu etwa 40 mm³ pro Einspritzung gesteigert, während der BMEP gesteigert wird, wobei dies wieder bloß ein Beispiel der Menge ist, die vom Direktkraftstoffinjektor eingespritzt wird. Wie zuvor bereits besprochen, stellt die Menge des zweiten während der Nachzündungseinspritzung eingespritzten Kraftstoffs vorzugsweise 0,1 bis 50 Prozent des gesamten in der Brennkammer verbrannten Kraftstoffs und insbesondere 0,1 bis 25 Prozent des gesamten in der Brennkammer verbrannten Kraftstoffs, um minimale Abgasemissionen sicher zu stellen, und das vor allem bei Anwendungen, bei welchen der zweite Kraftstoff Dieselkraftstoff ist und der erste Erdgas.
7 zeigt Linie 610, die die Verbrennungseffizienz des Verbrennungsmotors im PCCI-Betrieb der 6 anzeigt, wobei der erste Kraftstoff wieder Erdgas und der zweite Dieselkraftstoff ist, und wobei die Verbrennungseffizienz beim entsprechenden BMEP gezeigt ist. Wie aus dem Beispiel der 7 ersichtlich, steigt die Verbrennungseffizienz, wenn der mittlere induzierte Druck über 150 psi angehoben wird, und erreicht bei etwa 98,3% Effizienz den Spritzenwert, während die Nachzündungseinspritzung wie in der oben besprochenen 6 gezeigt gesteigert wird. Das bedeutet, daß beim höheren BMEP 98,3% des gesamten Kraftstoffs verbrannt wurde und nur ein Anteil von etwa 1,7% unverbrannt blieb. Wie dieses Beispiel zeigt, können gesteigerte Verbrennungseffizienzen und höhere BMEP-Niveaus von einem Verbrennungsmotor mit Nachzündeinspritzung nach der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden. Wie für den Durchschnittsfachmann klar sein sollte, ist diese Steigerung der BMEP-Niveaus besonders bei mittelschweren bis schweren Lastbetriebsbedingungen des Verbrennungsmotors besonders vorteilhaft.
8A bis 8C zeigen jeweils verschiedene gemessene Emissionsniveaus des Verbrennungsmotors der 6 und 7 im PCCI-Betrieb, wobei der erste Kraftstoff Erdgas ist und der zweite Kraftstoff, der direkt in die Brennkammer eingespritzt wird, Dieselkraftstoff ist. Diese verschiedenen gemessenen Emissionsniveaus werden beim entsprechenden BMEP entlang der x-Achse der 8C gezeigt, die auch für die 8A und 8B gilt. Insbesondere zeigt Linie 710 der 8A Kohlenwasserstoff-(HC)-Emissionsniveaus, die laufend sinken, während der BMEP auf etwa 150 psi BMEP steigt, während die Nachzündung wie in der oben besprochenen 6 gezeigt gesteigert wird, und wobei diese BMEP-Steigerung durch die Nachzündungseinspritzung entsteht. Wie aus diesem speziellen Beispiel ersichtlich, stabilisiert sich das HC-Emissionsniveau bei ungefähr 2 Gramm pro horsepower-hour (g/hp-hr). Linie 720 der Grafik der 8B zeigt Kohlenmonoxid-(CO)-Emissionsniveaus, die laufend auf etwa 2 g/hp-hr bei 180 psi BMEP sinken. Linie 730 der 8C zeigt Stickstoffoxid-(NOx)Emissionsniveaus, die wie ersichtlich ständig sinken, während die BMEP-Niveaus steigen, im Vergleich zum Stand der Technik der Dieselmotoren jedoch relativ niedrig bleiben. Außerdem hat sich herausgestellt, daß die Bereitstellung einer Nachzündungseinspritzung ebenfalls das Anheben der Abgastemperaturen unterstützt, wodurch die Effizienz eines Katalysators (nicht dargestellt), der dem Abgasventil nachgeschaltet bereitgestellt wird, gesteigert wird, um die Emissionsniveaus noch weiter zu verringern. Außerdem unterstützen diese hohen Abgastemperaturen die Leistung des Turboladers (nicht dargestellt). Wie diese Figuren zeigen, können Verringerungen der Abgasemissionen verwirklicht und der BMEP durch einen Verbrennungsmotor mit Nachzündeinspritzung nach der vorliegenden Erfindung gesteigert werden. Wie bereits oben erwähnt, ist diese Steigerung der BMEP-Niveaus außerdem besonders unter mittelschweren bis schweren Lastbetriebsbedingungen des Verbrennungsmotors besonders vorteilhaft.
Wie oben im Detail beschreiben wurde, können Verbrennungsmotoren gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung betrieben werden durch Zuführen von mindestens Ansaugluft zur Brennkammer während des Ansaughubs des Kolbenaufbaus, Mischen des ersten Kraftstoffs mit der Ansaugluft, um ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff bereitzustellen, Durchführen eines Kompressionshubs des Kolbenaufbaus, Zünden des Vorgemisches und direktes Einspritzen des zweiten Kraftstoffs nach dem Einsetzen der Zündung des Vorgemischs in die Brennkammer. Der direkt in die Brennkammer eingespritzte zweite Kraftstoff kann 0,1 bis 60 Prozent des gesamten in der Brennkammer verbrannten Kraftstoffs darstellen oder vorzugsweise 5 bis 25 Prozent des gesamten in der Brennkammer verbrannten Kraftstoffs. Außerdem können die Verbrennungskenndaten durch Steuern mindestens eines der Faktoren Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs auf der Grundlage einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und/oder wie anders vom Bediener festgelegt optimiert werden. Wenn der Verbrennungsmotor außerdem eine Vielzahl von Zylindern umfaßt, kann die Menge des zweiten eingespritzten Kraftstoffs in weniger als allen Zylindern der Vielzahl Zylinder gleichzeitig variiert werden, um den Übergang zwischen den Betriebsarten des Motors zu unterstützen.
Außerdem kann der Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung durch Erfassen des Zylinderdrucks in der Brennkammer und direktes Einspritzen des zweiten Kraftstoffs auf der Grundlage des erfaßten Zylinderdrucks wie weiter oben beschrieben betrieben werden. In dieser Hinsicht kann der zweite Kraftstoff direkt in die Brennkammer eingespritzt werden, wenn eine vorausbestimmte Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer erfaßt wird und/oder die Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs kann gesteuert werden, um in der Brennkammer einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck für einen vorausbestimmten Bereich des Hubs der Kolbeneinheit zu steuern, wobei der im wesentlichen konstante Zylinderdruck nicht höher ist als der wünschenswerte maximale Zylinderdruck der Brennkammer.
Wie weiter oben ebenfalls beschrieben wurde, kann der erste Kraftstoff mit Luft durch mindestens eines der Elemente Vergaser, Ventil- bzw. Drosselkörperinjektor, Öffnungskraftstoffinjektor gemischt werden, das den ersten Kraftstoff in die Luft der Brennkammer vorgeschaltet einspritzt, und durch einen Direktkraftstoffinjektor, der den zweiten Kraftstoff in die Luft der Brennkammer einspritzt. Außerdem kann das vorliegende Verfahren einen Schritt umfassen, bei dem eine Voreinspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs erfolgt, um den Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer zeitlich festzulegen. Auf die oben beschriebene Art kann ein Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung effektiv im PCCI-Betrieb betrieben werden, um die Kraftstoffeffizienz unter Minimieren der Abgasemissionen wie von den 7 bis 8C aufgezeigt zu steigern.
Während verschiedene Ausführungen nach der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß sich die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Die Erfindung kann geändert, modifiziert und vom Fachmann weiter angewandt werden. Die Erfindung beschrankt sich daher nicht auf das Detail, das weiter oben gezeigt und beschrieben wurde, sondern umfaßt alle solchen Änderungen und Modifizierungen.

Claims

Verbrennungsmotor (10, 110), der in einem Modus der Kompressionszündung einer vorgemischten Ladung bzw. eines Vorgemischs betreibbar ist, wobei mindestens ein Teil des Kraftstoffs (23, 27) bei einem PCCI-Verbrennungsvorgang verbrannt wird, aufweisend: einen Motorkörper (12, 112) mit einem Kolbenaufbau (14, 114); eine Brennkammer (16, 116), die im Motorkörper (12, 112) durch den Kolbenaufbau (14, 114) gebildet ist; ein Einlaßsystem zur Zuführung von Einlaß- bzw. Ansaugluft zur Brennkammer (16, 116); eine Mischvorrichtung, die den ersten Kraftstoff (23) mit der Einlaß- bzw. Ansaugluft mischt, um ein Vorgemisch aus Luft und dem ersten Kraftstoff (23) bereitzustellen, wobei das Zünden der vorgemischten Ladung oder des Vorgemisches durch Kompressionszündung ausgelöst wird; einen Direktkraftstoffinjektor (26, 126), der ausgebildet ist, um einen zweiten Kraftstoff (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) einzuspritzen; und ein Steuersystem (30, 130), das ausgebildet ist, um den Direktkraftstoffinjektor (26, 126) so zu steuern, daß eine Nachzündungseinspritzung bereitgestellt wird, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) nach dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127) in die Brennkammer (16, 116) mindestens in einem Zeitpunkt während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder in einem Zeitpunkt kurz nach dem Verbrennen des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei der erste Kraftstoff (23) und der zweite Kraftstoff (27, 127) der gleiche Kraftstoff sind.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 3, wobei der erste Kraftstoff (23) und der zweite Kraftstoff (27, 127) beide Erdgas sind.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Kraftstoff (23, 27, 127) unterschiedliche Kraftstofftypen sind.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 5, wobei der erste Kraftstoff (23) Erdgas ist und der zweite Kraftstoff (27, 127) Dieselkraftstoff ist.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem (30, 130) weiter ausgebildet ist, um einen Einspritzzeitpunkt, eine Einspritzdauer, eine Einspritzrate und/oder eine Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs (27, 127) zu steuern, der vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 7, wobei das Steuersystem (30, 130) ausgebildet ist, um die Menge des zweiten Kraftstoffs (27, 127), die durch den Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzt wird, relativ zur Menge des ersten Kraftstoffs (23) basierend auf einer Betriebsbedingung und/oder Betriebsart des Verbrennungsmotors (10, 110) variabel zu steuern.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 8, wobei der Motorkörper eine Vielzahl von Zylindern mit jeweils einem Kolbenaufbau (14, 114) umfaßt, der eine Brennkammer (16, 116) bildet, wobei das Steuersystem (30, 130) weiter ausgebildet ist, um die Menge des zweiten vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzten Kraftstoffs (27, 127) in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder gleichzeitig zu variieren.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei der zweite vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzte Kraftstoff (27, 127) 0,1 bis 50 Prozent des gesamten Kraftstoffs darstellt, der in der Brennkammer (16, 116) verbrannt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 10, wobei der zweite vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzte Kraftstoff (27, 127) 0,1 bis 25 Prozent des gesamten Kraftstoffs darstellt, der in der Brennkammer (16, 116) verbrannt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, der außerdem einen Sensor (136) umfaßt, der ein Signal erzeugt, das dem Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116) entspricht, wobei der Sensor (136) mindestens eines der Elemente Drucksensor, Beschleunigungsmesser, Ionensensor, optische Diagnose, Dehnungsmeßgerät, Lastscheibe, schnelles Thermoelement, Drehmomentsensor, Drehzahlsensor und Emissionensensor ist.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, der außerdem einen Sensor (136) umfaßt, der ein Signal erzeugt, das dem Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116) entspricht, wobei der Direktkraftstoffinjektor (26, 126) den zweiten Kraftstoff (27, 127) einspritzt, wenn der Sensor (136) eine vorbestimmte Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer (16, 116) erfaßt.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, der außerdem einen Sensor (136) umfaßt, der ein Signal erzeugt, das dem Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116) entspricht, wobei die Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs (27, 127) vom Steuersystem (30, 130) gesteuert wird, um einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck aufrecht zu erhalten, der nicht größer ist als ein gewünschter maximaler Zylinderdruck während eines vorbestimmten Bereichs der Bewegung des Kolbenaufbaus (14, 114).
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei die Mischvorrichtung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist, die ausgebildet ist, um den ersten Kraftstoff (23) direkt in die Brennkammer (16, 116) einzuspritzen.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 15, der weiter ein Hochdrucksystem umfaßt, um den ersten Kraftstoff (23) vor dem Direkteinspritzen des ersten Kraftstoffs (23) in die Brennkammer (16, 116) unter Druck zu setzen.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 15, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung der Direktkraftstoffinjektor (26, 126) ist, so daß der Direktkraftstoffinjektor (26, 126) der Brennkammer (16, 116) sowohl den ersten Kraftstoff (23) als auch den zweiten Kraftstoff (27, 127) zuführt.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 15, wobei die Mischvorrichtung ein erster Direktkraftstoffinjektor ist, der ausgebildet ist, um den ersten Kraftstoff (23) in die Brennkammer (16, 116) einzuspritzen, und wobei der Direktkraftstoffinjektor (26, 126) ein zweiter Direktkraftstoffinjektor ist, der ausgebildet ist, um den zweiten Kraftstoff (27, 127) in die Brennkammer (16, 116) einzuspritzen.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Elemente Mischvorrichtung und Direktkraftstoffinjektor weiter ausgebildet ist, um vor dem Zünden des Vorgemischs eine Einspritzung bereitzustellen, um den Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) zeitlich festzulegen.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 19, wobei die Einspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs eine Voreinspritzung und/oder eine frühe Steuereinspritzung ist.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 5, wobei das Steuersystem (30, 130) weiter ausgebildet ist, um die Menge des zweiten Kraftstoffs (27, 127), der vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzt wird, relativ zur Menge des ersten Kraftstoffs (23) basierend auf mindestens einem der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors variabel zu steuern.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 21, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127) in die Brennkammer (16, 116) in einem Zeitpunkt während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder in einem Zeitpunkt kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 21, wobei der Motorkörper (12, 112) eine Vielzahl von Zylindern umfaßt, die jeder einen Kolbenaufbau (14, 114) haben, der eine Brennkammer (16, 116) bildet, wobei das Steuersystem (30, 130) weiter ausgebildet ist, um die Menge des zweiten Kraftstoffs (27, 127), der vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzt wird, in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder auf einmal zu variieren.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 21, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127), der vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eingespritzt wird, 0,1 bis 50 Prozent des gesamten Kraftstoffs darstellt, der in der Brennkammer (16, 116) verbrannt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1 oder 24, wobei die Mischvorrichtung mindestens eines der Elemente Vergaser, Drosselkörperinjektor und Öffnungskraftstoffinjektor (22) umfaßt, das dazu geeignet ist, Luft und das Erdgas stromauf der Brennkammer (16, 116) zu mischen.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 1 oder 25, der außerdem einen Sensor (136) umfaßt, der ein Signal erzeugt, das dem Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116) entspricht.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 26, wobei der Direktkraftstoffinjektor (26, 126) den zweiten Kraftstoff (27, 127) einspritzt, wenn eine vorbestimmte Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer (16, 116) erfaßt wird.
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 27, wobei die Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs (27, 127) vom Steuersystem (30, 130) gesteuert wird, um einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck aufrecht zu erhalten, der nicht größer ist als ein gewünschter maximaler Zylinderdruck während eines vorbestimmten Bewegungsbereichs des Kolbenaufbaus (14, 114).
Verbrennungsmotor (10, 110) nach Anspruch 28, wobei mindestens eines der Elemente Mischvorrichtung und Direktkraftstoffinjektor (26, 126) weiter ausgebildet ist, um eine Einspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs bereitzustellen, um den Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) zeitlich festzulegen.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10, 110) in einem Kompressionszündmodus mit Vorgemisch, wobei mindestens ein Teil des Kraftstoffs (23, 27, 127) bei einem PCCI-Verbrennungsvorgang verbrannt wird, wobei der Verbrennungsmotor (10, 110) einen Kolbenaufbau (14, 114) aufweist, der eine Brennkammer (16, 116) bildet bzw. definiert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Zuführen mindestens von Einlaß- bzw. Ansaugluft zur Brennkammer (16, 116) während eines Einlaß- bzw. Ansaughubs des Kolbenaufbaus (14, 114); Mischen eines ersten Kraftstoffs (23) mit der Ansaugluft, um ein Vorgemisch aus Ansaugluft und dem ersten Kraftstoff (23) bereitzustellen; Durchführen eines Kompressionshubs des Kolbenaufbaus (14, 114) nach dem Ansaughub; Zünden des Vorgemischs, wobei das Zünden der vorgemischten Ladung oder des Vorgemisches durch Kompressionszündung ausgelöst wird; und Einspritzen eines zweiten Kraftstoffs (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) nach dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der zweite Kraftstoff direkt in die Brennkammer in einem Zeitpunkt während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder in einem Zeitpunkt kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in die Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der erste Kraftstoff (23) und der zweite Kraftstoff (27, 127) der gleiche Kraftstofftyp sind.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der erste und der zweite Kraftstoff (23, 27, 127) Erdgas sind.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der erste und der zweite Kraftstoff (23, 27, 127) verschiedene Kraftstofftypen sind.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der erste Kraftstoff (23) Erdgas und der zweite Kraftstoff (27, 127) Dieselkraftstoff ist
Verfahren nach Anspruch 30, das weiter den Schritt des Steuerns von Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Einspritzrate und/oder Einspritzmenge des zweiten Kraftstoffs (27, 127) basiernd auf einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (10, 110) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 36, das weiter einen Schritt umfaßt, um die Menge des zweiten Kraftstoffs (27, 127), der vom Direktkraftstoffinjektor (26, 126) eigespritzt wird, relativ auf der Menge des ersten Kraftstoffs (23) basierend auf Betriebsbedingung und/oder Betriebsart des Verbrennungsmotors (10, 110) Variabel zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Verbrennungsmotor (10, 110) eine Vielzahl von Zylindern umfaßt, die jeweils einen Kolbenaufbau (14, 114) aufweisen, der eine Brennkammer (16, 116) bildet, wobei das Verfahren weiter den Schritt umfaßt, um die Menge des zweiten Kraftstoffs (27, 127), die in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder auf einmal eingespritzt wird, zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127), der direkt in die Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird, 0,1 bis 50 Prozent des gesamten Kraftstoffs darstellt, der in der Brennkammer (16, 116) verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127), der direkt in die Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird, 0,1 bis 25 Prozent des gesamten Kraftstoffs darstellt, der in der Brennkammer (16, 116) verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, das weiter den Schritt des Erfassens eines Signals umfaßt, das dem Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116) entspricht, und des Einspritzens des zweiten Kraftstoffs (27, 127) basierend auf dem erfaßten Signal, das dem Zylinderdruck entspricht.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Zylinderdruck von einem Sensor (136) erfaßt wird, der ein Signal erzeugt, das dem Zylinderdruck entspricht, wobei der Sensor eines der Elemente Drucksensor, Beschleunigungsmesser, Ionensensor, optische Diagnose, Dehnungsmessgeräte, Lastscheibe, schnelles Thermoelement, Drehmomentsensor, Drehzahlsensor und/oder Emissionensensor ist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird, wenn eine vorbestimmte Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer (16, 116) erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 41, das weiter dem Schritt des Steuerns der Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs (27, 127) umfaßt, um in der Brennkammer (16, 116) während eines vorbestimmten Bereichs der Bewegung des Kolbenaufbaus (14, 114) einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck aufrecht zu erhalten, wobei der im wesentlichen konstante Zylinderdruck nicht höher ist als ein gewünschter maximaler Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116).
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der erste Kraftstoff (23) mit der Luft durch mindestens eines der Elemente Vergaser, Drosselkörperinjektor, Öffnungskraftstoffinjektor, der den ersten Kraftstoff (23) in die Luft stromauf der Brennkammer (16, 116) einspritzt, und Direktkraftstoffinjektor (26, 126), der den ersten Kraftstoff (23) in die Luft der Brennkammer (16, 116) einspritzt, gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, das weiter den Schritt umfaßt, eine Kraftstoffeinspritzung vor dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs bereitzustellen, um den Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) zeitlich festzulegen.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Einspritzung des Kraftstoffs vor dem Einsetzen des Zündens des Vorgemischs mindestens eines der Elemente Voreinspritzung und frühe Steuereinspritzung ist.
Verfahren nach Anspruch 34, das weiter den Schritt umfaßt, die Menge des zweiten eingespritzten Kraftstoffs (27, 127) relativ zur Menge des ersten Kraftstoffs (23) basierend auf mindestens einem der Faktoren Betriebsbedingung und Betriebsart des Verbrennungsmotors variabel zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei der Verbrennungsmotor (10, 110) eine Vielzahl von Zylindern umfaßt, die jeweils einen Kolbenaufbau (14, 114) aufweisen, der eine Brennkammer (16, 116) bildet, wobei das Verfahren weiter den Schritt umfaßt, die Menge des zweiten Kraftstoffs (27, 127), die in weniger als allen Zylindern der Vielzahl der Zylinder auf einmal eingespritzt wird, zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) in einem Zeitpunkt während der Verbrennung des Vorgemischs und/oder in einem Zeitpunkt kurz nach der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127), der direkt in die Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird, 0,1 bis 50 Prozent des gesamten Kraftstoffs darstellt, der in der Brennkammer (16, 116) verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 51, das weiter den Schritt des Erfassens des Singals, das dem Zylinderdruck in der Brennkammer (16, 116) entspricht, und des direkten Einspritzens des zweiten Kraftstoffs (27, 127) basierend auf dem Signal, das dem Zylinderdruck entspricht, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Schritt des Erfassens des Zylinderdrucks durch einen Drucksensor, Beschleunigungsmesser, einen Ionensensor, eine optische Diagnose, Dehnungsmessgeräte, eine Lastscheibe, ein schnelles Thermoelement, einen Drehmomentsensor, einen Drehzahlsensor und/oder einen Emissionensensor verwirklicht wird.
Verfahren nach Anspruch 53, wobei der zweite Kraftstoff (27, 127) direkt in die Brennkammer (16, 116) eingespritzt wird, wenn eine vorbestimmte Verringerung des Zylinderdrucks in der Brennkammer (16, 116) erfaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 54, das weiter den Schritt des Steuerns der Einspritzrate des zweiten Kraftstoffs (27, 127), um in der Brennkammer (16, 116) bei einem vorbestimmten Bereich der Bewegung des Kolbenaufbaus (14, 114) einen im wesentlichen konstanten Zylinderdruck aufrecht zu erhalten, wobei der im wesentlichen konstante Zylinderdruck nicht höher als ein gewünschter maximaler Druck in der Brennkammer (16, 116) ist.
Verfahren nach Anspruch 55, das weiter den Schritt umfaßt, eine Voreinspritzung vor dem Zünden des Vorgemischs durchzuführen, um den Beginn der Verbrennung des Vorgemischs in der Brennkammer (16, 116) zeitlich festzulegen.