DE10191817B4

DE10191817B4 - Mehrbetriebsmodus-Motor und Betriebsverfahren

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Publication number: DE10191817B4
Application number: DE10191817T
Authority: DE
Inventors: Axel O. Columbus zur Loye; Larry J. Columbus Brackney; Cariappa M. Columbus Chenanda; Robert M. Columbus Hurst; Lester L. Columbus Peters; Patrick M. Columbus Pierz; John F. Columbus WRIGHT
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2003532829A; WO2001086128A2; GB2369158A; DE10191817T1; DE10191820T1; AU2001261229A1; GB2370316A; US20020020388A1; DE10191819T1; US6516774B2; WO2001086126A2; JP2003532827A; JP2003532826A; US20040149255A1; GB2370317B; JP3881243B2; GB2369158B; AU2001261245A1; JP4180278B2; US6684849B2

Abstract

Multimodus-Verbrennungsmotor (10), der in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten betreibbar ist, aufweisend:
einen Motorkörper (12);
eine Brennkammer (16), die im Motorkörper gebildet ist;
ein Lufteinlaßsystem (18) zur Zuführung von Einlaßluft zur Brennkammer (16);
ein Kraftstoffzuführsystem (60), das am Motorkörper (12) angebracht ist, um der Brennkammer (16) einen ersten Kraftstoff zuzuführen, während der Motor (10) in einem HCDFT-Übergangsmodus arbeitet, und um einen zweiten Kraftstoff dem Lufteinlaßsystem (18) und/oder der Brennkammer (16) zuzuführen, wenn der Motor (10) in einem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch und in dem HCDFT-Übergangsmodus arbeitet, wobei im HCDFT-Übergangsmodus eine Menge des zweiten Kraftstoffs früh im Prozeß ein Gemisch bildet, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flamme auszubreiten, und eine Menge des ersten Kraftstoffs, die größer als die Menge des zweiten Kraftstoffs ist, später zugeführt wird; und
ein Steuersystem (54), das ausgebildet ist, den Motorbetrieb zwischen dem HCDFT-Übergangsmodus und dem Modus der Kompressionszündung von...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft generell einen Verbrennungsmotor, der betreibbar ist in und umstellbar ist zwischen verschiedenen Betriebsarten, einschließlich einem Kompressionszündmodus von Vorgemisch, einem Dieselmodus und/oder einem Funkenzündmodus. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Multimodus-Verbrennungsmotor, der in einer Vielzahl von Betriebsarten betreibbar ist und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten und Transferieren des Betriebs zwischen der Vielzahl von Betriebsarten, dargelegt in den einteiligen Patentansprüchen 1, 11, 28, 33, 45, 50, 52 und 53.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Seit weit mehr als 75 Jahren war der Verbrennungsmotor die Hauptquelle des Menschen für Antriebskraft. Es wäre schwierig, seine Bedeutung oder die Engineeringbemühungen zu übertreiben, die für seine Perfektionierung aufgebracht werden. Die Technik des Verbrennungsmotorkonzepts ist so ausgereift und gut verstanden, daß die meisten sogenannten "neuen" Motorenkonzepte bloße Konzepte sind, die darin bestehen, aus einer Vielzahl bekannter Alternativen auszuwählen. Eine verbesserte Abtriebsdrehmomentkurve läßt sich zum Beispiel leicht verwirklichen, indem auf die Kraftstoffsparsamkeit des Motors verzichtet wird. Die Schadstoffemissionsbekämpfung oder gesteigerte Zuverlässigkeit kann mit gesteigerten Kosten erzielt werden. Weitere Zielsetzungen können realisiert werden, wie zum Beispiel mehr Leistung und Größen- oder Gewichtsreduzierungen, jedoch normalerweise sowohl auf Kosten des Kraftstoffeffizienz als auch auf Kosten des Aufwands.
Die Herausforderung ist für den heutigen Designer durch die Notwendigkeit signifikant gestiegen, den Regierungsauflagen hinsichtlich der Emissionseinschränkung zu entsprechen und gleichzeitig die gesteigerte Kraftstoffeffizienz beizubehalten. Angesichts der Reife des Motorkonzepts ist es extrem schwierig, gesteigerte Motorleistung und Emissionsreduzierung aus weiteren Innovationen des heute im Handel erhältlichen grundlegenden Motordesigns zu holen. Der Bedarf an solchen Innovationen ist dennoch so hoch wie noch nie angesichts der Reihen scharfer Forderungen der Emissionsnormen, die die Regierung der USA und anderer Länder für die Zukunft vorschreiben. Unter den Versuchen, diesen Normen zu entsprechen, findet man einige Designer, die nach einem völlig neuen Motorenkonzept suchen.
Traditionsgemäß gab es zwei Hauptformen der Kolben- oder Umlauf-Verbrennungsmotoren: Diesel- und Funkenzündmotoren. Diese Motorentypen haben einen ähnlichen Aufbau und ähnliche mechanische Funktionsweisen, sie unterscheiden sich jedoch in ihren Betriebseigenschaften, die sehr unterschiedlich sind. Die Diesel- und Funkenzündmotoren steuern den Beginn der Verbrennung (SOC – start of combustion) mit einfachen aber unterschiedlichen Mitteln. Der Dieselmotor steuert den SOC durch den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung. Bei einem Motor mit Funkenzündung wird der SOC vom Zeitpunkt der Funken gesteuert. Im Endeffekt gibt es große Unterschiede in den Vorteilen und Nachteilen der Diesel- und der Funkenzündmotoren. Der Hauptvorteil eines Motors mit Funkenzündung, der mit Erdgas oder Benzin funktioniert, gegenüber einem Dieselmotor ist seine Fähigkeit, extrem niedrige NOx- und Partikelemissionsniveaus zu verwirklichen. Der Hauptvorteil der Dieselmotoren gegenüber den Motoren mit Funkenzündung von Vorgemisch (wie zum Beispiel Personenkraftwagen-Benzinmotoren und Gasmotoren mit magerem Gemisch) ist die 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 (bei Motoren mit Funkenzündung von Vorgemisch muß das Kompressionsverhältnis relativ niedrig gehalten werden, um ein Klopfen des Motors zu vermeiden). Ein zweiter Hauptgrund für die höhere Effizienz von Dieselmotoren ist die Fähigkeit, die Leistungsabgabe des Dieselmotors ohne Drosselventil bzw. -klappe steuern zu können. Das eliminiert die Drosselverluste der Benzinmotoren mit Funkenzündung 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 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 hingegen haben ein nahezu homogenes Luft-Kraftstoffgemisch, das dazu tendiert, entweder mager oder fast stöchiometrisch zu sein, was die sehr niedrigen Partikelemissionen ermöglicht. Andererseits entsteht die gemischgesteuerte Verbrennung bei Dieselmotoren, wenn der Kraftstoff und Luft bei einem nahezu stöchiometrischen Äquivalenzverhältnis liegen, was zu hohen Temperaturen führt. Die hohen Temperaturen wiederum verursachen hohe NOx-Emissionen. Ben zinmotoren mit Funkenzündung und magerem Gemisch hingegen verbrennen ihren Kraftstoff bei Äquivalenzverhältnissen, die viel magerer sind und signifikant niedrigere Temperaturen ergeben, die zu weitaus geringeren NOx-Emissionen führen. Stöchiometrische Motoren mit Funkenzündung von Vorgemisch hingegen haben auf Grund der hohen Flammentemperaturen, die bei stöchiometrischer Verbrennung entstehen, hohe NOx-Emissionen. Die nahezu sauerstofffreien Abgase erlauben es jedoch, die NOx-Emissionen mit Dreiwegkatalysoren auf sehr niedrige Niveaus zu reduzieren.
Vor relativ kurzer Zeit haben einige Motorendesigner ihre Bemühungen auf einen anderen Motortyp konzentriert, der den Kompressionszündmodus von Vorgemisch (PCCI premixed charge compression ignition) oder den Kompressionszündmodus mit homogener Charge (HCCI homogeneous charge compression igintion) verwendet, die im Folgenden gemeinsam als PCCI bezeichnet werden. Motoren, die nach den PCCI-Konzepten arbeiten, basieren auf der Selbstzündung eines relativ gut vorgemischten Kraftstoff-Luftgemischs. Wichtig ist dabei, daß der Kraftstoff und die Luft stromauf des Zylinders vermischt werden, d. h. an der Einlaßöffnung, oder im Zylinder, lang bevor das Zünden eintritt. Das Ausmaß des Mischens kann je nach den gewünschten Verbrennungsmerkmalen geändert werden. Gewisse Motoren werden konzipiert und/oder betrieben, um sicher zu stellen, daß der Kraftstoff und die Luft in einem homogenen oder nahezu homogenen Zustand gemischt werden. Ein Motor kann auch speziell konzipiert und/oder betrieben werden, um eine etwas weniger homogene Charge mit einem niedrigen Grad an Schichtung zu schaffen. In beiden Fällen existiert das Gemisch in einem vorgemischten Zustand lange bevor das Zünden eintritt, und es wird verdichtet, bis es sich von selbst entzündet. Daher zeichnet sich die PCCI-Verbrennung dadurch aus, daß: 1. so gut wie der gesamte Kraftstoff ausreichend mit Luft vorgemischt wird, um ein brennbares Gemisch in der ganzen Charge bis zum Zeitpunkt der Zündung zu bilden; und 2. das Zünden, das heißt das Einsetzen oder der Beginn der Verbrennung selbst, durch Kompressionszündung ausgelöst wird. Anders als beim Dieselmotor wirkt sich der Zeitpunkt der Kraftstoffzufuhr, zum Beispiel der Zeitpunkt der Einspritzung, bei einem PCCI-Motor nicht stark auf den Zeitpunkt des Zünden aus. Insbesondere zeichnet sich die PCCI-Verbrennung dadurch aus, daß fast das gesamte Gemisch signifikant magerer ist als stöchiometrisch, so daß die Emissionen vorteilhaft reduziert werden und nicht wie beim typischen Dieselmotorzyklus, bei dem ein großer Teil oder der ganze Dieselkraftstoff des Gemischs während der Verbrennung in einem reichen bzw. fetten Zustand existiert.
Da der Motorbetrieb nach den Konzepten der PCCI-Verbrennung das Potential hat, eine ausgezeichnete Kraftstoffeinsparung des Dieselmotors bereitzustellen, während die Niveaus der NOx- und Partikelemissionen viel niedriger sind als bei herkömmlichen Motoren mit Funkenzündung, war er in jüngster Zeit der Gegenstand umfassender Forschung und Entwicklung. Die US-Patente 4 768 481 , 5 535 716 und 5 832 880 offenbaren Motoren und Verfahren zum Steuern der PCCI-Verbrennung in Motoren. Die Forscher haben für die PCCI-Verbrennung verschiedene andere Bezeichnungen benutzt, darunter Kompressionszündung mit homogener Charge (HCCI) und 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 PCCI genannt.
Obwohl die PCCI-Verbrennung eine Verbesserung der Kraftstoffeinsparung und deutlich verringerte Emissionen ergeben kann, ist es für einen Motor schwierig, in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen vom Kaltstarten bis hin zu verschiedenen Motorlasten im PCCI-Betrieb zu funktionieren bzw. arbeiten. So berichtet SAE Technical Paper Nr. 790501 zum Beispiel, daß die PCCI-Verbrennung (ATAC) in Zweitaktmotoren bei geringer Last über einen großen Geschwindigkeitsbereich verwirklichbar ist. Um die PCCI-Verbrennung zu verwirklichen, haben sich die folgenden Bedingungen als wichtig herausgestellt. Die Gemischmenge und das Luft-/Kraftstoffverhältnis, das dem Zylinder zugeführt wird, müssen Zyklus für Zyklus gleichmäßig sein. Die "Lenkbarkeit" und Geschwindigkeit der Spülung müssen in allen Zyklen regelmäßig sein, um den richtigen Zustand der Restgase sicher zu stellen, die im Zylinder verbleiben. Die Temperatur der Brennkammerwände muß passen. Der Verlauf des Spüleinlasses muß sich auf der Unterseite des Kurbelgehäuses befinden. Es hat sich herausgestellt, daß PCCI bei sehr geringen Lasten keinen Erfolg hat, weil die Gemischtemperaturen zu niedrig waren. Bei sehr hohen Lasten war PCCI nicht erfolgreich, weil die restliche Gasmenge zu gering war. Zwischen den beiden Bereichen war die PCCI-Verbrennung erfolgreich.
Daher hat sich die Forschung auf einen Motor konzentriert, der in der Lage ist, in einer Vielzahl von Verbrennungsarten zu arbeiten. Zum Beispiel hat das SAE Technical Paper Nr. 892068 mit dem Titel "Homogeneous-Charge Compression Ignition (HCCI) Engines", Thring, R., 25. September 1989, den PCCI-Betrieb eines Viertaktmotors untersucht. Der Bericht schlägt einen Motor vor, der im herkömmlichen Funkenzündmodus beim Starten und mit hohen Lasten arbeitet, bei Teillast und Leergang jedoch im PCCI-Betrieb. Andere haben Zweiradmotoren hergestellt, die einen Funken erfolgreich zum Auslösen der Verbrennung beim Starten des Motors verwenden, bei niedrigsten Lastbedingungen, wie im Leerlauf, und bei hohen Lasten im PCCI-Betrieb für den Bereich von niedriger bis zu mittlerer Last arbeitet. Der Übergang zwischen der Funkenzündung und den PCCI-Betriebsarten wird von einer elektronischen Steuereinheit gesteuert. Die SAE-Berichte 920512 und 972874 offenbaren bekanntlich Versuchsergebnisse für den Vergleich der PCCI-Verbrennung mit der Verbrennung im Funkenzündmodus, es gelingt ihnen jedoch nicht, spezifisch die Technik zu lehren, in der Übergänge zwischen den Betriebsarten am effektivsten verwirklicht werden können. Das deutsche Patent 198 18 596 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Motors im PCCI-Betrieb bei zumindest geringen Lasten und im Funkenzündmodus bei hohen Lasten.
Andere Bemühungen haben sich auf die Kombination eines Dieselverbrennungsbetriebs und eines PCCI-Betriebs konzentriert. Zum Beispiel berichtet SAE Nr. 971676 mit dem Titel "Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) of Diesel Fuel" über die Testergebnisse eines Motors, der im Dieselverbrennungsbetrieb startet und, wenn die Motortemperatur stabilisiert ist, den Motor auf PCCI-Betrieb konfiguriert. Das US-Patent. 5 875 743 offenbart einen Motor, der als Reaktion auf Motorbetriebsparameter, die auf Motordrehzahlwerten innerhalb eines ersten vorbestimmten Bereichs hinweisen, im Dieselverbrennungsbetrieb und als Reaktion auf Motorbetriebsparameter, die auf Motordrehzahl und Last in einem zweiten vorbestimmten Bereich hinweisen, im PCCI-Betrieb arbeitet. Generell scheint der Motor während geringer und schwerer Lasten im Dieselbetrieb zu arbeiten und unter anderen Bedingungen im PCCI-Betrieb. Eine Bezugstabelle kann verwendet werden, um die Drehzahl und Lastbereiche festzulegen, bei welchen der Motor im herkömmlichen Dieselbetrieb läuft und die Geschwindigkeiten und Lastbereiche des Motors, die ihn auf den PCCI-Betrieb umschalten.
Wird ein Fehlzünden oder Klopfen erkannt, kann der PCCI-Betrieb angepaßt oder der Motor auf den Dieselbetrieb zurückgeschaltet werden. Der Übergang zwischen dem Dieselbetrieb und dem PCCI-Betrieb erfolgt hauptsächlich durch Umschalten zwischen einem zylinderinternen Kraftstoffinjektor und einem Einlaßinjektor für die frühe Einspritzung und das Mischen des Kraftstoffs oder Ändern des Zeitpunkts der Einspritzung des zylinderinternen Injektors.
Die Patentanmeldung Serien-Nr. 08/916,437, eingereicht am 22. August 1997 (veröffentlicht als Internationale Patentanmeldung PCT/US97/14815 ), die auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, offenbart einen Motor und ein Betriebsverfahren, das multiple Verbrennungsbetriebsarten umfaßt. Der Motor wird zwischen einem herkömmlichen Dieselbetrieb und/oder einem Funkenzündmodus und einem PCCI-Betrieb in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Motors umgeschaltet.
Aus der WO 1998/007973 A1 ist ein Motor, der einen Kompressionszündmodus mit Vorgemisch verwendet, bekannt. Die bekannte Kraftmaschine kann auch als Multimodus-Kraftmaschine betrieben werden, die den Betriebsmodus je nach Betriebsbedingung oder Anforderung der jeweiligen Anwendung ändert. Beispielsweise kann die Kraftmaschine nur mit Dieselkraftstoff als konventionelle Dieselkraftstoffmaschine, als eine modifizierte Dieselkraftstoffmaschine, bei der Dieselkraftstoff früher eingespritzt wird als bei der konventionellen Dieselkraftstoffmaschine, als ein Ottomotor unter Verwendung von Zündkerzen oder als eine PCCI-Kraftmaschine betrieben werden. Als ein weiterer Betriebsmodus wird eine Zweifacheinspritzung offenbart, bei der eine frühe Einspritzung verwendet wird, um eine magere Ladung für den PCCI-Betrieb zu erzeugen. Eine zweite, späte Einspritzung fügt dann eine kleine Menge geschichteten Kraftstoffs hinzu, der entweder Funken- oder kompressionsgezündet werden kann, um die Zündung des verbleibenden Kraftstoffs zu unterstützen.
Die US 3 924 598 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit vorgemischter Ladung. Insbesondere wird die Erweiterung der Betriebzustände eines Motors bei sehr mageren Kraftstoff/Luftmischungen durch Veränderung der Mischungsstärke der vorgemischten Ladung offenbart. Die Zündung dieser Mischung wird durch die Flamme einer funkenentzündbaren Zündflammenkraftstoffmenge bewerkstelligt.
Es besteht jedoch noch der Bedarf an einem Motor und einem Verfahren des Motorbetriebs, die einen effektiveren und effizienteren Betrieb im PCCI-Betrieb und den Übergang zwischen dem PCCI-Betrieb und entweder dem Dieselbetrieb oder dem Funkenzündmodus oder beiden Betriebsarten gestatten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen praktischen Multimodus-Motor und ein Verfahren zum Betreiben des Motors in verschiedenen Betriebsarten und für das effektive und effiziente Umschalten zwischen den verschiedenen Betriebsarten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale einer der einteiligen Patentansprüche 1, 11, 28, 33, 45, 50, 52 und 53 gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungseinleitung als bekannt herausgestellt sind. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Verbrennungsmotors, der so unkompliziert wie möglich und so robust wie möglich ist, wobei die Effizienz maximiert.
Ein weiterer Aspekt der vorlegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multi-Modus-Verbrennungsmotors, der zwischen dem Dieselmodus mit maximierter Erdgasnutzung und minimierten Dieselflußraten umgeschaltet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Motors und Steuersystems, die eine höhere Gassubstitutionsrate verwirklichen und dadurch die Betriebskosten dank der niedrigeren Kosten von Erdgas per BTU verringern.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Motors, der zwischen verschiedenen Betriebsarten/Verbrennungsarten so umschalten kann, daß eine glatte und gesteuerte Leistungsabgabe und gute Geräuschqualität mit dem Motor erzielt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multi-Modusmotors und eines Steuersystems, die den Motor in einen Übergangsbetrieb mit Doppelkraftstoff bei homogenem Gemisch (HCDFT-Übergangsmodus) für den Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsarten versetzen können.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multi-Modusmotors und eines Steuerverfahrens, um den Motor so zu steuern, daß die Emissionen optimal minimiert werden, insbesondere Stickstoffoxide und Partikelemissionen, während die Effizienz maximiert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multi-Modusmotors, der es erlaubt, den kalten Motor leichter anzulassen und dann auf eine oder mehrere Betriebsarten je nach Betriebsbedingungen des Motors überzuführen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Motors, der mit einem einzigen Kraftstoff in verschiedenen Verbrennungsbetriebsarten betreibbar ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Motors, der den Betrieb effektiv zwischen dem Funkenzündmodus und dem PCCI-Betrieb umschalten kann, indem er schnell das Äquivalenzverhältnis ändert, während das Motordrehmoment im wesentlichen konstant bleibt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Motors, der in der Lage ist, den Motorbetrieb zwischen den Betriebsarten umzuschalten, wobei sehr schweres, zerstörendes Klopfen, Fehlzünden, Kohlenmonoxidemissionen und/oder unerwünschte Niveaus unverbrannter Kohlenwasserstoffe vermieden werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Multimodus-Motors und eines Steuersystems, die Kenndaten des Verbrennungsvorgangs, wie den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung, bei verschiedenen Betriebsarten und während des Übergangs zwischen verschiedenen Betriebsarten effektiv steuern, um eine stabile Verbrennung, niedrige Emissionen, akzeptable Druckniveaus und optimale Effizienz sicher zu stellen.
Insbesondere weist der Multi-Modus-Verbrennungsmotor auf einen Motorkörper, Brennkammer, die im Motorkörper gebildet ist, ein Luftansaugsystem, das der Brennkammer Einlaß- bzw. Ansaugluft zuführt, ein Kraftstoffzufuhrsystem, das an Motorkörper befestigt ist, um der Brennkammer einen ersten Kraftstoff zuzuführen, während der Motor im Dieselbetrieb und in einem Übergangsbetrieb mit einem homogenen Doppelkraftstoffgemisch arbeitet, und einen zweiten Kraftstoff in mindestens einer von Luftansaugsystem und Brennkammer zuzuführen, wenn der Motor im Kompressionszündmodus von Vorgemisch und im Übergangsbetrieb mit einem homogenen Doppelkraftstoffgemisch arbeitet. Außerdem umfaßt der Motor ein Steuersystem, das ausgebildet ist, den Motorbetrieb zwischen dem Dieselbetrieb und dem Übergangsbetrieb mit einem homogenen Doppelkraftstoffgemisch und zwischen dem Übergangsmodus mit homogenem Doppelkraftstoffgemisch und dem Kompressionszündmodus umzuschalten.
Das Steuersystem kann ausgebildet sein, das Kraftstoffzufuhrsystem der Brennkammer eine erste Menge des ersten Kraftstoffs zuführen zu lassen, während der Motor im Dieselbetrieb läuft, und, wenn auf den Betrieb mit einem homogenen Doppelkraftstoffgemisch übergegangen wird, das Kraftstoffzufuhrsystem eine Menge des zweiten Kraftstoffs in mindestens eines der Elemente Luftansaugsystem und Brennkammer einführen zu lassen, wobei die Hauptmenge des ersten Kraftstoffs reduziert wird, um das Motordrehmoment mit einem ausreichend konstanten Niveau aufrecht zu erhalten und den Motor in den Betrieb mit einem homogenen Doppelkraftstoffgemisch überzuführen. Das Steuersystem kann außerdem ausgebildet sein, das Kraftstoffzufuhrsystem die Hauptmenge des ersten Kraftstoffs verringern zu lassen, während die Menge des zweiten Kraftstoffs gesteigert wird, so daß die Menge des zweiten Kraftstoffs einen wesentlichen Anteil der insgesamt abgegebenen Kraftstoffenergie ausmacht. Das Steuersystem kann außerdem ausgebildet sein, den Beginn der Verbrennung in der Brennkammer zu steuern und den Beginn der Verbrennung so anzupassen, daß er vor der Zuführung der Hauptmenge des ersten Kraftstoffs eintritt. Das Steuersystem kann außerdem ausgebildet sein, das Kraftstoffzufuhrsystem eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs vor der Verbrennung in der Brennkammer beim Betrieb mit einem homogenen Doppelkraftstoffgemisch zuführen zu lassen. Das Steuersystem kann außerdem ausgebildet sein, das Kraftstoffszufuhrsystem die frühere Voreinspritzmenge an Kraftstoff des ersten Kraftstoffs ausreichend steigern zu lassen, damit der Beginn der Verbrennung vor der Zuführung der Hauptmenge des ersten Kraftstoffs eintritt. Darüber hinaus kann das Steuersystem das Kraftstoffzuführsystem eine Nachzündungs-Einspritzung des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer nach dem Beginn der Verbrennung eines Vorgemischs des zweiten Kraftstoffs mit Luft gemischt in der Brennkammer durchführen lassen, wenn der Motor im Kompressionszündmodus vom Vorgemisch läuft, um den Motor in einem Nachzündungs-Einspritzmodus zu betreiben. Das Steuersystem kann das Kraftstoffzuführsystem auf eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs zu einem Beginn der Verbrennung eines Vorgemischs des zweiten Kraftstoffs mit Luft in der Brennkammer zuführen lassen, wenn der Motor im Kompressionszündmodus von Vorgemisch läuft. Der erste Kraftstoff kann Dieselkraftstoff, Kerosin und Benzin sein, der zweite Kraftstoff kann Erdgas oder Propan sein. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einer Vielzahl von Betriebsarten und für das Überführen zwischen der Vielzahl der Betriebsarten bereit, zu welchen der Betrieb des Motors im Dieselbetrieb, im Kompressionszündmodus von Vorgemisch und Übergangsbetrieb im homogenem Doppelkraftstoffgemisch gehören. Der Motor kann auch einen einzigen Kraftstoff für alle Betriebsarten verwenden, und dieser einzige Kraftstoff kann Dieselkraftstoff oder Benzin sein. Die Menge des einzigen Kraftstoffs, die der Brennkammer zugeführt wird, kann angepaßt werden, um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung anzupassen. Außerdem kann der Zeitpunkt des Öffnens eines Ansaugventils kombiniert mit der Brennkammer gesteuert werden, um das effektive Kompressionsverhältnis für das Steuern des Beginns der Verbrennung anzupassen. Außerdem kann Abgas in die Brennkammer geleitet werden, um den Beginn der Verbrennung zu steuern. Das Verfahren kann einen Schritt des Erfassens einer Verbrennungscharakteristik umfassen, das ein Verbrennungscharakteristiksignal erzeugt und den Beginn der Verbrennung auf der Grundlage des Verbrennungscharakteristiksignals steuert. Das Verfahren kann auch den Betrieb des Motors in einem Funkenzündmodus und in einem Übergangsbetrieb mit Doppelkraftstoffgemisch umfassen, wenn der Motorbetrieb zwischen dem Kompressionszündmodus von Vorgemisch und dem Funkenzündmodus übergeführt wird. Der Funkenzündmodus kann einen Flüssigfunken mit einer Kraftstoffvoreinspritzmenge zum Zünden eines Vorgemischs aus Kraftstoff und Luft umfassen.
Insbesondere ist das Steuerungssystem des Multimodus-Verbrennungsmotors ausgebildet, den Motorbetrieb zwischen einem Funkenzündmodus und einem Übergangsbetrieb mit homogenem Doppelkraftstoffgemisch und zwischen dem Übergangsmodus mit homogenem Doppelkraftstoffgemisch und dem Kompressionszündmodus von Vorgemisch zu transferieren bzw. umzustellen. Das Verfahren in Zusammenhang mit dem Überführen des Betriebs zwischen einem Funkenzündmodus und einem Kompressionszündmodus mit Vorgemisch über einen Übergangsbetrieb mit homogenem Doppelkraftgemisch kann auch einen Schritt umfassen, bei dem der Brennkammer Ansaugluft und ein zweiter Kraftstoff bereitgestellt werden und eine Drosselklappe bzw. ein Drosselventil im Ansaugsystem zum Steuern des Ansaugflusses mindestens eines von Ansaugluft und Vorgemisch aus Ansaugluft und zweiten Kraftstoff. Das Verfahren kann außerdem einen Schritt des Betriebs des Motors im Funkenzündmodus mit teilweise geschlossener Drosselklappe umfassen, um den Ansaugfluß in die Brennkammer zu beschränken, wobei das Vorgemisch des zweiten Kraftstoffs mit Luft ein Äquivalenzverhältnis größer als 0,5 hat. Das Verfahren kann auch einen Schritt umfassen, bei dem die Menge des zweiten Kraftstoffs des Vorgemischs verringert wird, während die Menge des ersten Kraftstoffs, der der Brennkammer zugeführt wird, so gesteigert wird, daß das Motordrehmoment auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird, um das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs auf weniger als 0,5 zu senken. Bei dem Verfahren wird dann die Drosselklappe geöffnet, um den Ansaug fluß zu steigern und den Fluß des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer zu beenden, um den Motor auf den Kompressionszündmodus von Vorgemisch überzuführen. Das Verfahren kann das Öffnen der Drosselklappe und Beenden des Flusses des ersten Kraftstoffs fast gleichzeitig umfassen, wobei die insgesamt abgegebene Kraftstoffenergie auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird. Außerdem kann das Verfahren den Schritt des Öffnens der Drosselklappe umfassen, um den Ansaugstrom so zu steigern, so daß die gesamte der Brennkammer zugeführte Kraftstoffenergie etwa verdoppelt wird. Das Verfahren kann die Menge des zweiten Kraftstoffs auch senken, während die Menge des ersten Kraftstoffs angehoben wird, bis der zweite und der erste Kraftstoff jeweils etwa 50% der gesamten zugeführten Kraftstoffenergie stellen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einer Vielzahl von Betriebsarten und das Überführen des Betriebs zwischen den Betriebsarten bereit, wobei das Verfahren umfaßt Zuführen von Kraftstoff zur Ansaugöffnung oder Brennkammer mit einer vorbestimmten Flußrate, Betreiben des Motors in einem Funkenzündmodus mit teilweise geschlossener Drosselklappe, um den Ansaugluftstrom zur Ansaugöffnung zu beschränken, wobei der Kraftstoff und die Ansaugluft ein Vorgemisch bilden, das ein Äquivalenzverhältnis hat, das größer ist als 0,5. Dieses Verfahren umfaßt den Schritt des Öffnens der Drosselklappe, um den Ansaugluftstrom zu steigern, während die vorausbestimmte Kraftstoffrate im wesentlichen konstant gehalten wird, um das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs auf unter 0,5 zu reduzieren, um den Motor auf den Kompressionszündmodus mit Vorgemisch überzuführen. Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Multimodus-Motor und ein Verfahren zum Betreiben des Motors bereit, wobei der Motor zwischen einem Funkenzündmodus und einem Kompressionszündmodus mit Vorgemisch übergeführt werden kann, indem der Zeitpunkt des Schließens der Ansaugventile über ein variables Ventil-Timingsystem angepaßt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung und zeigt einen einzigen Zylinder des Multimodus-Motors und das dazugehörende Steuersystem;
2 ist eine Grafik, die die Dieselkraftstoffrate als Äquivalenzverhältnis im Verhältnis zur Vorgemischflußrate als Äquivalenzverhältnis darstellt, um den kontinuierlichen Betriebsbereich für den Übergang zwischen den Motorbetriebsarten zu erläutern;
3 ist eine Grafik, die eine andere Dimension der Grafik der 2 zeigt, und zwar mit der Ansaugkrümmertemperatur im Verhältnis zur Vorgemischflußrate als Äquivalenzverhältnis;
4 bis 6 sind Grafiken, die die Motordrehzahl im Verhältnis zur Last zeigen und verschiedene Kombinationen der Betriebsarten und der Übergänge zwischen den Betriebsarten für verschiedene Lasten zeigen;
7 ist eine Grafik, die den Zylinderdruck in Abhängigkeit von der Zylindertemperatur zeigt, um die Wirkung des Öffnens der Drosselklappe zu zeigen;
8a bis 8c sind Grafiken, die den Ansaugkrümmerdruck, Grade der Drosselklappenöffnung und die Drosselflußzone bzw. -fläche in Abhängigkeit von der Zeit zeigen, und
9 ist eine Grafik, die den Zylinderdruck in Abhängigkeit von der Zylindertemperatur zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie nachfolgend im Detail beschrieben wird, stellt einen verbesserten Verbrennungsmotor bereit, der in der Lage ist, in verschiedenen Betriebsarten zu arbeiten, zwischen ihnen überzugehen oder umzuschalten, um die Kraftstoffeffizienz zu steigern und die Abgasemissionen zu reduzieren, während die Startfähigkeit angehoben und die Lastbewältigung über einen Bereich von Motorbetriebsbedingungen gesteigert wird. Insbesondere kann der Multimodus-Motor, generell mit 10 in 1 bezeichnet, im Kompressionszündmodus von Vorgemisch (PCCI), im Dieselbetrieb, im Funkenzündmodus (SI – spark ignition) und im Übergangsmodus mit homogenem Doppelkraftstoffgemisch (HCDFT) betrieben werden. Der Begriff PCCI-Betrieb bezieht sich auf eine Verbrennung, bei der: 1. der größte Teil des Kraftstoffs ausreichend mit Luft vorgemischt wird, um ein brennbares Gemisch in der Gemischcharge im Zeitpunkt der Zündung zu bilden; und 2. das Zünden (der Beginn der Verbrennung) durch Kompressionszünden ausgelöst wird, was Motoren mit Kompressionszünden von homogenen Gemisch (HCCI) umfaßt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Begriff PCCI, so wie er hier verwendet wird, den Gebrauch von Zündzeitbestimmungsmechanismen nicht ausschließt, wie zum Beispiel 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. Unter Dieselbetrieb versteht man hier den herkömmlichen Dieselzyklus und die herkömmliche Dieselverbrennung, die das Steuern des Beginns der Verbrennung (SOC) durch den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung umfaßt. Unter Funkenzündmodus (SI) versteht man hier den Ottomotorzyklus, bei dem der SOC durch den Funkenzeitpunkt gesteuert wird. Insbesondere wird hervorgehoben, daß der Funken entweder elektrisch oder in Form einer Voreinspritzmenge an Kraftstoff erzeugt wird, was hier als Flüssigfunkenzündung (LSI liquid spark) bezeichnet wird. Für die Zwecke der vorliegenden Anwendung versteht man unter dem Begriff funkengezündet oder Funkenzündung oder SI auch den Gebrauch eines entweder elektrischen oder flüssigen Funkens. Der Übergangsbetrieb mit homogenem Doppelkraftstoffgemisch (HCDFT) tritt ein, wenn eine erste Kraftstoffmenge früh im Prozess geformt wird, um ein Gemisch zu bilden, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flamme auszubreiten, und eine zweite Kraftstoffmenge, die größer ist als die Voreinspritzmenge (und vorzugsweise aus einem anderen Kraftstoff als dem ersten besteht) später zugeführt wird, nämlich fast am oberen Totpunkt. Es wird anfänglich hervorgehoben, daß die vorliegende Erfindung bei verschiedenen Typen von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden kann, die verschiedene Kraftstoffe verbrennen, inklusive, aber nicht einschränkend, Erdgas, Benzin, Propan, Wasserstoff, Diesel, Kerosin, Rohbenzin (naphta) und/oder andere Kraftstoffe.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Multimodus-Motors 10, der in der Lage ist, zwischen zwei oder mehreren Betriebsarten überzugehen. Der Multi modus-Motor 10 umfaßt einen Motorkörper 12 mit einem Kolbenaufbau 14. Der Kolbenaufbau 14 und der Motorkörper 12 bilden eine Brennkammer 16 in bekannter Art. Der Motor 10 umfaßt ein Luftansaugsystem 18, das der Brennkammer 16 Einlaß- bzw. Ansaugluft oder eine Kombination aus Ansaugluft und Kraftstoff zuführt, und ein Abgassystem 20 zum Entfernen von Abgasen aus der Brennkammer 16. Es wird darauf hingewiesen, daß zwar nur ein Zylinder in 1 dargestellt wurde, daß die vorliegende Erfindung jedoch in Verbrennungsmotoren verschiedener Konfiguration verwendet werden kann, darunter auch in Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern, zum Beispiel mit vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf oder sechzehn Zylindern. Zusätzlich, und auch wenn der vorliegende Multimodus-Motor in der Hauptsache unter Bezugnahme auf einen Viertaktmotor besprochen wird, können das vorliegende Steuersystem und der Motor die Form eines Zweitaktmotors haben.
Das Einlaß- bzw. Ansaugsystem 18 umfaßt einen Krümmer 20 und eine Einlaß- bzw. Ansaugöffnung 22 zum leiten von Einlaß- bzw. Ansaugluft oder eines Luft-/Kraftstoffgemischs in die Brennkammer 16. Ebenso umfaßt das Abgassystem 20 eine Auslaß- bzw. Abgasöffnung 24, um die Abgase wie weiter unter beschrieben zu leiten. Ein oder mehrere Einlaß- bzw. Ansaugventile, wie das Einlaß- bzw. Ansaugventil 26, und ein oder mehrere Auslaß- bzw. Abgasventile, wie das Auslaß- bzw. Abgasventil 28, befinden sich in den entsprechenden Öffnungen und werden anhand eines herkömmlichen Ventilsteuersystems oder eines variablen Ventiltiming-Steuersystems zwischen der offenen und geschlossenen Position bewegt, um den Strom der Ansaugluft und/oder des Luft-/Kraftstoffgemischs in den Zylinder hinein bzw. aus dem Zylinder herauszusteuern. Das Ansaugsystem 18 kann außerdem eine Drosselklappe 30 zum Steuern des Drucks des Ansaugkrümmers umfassen, und so fließen die Ansaugluft oder das Luft-Kraftstoffgemisch durch das Ansaugsystem 18. Die Drosselklappe kann auch als effizientes Verfahren zum Transferieren zwischen den verschiedenen Betriebsarten wie weiter unten genauer beschrieben verwendet werden. Ein Luftkühler 32 kann ebenfalls vorgesehen werden, um die Temperatur der angesaugten Luft oder des Luft-/Kraftstoffgemischs zu steuern. Ein Luftkühlerbypasskreislauf 34 und ein Bypassventil 36 können bereitgestellt werden, um die Menge an Luft oder Luft-/Kraftstoffgemisch, die durch den Luftkühler 32 fließt, zu steuern, so daß mehr Kontrolle über die Temperatur der Ansaugströmung möglich ist. Ein Kompressor 38 kann dem Ansaugsystem 18, dem Ansaug krümmer 20 und dem Luftkühler 32 vorgeschaltet bereitgestellt werden, um den Aufladeansaugdruck zu variieren. Der Kompressor 38 kann mit herkömmlichen Mitteln angetrieben werden, wie zum Beispiel mit einer Turbine 40 mit Abgasantrieb. Eine Abgasbegrenzung oder -drossel 42 kann vor der Abgasturbine 40 angeordnet werden, um größere Kontrolle über den Verbrennungsprozess zu erlauben, d. h. zum Steuern des Restmasseteils für die Steuerung des SOC. Ein Abgasschieber, der nicht dargestellt wurde, kann in üblicher Weise bereitgestellt werden, um die Menge an Abgas zu regeln, die zur Turbine 40 geleitet wird, um den Ansaugdruck nach Wunsch zu variieren. Eine weitere Möglichkeit, die Ansaugtemperatur zu steuern und somit den SOC, besteht darin, die Rückführung heißer Abgase (hot exhaust gas recirculation – EGR) zu verwenden. Ein EGR-Kreislauf 44 kann dazu verwendet werden, heiße Abgase, die Stromauf der Turbine 40 aufgenommen werden, in das Ansaugsystem 18 zu leiten. Der EGR-Kreislauf 44 umfaßt ein EGR-Steuerventil 46 zum Steuern der Rückführung der Abgase. Das Abgassystem 20 kann auch mit einem Oxidationskatalysator 48 versehen werden, der die Abgase aufbereitet. Vorzugsweise umfaßt der Motor 10 einen Verbrennungssensor 50 zum Erfassen einer Verbrennungscharakteristik, wie zum Beispiel des Zylinderdrucks, und zum Erzeugen eines Signals, das der Verbrennungscharakteristik entspricht. Vorzugsweise wird der Zylinderdrucksensor auf einem oder allen Motorzylindern zum zyklenweisen Erfassen des SOC bereitgestellt. Natürlich kann der Verbrennungssensor 50 auch andere Verbrennungsdaten bereitstellen, wie zum Beispiel die Verbrennungsrate, die Verbrennungszeit, den Kurbelwinkel, bei welchem der Spitzen-Zylinderdruck auftritt, den Verbrennungsvorgang oder die Wärmefreisetzungsstelle und Daten zum Ende der Verbrennung, wobei jede Charakteristik an Stelle der Information über den Beginn der Verbrennung verwendet werden kann, um die Verbrennung effektiv zu steuern. In der vorliegenden Ausführung ist der Sensor 50, der ein Datensignal liefert, ein Drucksensor, andere Sensoren können jedoch verwendet werden, die ein Signal liefern, das den Zylinderdruck angibt, wie zum Beispiel über den Gebrauch in Wechselbeziehung stehender Druckdaten. Zu solchen Sensoren gehören Beschleunigungsmesser, Ionenfühler, optische Diagnosen, Dehnungsmessgeräte, Lastscheiben und/oder schnelle Thermoelemente in oder in der Nähe des Zylinderkopfes, der Zylinderlaufbüchse oder des Kolbens. Es können auch Drehmoment- oder Drehzahlsensoren verwendet werden, um die Änderungen des Drehmoments oder der Drehzahl bei jedem Verbrennungsvorgang zu er fassen. In einer Ausführung kann der Motor auch mit einer Zündkerze 52 versehen werden, um im elektronischen Funkenzündmodus zu arbeiten.
Der Multimodus-Motor 10 umfaßt außerdem ein Steuersystem, generell mit 54 bezeichnet, das eine elektronische Steuereinheit (electronic control unit – ECU) 56 umfaßt, die zum Empfangen eines oder mehrerer Motorzustandssignale von verschiedenen Motorbestandteilen wie in 1 gezeigt konzipiert ist, wie zum Beispiel vom Verbrennungssensor 50 und von einem Motorpositionssensor (nicht dargestellt), und die diese Signale verarbeiten und Steuersignale an die entsprechenden Motorbauteile senden kann, um die Verbrennung effektiv zu steuern, zum Beispiel den Beginn der Verbrennung während jeder der Betriebsarten, um den effektiven und effizienten Transfer des Motorbetriebs zwischen den Betriebsarten zu verwirklichen. Zum Beispiel kann die elektronische Steuereinheit 56 ein oder mehrere Temperatursteuersysteme zum Ändern der Temperatur der Ansaugluft oder des Kraftstoff-Ansaugluftgemischs steuern, ein Drucksteuersystem zum Ändern des Gemischdrucks, das Äquivalenzverhältnis-Steuersystem zum Ändern des Äquivalenzverhältnisses des Gemischs und ein Steuersystem für die Gemisch-Selbstentzündungscharaktertstik zum Ändern der Selbstentzündungscharakteristik des Gemischs, um den Beginn der Verbrennung effektiv zu steuern. Die spezifischen Details der veränderlich steuernden Bauteile in Verbindung mit einem Verbrennungssteuersystem wurden in der Patentanmeldung 09/255,780 besprochen, die am 23. Februar 1999 eingereicht, auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung umgeschrieben und als Internationale Patentanmeldung PCT/US99/03289 veröffentlicht wurde und deren kompletter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird. Es wird hervorgehoben, daß die Erfindungen der vorliegenden Anmeldung je nach Anwendung und Steuerungsfähigkeit entweder mit einer geschlossenen Steuerschleife der PCCI-Verbrennung oder mit einer offenen Steuerschleife verwendet werden können. Dabei versteht sich, daß der Multimodus-Motor der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere der oben genannten Steuersystembauteile umfassen kann, um die Verbrennung effektiv zu steuern. Bei dem wie hier dargestellten Motor kann die ECU 56 bevorzugt das Luftkühler-Bypassventil 36, das EGR-Ventil 46, die eventuelle vorhandenen Zündkerzen 52 und verschiedene Kraftstoffzuführ-/Kraftstoffeinspritzbauteile steuern, inklusive das Ansaugkraftstoffsystem in 64 oder 66, das weiter unten detailliert präsentiert wird. Die ECU 56 kann auch die Drosselklappe 30 und die Abgaseinschränkung 42 steuern. Die ECU 56 kann auch Signale von einem Abgassensor 58 empfangen, der die Bestimmung der Qualität der Verbrennung oder des Beginns der Verbrennung unterstützen kann, indem er das Kohlenmonoxid, den Sauerstoff, Stickstoffoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC), Wasser und/oder Kohlendioxid mißt und entsprechende Signale liefert.
Der Multimodus-Motor 10 umfaßt außerdem ein Kraftstoffzuführsystem, generell mit 60 bezeichnet, das in der bevorzugten Ausführung einen Direktkraftstoffinjektor 62 umfaßt, um unter Hochdruck im richtigen Zeitpunkt während des Motorzyklus Kraftstoff in die Brennkammer 16 einzuspritzen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Zum Beispiel kann der Direktkraftstoffinjektor 62 zum Einspritzen von Kraftstoff verwendet werden, nämlich von Dieselkraftstoff, in der Nähe des oberen Totpunkts, um eine Dieselverbrennung beim Dieselbetrieb zu bewirken; zum Einspritzen einer frühen Voreinspritzmenge im Übergangsbetrieb mit homogenem Doppelkraftstoffgemischbetrieb (HCDFT) und/oder im Kompressionszündmodus von Vorgemisch, um zum Beispiel das Steuern des Zeitpunkts des Beginns der Verbrennung zu unterstützen, ohne die Verbrennung im Zeitpunkt der Einspritzung auszulösen; um Dieselkraftstoff während des HCDFT-Betrieb wie weiter unten detaillierter beschrieben einzuspritzen; um eine Vormenge an Kraftstoff während des Zündmodus mit flüssigem Funken einzuspritzen und/oder Kraftstoff früh im Motorzyklus einzuspritzen, wenn der Motor einen einzigen Kraftstoff verwendet, um zum Beispiel den Dieselbetrieb und den Kompressionszündmodus von Vorgemisch zu verwirklichen. In der bevorzugten Ausführung umfaßt das Kraftstoffzuführsystem 60 außerdem vorgeschaltet eine Kraftstoffzuführung in das Ansaugsystem 18. Vorzugsweise wird der Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 20 in 64 von einer Mischvorrichtung oder einem Vergaser eingeführt, so daß der Kraftstoff mit einer ausreichenden Menge Luft für den Kompressionszündmodus von Vorgemisch und den Funkenzündmodus vorgemischt werden kann. Als Alternative kann die vorgeschaltete Kraftstoffzuführung vor dem Kompressor 38 in 66 oder vor der Ansaugöffnung 22 über die Öffnungseinspritzung 68 zugeführt werden. Als weitere Alternative kann eine zweiter Direktkraftstoffinjektor 70 verwendet werden, um einen anderen Kraftstoff als den vom Direktkraftstoffinjektor 62 eingespritzten Kraftstoff einzuspritzen. Bei einer Ausführung mit dem Direktkraftstoffinjektor 62 und dem Direktkraftstoffinjektor 70 kann der Direktkraftstoffinjektor 62 Dieselkraftstoff für den Dieselbetrieb, für die frühe Dieselvoreinspritzung, für die Nachzündungs-Einspritzungen einspritzen, während der Direktkraftstoffinjektor 70 einen gasförmigen Kraftstoff für den Kompressionszündmodus von Vorgemisch und Übergangsbetriebsarten einspritzt, wie zum Beispiel Erdgas, wie weiter unten genauer besprochen wird. Als Alternative können der Direktkraftstoffinjektor 62 und der Direktkraftstoffinjektor 70 in einem einzigen Injektor kombiniert werden, der in der Lage ist, zwei verschiedene Kraftstoffe einzuspritzen. Jede der Kraftstoffzuführvorrichtungen, die oben besprochen wurden, wird vorzugsweise elektronisch von der ECU 56 gesteuert, um den Zeitpunkt und die Menge einer spezifischen Kraftstoffeinspritzung zu steuern.
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Motor und ein Verfahren zum Betreiben des Motors in verschiedenen Betriebsarten, die auf den Motorbetriebszuständen basieren, um verschiedene Vorteile zu verwirklichen. Wie in 2 bezeigt, erkennt die vorliegende Erfindung, daß der Multimodus-Motor zwischen Betriebsarten transferiert bzw. umgeschaltet werden kann, indem die Verbrennung ständig über die Manipulation bestimmter Motorbauteile gesteuert wird, wie zum Beispiel der Kraftstoffzufuhrvorrichtungen, um eine glatte und gesteuerte Leistungsabgabe und Geräuschqualität zu verwirklichen, wobei Fehlzündungen, übermäßiges Klopfen, unzulässige Emissionen, übermäßige Temperaturen, unerwünschter Kraftstoffverbrauch und unnötiges Sinken der Betriebseffizienz vermieden werden. 2 zeigt verschiedene inakzeptable Betriebszonen und verschiedene akzeptable einander überlappende oder benachbarte Zonen oder Betriebsarten. Zum Beispiel ist der Dieselbetrieb entlang der Y-Achse dargestellt, wobei das Dieselkraftstoff in den Motorzylinder eingeführt wird, während kein vorgemischtes Gas, d. h. Erdgas, eingeführt wird. Die inakzeptablen Betriebszonen sind schraffiert und mit dem unerwünschten Vorgang bezeichnet, der in dieser speziellen Zone auftreten kann, wie zum Beispiel übermäßiges Klopfen oder Fehlzünden. Der Kompressionszündmodus mit Vorgemisch liegt zwischen einer Klopfzone und einer Zone mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC)/Fehlzündungen. Ähnlich liegt der Funkenzündmodus oder Zündmodus mit flüssigem Funken zwischen einer Klopfzone und einer Zone mit UHC/Fehlzündungen, jedoch bei einer höheren Flußrate des vorgemischten Gases oder einem höheren Äquivalenzverhältnis als beim Kompressionszündmodus mit Vorgemisch. Der Übergangsbetrieb mit homogenem Doppelkraftstoffgemisch wird wie in 2 gezeigt durch eine Zone dargestellt, die vom Dieselbetrieb (Y-Achse) zu den Zonen reicht, die dem PCCI-Betrieb und dem LSI-Be trieb entsprechen. Es wird darauf hingewiesen, daß der Funkenzündmodus mit einem elektrisch erzeugten Funken auf der X-Achse wie angegeben liegt, während sich der Zündmodus mit flüssigem Funken gleich über der X-Achse befindet. Wie in 2 gezeigt existiert zwischen den verschiedenen Betriebsarten ein Weg oder Pfad, der einen gesteuerten glatten Übergang zum Beispiel zwischen dem Dieselbetrieb und dem Kompressionszündmodus von Vorgemisch gestattet, indem der HCDFT-Betrieb eingesetzt wird. Ebenso besteht zwischen dem SI/LSI-Modus und dem PCCI-Betrieb ein Pfad, indem die Kraftstoffzufuhr angepaßt wird und vielleicht andere Motorbedingungen, wie zum Beispiel die Ansaugkrümmertemperatur oder das Kompressionsverhältnis.
Es wird hervorgehoben, daß die Grafik der 2 nur eine ungefähre Darstellung der verschiedenen Zonen ist und nicht dazu bestimmt ist, die genauen Entsprechungsverhältnisse für Kraftstoffe in den verschiedenen Betriebsarten anzugeben. Im allgemeinen funktioniert der Kompressionszündmodus mit Vorgemisch mit einem Äquivalenzverhältnis unter 0,5, während das Äquivalenzverhältnis des vorgemischten Gases des Funkenzündmodus über 0,5 liegt. Insbesondere ist es wünschenswert, im Kompressionszündmodus von Vorgemisch mit einem Äquivalenzverhältnis des vorgemischten Gases im Bereich von etwa 0,25 bis 0,45 und vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,35 zu arbeiten, während der Funkenzündmodus bei einem höheren Äquivalenzverhältnisses des vorgemischten Gases als 0,6 auftreten kann.
Die Grafik der 2 kann aus der hochliegenden Perspektive gesehen werden, wobei die Z-Achse eine Motorsteuerfähigkeit darstellt, die in der Lage ist, den Kompressionszündmodus zu fördern, wie zum Beispiel die Ansaugkrümmertemperatur, das Kompressionsverhältnis oder eine frühe Dieselvoreinspritzung wie in 3 gezeigt. 3 zeigt mit mehr Präzision, daß sowohl der PCCI-Betrieb als auch der LSI-Betrieb durch getrennte akzeptable Betriebsregionen oder -zonen charakterisiert sind. Da sich der PCCI-Betrieb und der LSI-Betrieb senkrecht nur sehr wenig überlappen, ist ersichtlich, daß Änderungen an einem oder mehreren Motorbauteilen zur Durchführung der wünschenswerten Betriebsbedingung, wie zum Beispiel an der Ansaugkrümmertemperatur oder dem Kompressionsverhältnis erforderlich sein können, um glatt und gesteuert von einem Betrieb auf den anderen überzugehen. Als Alternative können die Motorbetriebsbedingungen geändert werden, um plötzlich und ohne gesteuerten glatten Übergang von einer Betriebsart auf die andere umzuspringen, wobei der Flüssigfunken eliminiert und gleichzeitig der Kraftstofffluß angepaßt wird, um das Äquivalenzverhältnis für den PCCI-Betrieb zu senken. Dieses plötzliche "Springen" zwischen den Zonen der 3 ergibt als Nachteil unerwünschte Schwankungen in der Leistungsabgabe und der Geräuschqualität des Motors und vielleicht Fehlzündungen, unerwünschte Emissionen und übermäßiges Klopfen. Die vorliegende Erfindung offenbart einen Multimodus-Motor, der in der Lage ist, in spezifischen Betriebsarten zu funktionieren und erfolgreich zwischen den Betriebsarten überzugehen, um die Effizienz zu maximieren, die Emissionen zu minimieren, die unerwünschten Zonen der 2 zu vermeiden und eine höhere Gassubstitutionsrate zu schaffen, wodurch die Betriebskosten auf Grund der geringeren Preise bestimmter gasförmiger Kraftstoffe, wie zum Beispiel Erdgas pro BTU im Vergleich zum Beispiel zu Dieselkraftstoff reduziert werden. Im Wesentlichen zeigen 2 und 3, daß der HCDFT-Betrieb als Überbrückung zwischen verschiedenen Betriebsarten verwendet werden kann, zum Beispiel zwischen dem PCCI-Betrieb und dem SI/LSI-Betrieb oder zwischen dem Dieselbetrieb und dem PCCI-Betrieb oder dem SI/LSI-Betrieb.
Unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 umfaßt die vorliegende Erfindung Motoren, die in der Lage sind, in verschiedenen Betriebsartenkombinationen zu laufen und mit verschiedenen Betriebsverfahren in verschiedenen Betriebsarten und beim Transferieren zwischen verschiedenen Betriebsarten. Zum Beispiel zeigt 4 eine Ausführung eines Multimodus-Motors der vorliegenden Erfindung, der zwischen dem Dieselbetrieb und dem PCCI-Betrieb anhand des HCDFT-Betriebs transferiert. Vorzugsweise startet der Motor im Dieselbetrieb, um die Startbarkeit zu fördern. Während es möglich ist, über einen signifikant umfangreichen Bereich von Motordrehzahlen und Lasten im PCCI-Betrieb zu funktionieren, ist das Starten im PCCI-Betrieb auf Grund kalter Motorteile weitaus schwieriger, die große Wärmetransferverluste von der Last verursachen und auf Grund des Fehlens von Wärmequellen, wie zum Beispiel EGR. Schließlich wird bei der besten Umsetzung des vorliegenden Multimodus-Motors entweder im Diesel- oder Funkenzündmodus gestartet und auf den PCCI-Betrieb übergegangen. Im Allgemeinen funktioniert die Ausführung der 4 beim Starten im Dieselbetrieb und mit Übergängen auf den PCCI-Betrieb bei leichten und mäßigen Motorlasten durch Aktivieren des HCDFT-Betriebs für eine kurze Periode während des Übergangs. Bei hohen Motorlasten kann es wünschenswert sein, vom PCCI-Betrieb zum Dieselbetrieb zurückzukehren, wobei der HCDFT-Betrieb wieder kurzfristig während des Übergangs zwischen Betriebsarten verwendet wird.
5 zeigt eine weitere Ausführung des vorliegenden Multimodus-Motors und ein Betriebsverfahren, bei dem der Multimodus-Motor 10 im SI/LSI-Betrieb startet und auf den PCCI-Betrieb übergeht, wenn es die Motorbedingungen verlangen, wie zum Beispiel wenn die Motorlast und Motordrehzahl einen vorausbestimmten Punkt erreichen, indem der HCDFT-Betrieb wie weiter unten genauer beschrieben verwendet wird. Ebenso kann der Motor bei höheren Motorlasten auf den SI/LSI-Betrieb oder auf den Dieselbetrieb, vom PCCI-Betrieb zurückkehren und dabei den HCDFT-Betrieb verwenden. In der Ausführung der 6 kann der Motor im Dieselbetrieb gestartet und auf den PCCI-Betrieb und dann auf den SI/LSI-Betrieb übergeführt werden und dann bei höchsten Lasten zum Dieselbetrieb zurückkehren. Die Übergänge erfolgen wieder im HCDFT-Betrieb und durch Steuern eines oder mehrerer Motorbestandteile wie weiter unten genauer beschrieben. Bei allen Ausführungen der 4 bis 6 kann der Motor im HCDFT-Betrieb gestartet werden (an Stelle des Diesel- oder des LI/LSI-Betriebs) und auf den PCCI-Betrieb übergehen.
Das Steuersystem 54 bestimmt die Betriebsbedingungen für das Umschalten oder Transferieren zwischen den verschiedenen Betriebsarten und steuert die erforderlichen Bauteile, wie zum Beispiel die Kraftstoffzuführvorrichtungen so, daß der Transfer wie weiter unten genauer beschrieben verwirklicht wird. Zum Beispiel berücksichtigt das Steuersystem 54 vorzugsweise die Motordrehzahl oder die Motorlast als Hauptfaktoren und berücksichtigt vorzugsweise auch die Ansaugtemperatur, den Ansaug/Aufladedruck und/oder ob das jeweilige Motorbetriebsereignis ein Spitzenereignis ist oder nicht. Der Motor kann zum Beispiel so ausgelegt werden, daß eine Bezugstabelle in der ECU 56 geschaffen wird, die die Drehzahl- und Lastbereiche festlegt, bei welchen der Motor im Dieselbetrieb, PCCI-Betrieb und im SI/LSI-Betrieb funktioniert und bei welchen Drehzahl- und Lastbereichen der Motor beginnt, über den HCDFT-Betrieb auf eine andere Betriebsweise zu transferieren. Eine Steuerung auf Modellbasis kann auch verwendet werden, um auf Echtzeitbasis zu berechnen, ob die Bedingungen für eine spezifische Betriebsweise günstig sind, und um die Übergangsbedingungen zu berechnen, bei welchen der Motor zwischen den Betriebsarten umschalten sollte.
Die Berücksichtigung ob eine spezielle Bedingung oder ein Ereignis eine Spitze ist oder nicht, kann eine getrennte Übergangsstrategie bestimmen. Wenn die ECU zum Beispiel ein Signal mit der Forderung nach einem substantiellen Anheben der Motorabtriebsleistung auf Grund einer Motorlaststeigerung erhält, kann bestimmt werden, daß vom SI/LSI- oder Dieselstartbetrieb direkt zum entgegengesetzten Diesel- oder SI/LSI-Betrieb für hohe Lastbedingungen übergegangen und der PCCI-Betrieb übersprungen wird. Bestimmt die ECU andererseits einen allmählicheren Übergang und/oder eine viel niedrigere Lastforderung, zum Beispiel ein Ansteigen von 15% Last auf 40% Last, kann das Steuersystem 54 den Transfer auf den PCCI-Betrieb auslösen.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird Erdgas als Kraftstoff verwendet und im PCCI-Betrieb und im HCDFT-Betrieb mit Luft gemischt, während als Flüssigfunken im LSI-Betrieb und beim Einführen von Kraftstoff in der Nähe des oberen Totpunkts im Diesel- und HCDFT-Betrieb Dieselkraftstoff verwendet wird. Wie bereits erwähnt, können unterschiedliche Kraftstoffe verwendet werden, wie zum Beispiel Benzin, Alkohole, Propan, Wasserstoff, Schmieröl und Kerosin. Vorzugsweise können Kraftstoffe mit höherer Cetenzahl an Stelle von Dieselkraftstoff verwendet werden und Kraftstoffe mit niedrigerer Cetenzahl an Stelle von Erdgas.
Ein bevorzugtes Verfahren des Übergehens zwischen dem Dieselbetrieb und dem PCCI-Betrieb umfaßt den Einsatz des Übergangsbetriebs mit homogenem Doppelkraftstoff (HCDFT) mit der folgenden Vorgehensweise. Der Multimodus-Motor 10 startet im reinen Dieselbetrieb, wobei der Direktkraftstoffinjektor 62 einen Kraftstoff mit hoher Cetanzahl einspritzt, nämlich Dieselkraftstoff, und zwar in etwa am oberen Totpunkt der Kolbenaufbau 14, um die herkömmliche Dieselverbrennung zu erzielen. Während des Hochlaufens oder bei einem anderen Punkt des Motorbetriebs läuft der Motor daher im Dieselbetrieb mit Dieselkraftstoff nur in Form eines späten/typischen Dieseleinspritzereignisses. Zu Beginn des Betriebs oder an einem anderen Punkt des Betriebs wird vom Direktkraftstoffinjektor 62 vor dem Einspritzen der herkömmlichen Dieseleinspritzung und vorzugsweise vor etwa 60 Grad vor dem oberen Totpunkt eine frühe Voreinspritzung vorgenommen. Weitere Details zum Einsatz und zur Durchführung einer frühen Dieselvoreinspritzung werden im Detail in der anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Internal Combustion Engine Operable in PCCI Mode with Early Control Injection and Method of Operation", die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird, besprochen. Die Menge der frühen Voreinspritzung entspricht einem kleinen Prozentsatz der gesamten Kraftstoffenergie, während so gut wie die ganze Menge der Kraftstoffenergie während des typischen Dieseleinspritzvorgangs vom Direktkraftstoffinjektor 62 eingespritzt wird. Das vorgemischte Gas, d. h. Erdgas, wird dann zum Ansaugsystem 18 entweder in 64, 66 oder zum Einlassinjektor 68 oder alternativ in einem zylinderinternen Injektor 70 in einem Schrittwechsel zu einem Niveau der Kraftstoffzufuhr hinzugefügt, z. B. mit einem ϕ größer als etwa 0,25, um eine vernunftgemäß komplette Verbrennung im homogenen/vorgemischten Anteil des Gemischs sicher zu stellen (d. h. der Anteile, die durch die späte Dieseleinspritzung nicht direkt beeinflußt werden). Vorzeugsweise wird fast gleichzeitig mit der Steigerung des Erdgases die Menge der späten Dieseleinspritzung verringert, so daß das Gesamtmotordrehmoment auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau bleibt, um einen glatten Leistungsübergang mit minimalem Motorgeräusch zu verwirklichen. Bei einem Erdgas-Öffnungseinspritzsystem, also unter Gebrauch des Öffnungskraftstoffinjektor 68, der Änderungen in der Kraftstoffzufuhr sofort und zyklusweise erlaubt, lassen sich Anpassungen der Kraftstoffmengen problemlos durchführen. Bei der Ausführung, die vorgeschaltet gemischtes/vorgemischtes Erdgas verwendet, das in Fig. in 64 oder 66 eingeführt wird, wird die Transportverzögerung zwischen dem Einführpunkt des Erdgases in das Ansaugsystem 18 und bis zur Brennkammer von der Steuereinheit 54 bestimmt und berücksichtigt, indem der Zeitpunkt der Verringerung der späten Kraftstoffeinspritzmenge berechnetet wird, so daß die Summe der Kraftstoffenergie, die der Brennkammer 16 zugeführt wird, außer bei den erforderlichen Anpassungen des Kraftstoffflusses auf Grund der Betriebseffizienz relativ konstant bleibt. Sobald der Motor 10 sowohl mit dem vorgemischten Erdgas als auch der späten Dieseleinspritzung läuft, funktioniert der Motor im Doppelkraftstoff-Übergangsmodus mit homogener Ladung (HCDFT). Die Menge der späten Dieseleinspritzungen wird dann verringert, bis so gut wie die ganze Kraftstoffenergie vom Erdgas des Vorgemischs herrührt und nur ein sehr kleiner Teil des Dieselkraftstoffs in der Nähe des oberen Totpunkts eingespritzt wird, um die Verbrennung sicher zu stellen/fortzusetzen. Je nach Anwendung kann die Menge der späten Dieseleinspritzung automatisch anhand eines Drehzahl- oder Lastreglers für den Betrieb im Dieselbetrieb, den die meisten Dieselmotoren besitzen, reduziert/getrimmt wer den. Falls es noch nicht geschehen ist, wird in diesem Punkt die Einspritzung der frühen Dieselvoreinspritzung ausgelöst. Die Menge Diesel, die bei diesem frühen Einspritzvorgang eingespritzt wird, wird gesteigert, bis der SOC vorverlegt wird, d. h. vor der späten Dieseleinspritzung erfolgt. Der Verbrennungsfühler 50 kann verwendet werden, um das Zünden oder den Beginn der Verbrennung zu erfassen und ein geeignetes Signal an die ECU 56 zu senden, die wiederum die Einspritzung 62 so steuert, daß die Menge der frühen Dieseleinspritzung angepaßt wird. Wenn der SOC eintritt, bevor die späte Dieseleinspritzung erfolgt, steuert die frühe Dieseleinspritzungsmenge den SOC, und das Kompressionszünden tritt ohne die Unterstützung der späten Dieseleinspritzung ein. Die Menge der späten Dieseleinspritzung kann dann entweder komplett eliminiert werden, ohne daß sich daß signifikant auf die Verbrennungsleistung auswirkt, oder bis zu einem gewissen Grad als Einspritzung nach der Verbrennung aufrecht erhalten werden, um die Emissionen wie unten besprochen zu reduzieren. Die Schritte für das Übergehen vom Dieselbetrieb auf den PCCI-Betrieb können dann einfach umgekehrt werden, um vom PCCI-Betrieb auf den Dieselbetrieb überzugehen. Einer der Vorteile des vorliegenden Multimodus-Motors und des Betriebsverfahrens ist die Maximierung der Menge des Erdgases in Bezug auf die verwendete Dieselkraftstoffmenge. Um den Anteil an Erdgas zu maximieren (d. h. h. die Substitutionsrate), ist jetzt ersichtlich, daß ein "Pfad" oder Weg der 2 befolgt bzw. eingeschlagen werden kann, der die Dieselkraftstoffmenge reduziert und dadurch auch die Kraftstoffkosten. Für diesen Pfad muß der Anteil des Dieselkraftstoffs durch Ändern der Dieselkraftstoffrate geändert werden, was zum Teil die Kompressionstemperatur durch Ändern der Energiefreigabe aus der Dieselvoreinspritzung ändert. Die Ansaugkrümmertemperatur oder die Kompressionstemperatur am oberen Totpunkt können weiter nach Bedarf geändert werden, indem irgend ein Motorbauteil verwendet wird, der in der Lage ist, die Temperatur zu ändern, so daß der Luftkühler 32 und/oder der EGR-Kreislauf 44 und/oder Heizvorrichtungen (nicht dargestellt) gesteuert werden. Natürlich besteht ein Kompromiss zwischen der Einfachheit und Robustheit des Steuersystems und der eingespritzten Dieselkraftstoffmenge. Je höher der Prozentsatz an Dieselkraftstoff ist, desto leichter fällt das Steuern des Motors. Da die Dieselkraftstoffmenge reduziert wird (und der Anteil an Erdgas gesteigert), sind wahrscheinlich ausgeklügeltere Steuerungen und Sensoren erforderlich.
Eine andere Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist der Betrieb des Multimodus-Motors nach der Grafik der 4, aber mit nur einem Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff oder Benzin für alle Betriebsarten. Für diese Ausführung oder irgendeine andere hier besprochene Ausführung kann nach dem Eintreten der PCCI-Zündung auch eine Nachzündeinspritzung erfolgen, sobald der PCCI-Betrieb läuft, so daß der Motor in das versetzt werden kann, was als Einspritzbetrieb nach Vorgemischzündung (post premixed ignition injection – PPII) bezeichnet werden kann. Dabei wird eine zusätzliche Kraftstoffmenge, nämlich Dieselkraftstoff oder Erdgas nach dem Beginn des PCCI-Verbrennungsvorgangs eingespritzt, und zwar entweder während der PCCI-Verbrennung oder nach dieser Verbrennung. Die Menge des Einspritzbetriebs nach Vorgemischzündung ergibt eine Verringerung der Abgasemissionen und steigert die Kraftstoffeffizienz. Die Details des Einsatzes und der Durchführung der Nachzündeinspritzung werden in der anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Internal Combustion Engine Operable in PCCI Mode with Post-Ignition Injection and Method of Operation" besprochen, die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird. Natürlich kann ein Nachzündeinspritzsystem im PCCI-Betrieb bei einer beliebigen der hier besprochenen Ausführungen verwendet werden, um die genannten Vorteile zu erzielen. Bei der vorliegenden Ausführung mit einem einzigen Kraftstoff, wird ein einziger Direktkraftstoffinjektor 62 verwendet, um jede Einspritzung durchzuführen, ohne daß andere Kraftstoffzuführvorrichtungen benötigt werden. Als Alternative kann ein einziger Kraftstoff in das Ansaugsystem 18 oder über den Öffnungskraftstoffinjektor 68 kombiniert mit dem Direktkraftstoffinjektor 62 zugeführt werden, um sicher zu stellen, daß das Dieselkraftstoff während des PCCI-Betriebs ausreichend durchgemischt wird. Der Multimodus-Motor der vorliegenden Ausführung wird im herkömmlichen Dieselbetrieb wie in 4 gezeigt gestartet und für den Betrieb mit leichten Lasten über die Übergangsschritte, die oben beschrieben wurden, auf den PCCI-Betrieb umgeschaltet. Vorzugsweise läuft der Motor während des Leichtlastbetriebs mit Selbstansaugung. Außerdem hat der Motor ein niedriges Kompressionsverhältnis, da Dieselkraftstoff eine starke Tieftemperaturreaktivität aufweist und im PCCI-Betrieb verwendet wird. Eine andere Art des Kompensierens für die starke Tieftemperaturreaktivität des Dieselkraftstoffs besteht im Einsatz einer gekühlten EGR, um sicher zu stellen, daß der SOC in der Nähe des oberen Totpunkts liegt. Bei mäßigen Motorlasten kann der Motor weiterhin im PCCI-Betrieb oder durch Hinzufügen der Nacheinspritzung nach dem oben genannten Patentantrag im Einspritzbetrieb nach Vorgemischzündung funktionieren. Bei mäßigen Lasten kann der Motor die Turboaufladung verwenden, das Vorverdichten oder die Selbstansaugung. Unter Einsatz der umgekehrten Schritte des oben beschriebenen Vorgangs für das Übergehen vom Dieselbetrieb auf den PCCI-Betrieb kann der Motor der vorliegenden Ausführung bei hohen Lasten auf den herkömmlichen Dieselbetrieb transferiert oder im Einspritzbetrieb nach Vorgemischzündung betrieben werden. Auch hier kann der Motor wieder Turboaufladung, Vorverdichten oder Selbstansaugung verwenden. Vorzugsweise ist das geometrische Kompressionsverhältnis hoch, nämlich 16 bis 17:1. Das variable Ventiltiming kann verwendet werden, um das effektive Kompressionsverhältnis oder Dehnungsverhältnisse zu ändern. Außerdem können heiße EGR und eventuell gekühlte EGR zum Steuern des allgemeinen Beginns der Verbrennung verwendet werden, während der Beginn der Verbrennung für jeden Zylinder durch Trimmen der Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt wird. Dieser Motor ist dadurch vorteilhaft, daß er nur einen Kraftstoff verwendet und daher im Betrieb einfacher ist als ein Doppelkraftstoffmotor, bei dem Änderungen an bestehenden Motoren erforderlich sein können und kompliziertere und robustere Steuerungen. Die Studien der Anmelder haben gezeigt, daß im PCCI-Betrieb für eine bestimmte Testsituation die Ansaugkrümmertemperatur, die erforderlich ist, um den Beginn der Verbrennung bei TDC (top dead center) zu platzieren für Dieselkraftstoff etwa 317 °K beträgt, wenn IMP 0,5 bar absolut entspricht und das Kompressionsverhältnis bei 16,3:1 liegt. Diese Temperatur läßt sich bei der angegebenen IMP leicht verwirklichen. Um den PCCI-Betrieb bei höheren Lasten zu verwenden, kann das geometrische Kompressionsverhältnis niedriger sein, das effektive Kompressionsverhältnis kann durch Einsatz des variablen Ventiltimings oder der gekühlten EGR verwendet werden, um das Selbstzünden zu unterdrücken, während das hohe geometrische Kompressionsverhältnis, nämlich 16,3:1 aufrecht erhalten wird. Diese Ausführung des Motors kann hohen Wirbel, hohe EGR und/oder kurze Einspritzzeiten in der Nähe oder nach TDC verwenden, um eine weitgehend vorgemischte Verbrennung bei höheren Lasten oder mäßigen Lasten zu erzielen, wodurch sich niedrige Emissionen ergeben. Es wird auch darauf hingewiesen, daß andere Kraftstoffe mit starker Tieftemperaturreaktivität verwendet werden können, wie zum Beispiel Kerosin oder Benzin.
Die Schritte für das Übergehen vom SI- oder LSI-Betrieb auf den PCCI-Betrieb für eine der Ausführungen, die in diesen beiden Betriebsarten funktioniert, können im Wesentlichen gleich sein wie die oben beschriebenen Schritte für den Übergang zwischen dem Diesel- und dem PCCI-Betrieb. Insbesondere beim LSI-Betrieb wird die Menge Dieselvoreinspritzung, die als Flüssigfunken dient, gleichzeitig mit dem Sinken der Menge Erdgas gesteigert, um das Motordrehmoment auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau zu halten. Dadurch wird die insgesamt zugeführte Kraftstoffenergie im Wesentlichen auf einem relativ konstanten Niveau gehalten, außer bei Anpassungen für Effizienzänderungen. Mit anderen Worten wird der Motor kalibriert, so daß der Kraftstofffluß zur Effizienzänderung angepaßt wird, um ein relativ konstantes Drehmoment zu erzielen. Vorzugsweise wird diese Steigerung des Dieselkraftstoffs und Verringerung des Erdgases weitergeführt, bis das Dieselkraftstoff und das Erdgas jeweils etwa 50% der gesamten zugeführten Kraftstoffenergie beitragen und das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs des Erdgases mit Luft innerhalb des Betriebsbereichs des PCCI-Betriebs liegt, d. h. unter 0,5, vorzugsweise 0,35. Eine frühe Diesel-Voreinspritzmenge wird dann hinzugefügt und die späte Dieseleinspritzung verringert. Die frühe Diesel-Einspritzmenge wird angehoben, bis der SOC vor das herkömmliche späte Einspritzen vorverlegt wird. Die späte Dieseleinspritzung kann dann eliminiert werden, denn die Kompressionszündung tritt erfolgreich ein. Der Übergang vom PCCI-Betrieb auf den LSI-Betrieb bedeutet dann einfach die umgekehrte Durchführung dieser Schritte. Wie ersichtlich ist, funktioniert der Motor eigentlich im Doppelkraftstoff-Übergangsmodus mit homogener Ladung, wenn die Menge des Flüssigfunkens ausreichend angehoben wurde, so daß sie als Dieseleinspritzmenge in ein Vorgemisch wirkt, das magerer ist als das Gemisch, das während des LSI-Betriebs zugeführt wird, das aus einem Gemisch besteht, das reich genug ist, um eine Flamme auszubreiten (typisch ϕ über 0,5). Beim Transferieren vom elektrischen SI-Betrieb (im Gegensatz zum flüssigen LSI-Betrieb), beginnt der Direktkraftstoffinjektor 62 mit dem Einspritzen der Kraftstoffmenge in der Nähe des oberen Totpunkts und dem Steigern dieser Menge, während das vorgemischte Gas verringert wird.
Der Transfer zwischen dem Dieselbetrieb und dem LSI-Betrieb, wie er zum Beispiel von der Ausführung der 6 bereitgestellt wird, wird ebenfalls über den HCDFT-Betrieb verwirklicht. Die Flüssigfunkenmenge wird gleichzeitig mit dem Verringern der Menge oder der Flußrate des vorgemischten Gases gestei gert, um das Motordrehmoment auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau zu halten und den Motor auf HCDFT-Betrieb überzuführen. Ein Transfer auf den Dieselbetrieb ist dann im Wesentlichen gleich wie der oben beschriebene. In Bezug auf die 5 ist hervorzuheben, daß der Motor bei hohen Lasten im Dieselbetrieb statt im LSI-Betrieb funktionieren kann. Außerdem kann der jeweilige Motor in Bezug auf jede der Ausführungen von der Startbetriebsweise, das heißt dem SI/LSI-Betrieb auf den PCCI-Betrieb über den HCDFT-Betrieb übergehen, ohne daß es notwendig wäre, je nach der speziellen Anwendung oder den Betriebsbedingungen einen anderen Betrieb anzuwenden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch den Multimodus-Motor der 1 bereit, der in der Lage ist, schnell zwischen dem SI/LSI-Betrieb und dem Betrieb überzugehen oder transferiert zu werden, indem der Luftfluß zum Motor schnell angepaßt wird, wodurch das Äquivalenzverhältnis ausreichend geändert wird, um den PCCI-Betrieb zuzulassen. Im Allgemeinen öffnet sich die Drosselklappe der 1 beim SI-Betrieb plötzlich, während die Kraftstoffrate konstant bleibt. Insbesondere wenn die Drosselklappe teilweise geschlossen ist, läuft der Motor anfänglich im normalen mageren Funkenzündmodus mit z. B. einem Ansaugkrümmerdruck von 7 psi und einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,7. Durch plötzliches Öffnen der Drosselklappe 30 (gleich nach dem Schließen des Ansaugventils des letzten SI-Zyklus), wird der Ansaugkrümmerdruck auf etwa 14 psi gesteigert, während die Kraftstoffrate konstant gehalten wird, wodurch das Äquivalenzverhältnis auf etwa 0,35 sinkt. Die gesteigerte Ansaugung und daher der Kompressionsdruck befördern das Gemisch über die Zündlinie der 7, so daß der Motor auf PCCI-Betrieb übergeführt wird. Die untere Kurve der Fig. entspricht der normalen SI-Verbrennung, bei der die Restgase durch das Kompressionserhitzen nicht über die Zündlinie befördert werden, während der Rest des Gemischs brennt. Die obere PCCI-Betriebslinie tritt bei der oder in der Nähe der konstanten Kraftstoffflußrate auf, die Bremsleistung (Drehmoment/PS) bleibt während des Übergangs nahezu konstant/glatt. Der Ansaugdruck sowie die Kraftstoffzufuhrniveaus auf beiden Seiten des Übergangs können beeinflußt werden, um Unterschiede in der Verbrennungseffizienz und mittleren effektiven Pumpdruck zu verschieben, so daß ein nahtloser Übergang (glattes/konstantes Drehmoment) zwischen den Betriebsarten entsteht. Die Anmelder haben die Bedingungen festgelegt, die erforderlich sind, um einen solchen Übergang ohne Ändern des Bremsmoments des Motors durchzuführen. Diese Bedingungen und die Wirkung auf den Ansaugkrümmerdruck, Drosselwinkel durch Zeit und Drosselflußzone durch Zeit sind in den 7 und 8a bis 8c dargestellt. Es wird hervorgehoben, daß die Zeit für eine Motorumdrehung (halber Motorzyklus) etwa gleich lang ist wie die Zeit, die für ein ausreichendes Ansteigen der IMP erforderlich ist. Daher sollte durch das richtige Koordinieren des Übergangs auf den erfolgreichen SI-Zyklus ein effektiver PCCI-Zyklus ohne nichtzündende Zyklen dazwischen folgen.
Wie angegeben ist das zuvor besprochene Verfahren zum Überführen vom SI-Betrieb auf den PCCI-Betrieb gleich effektiv für Transfers entweder von einem Betrieb mit Flüssigfunkenzündung (LSI – liquid spark ignition) oder einem Betrieb mit elektrischer Funkenzündung auf den PCCI-Betrieb, da LSI fast mit dem normalen elektrischen SI-Betrieb identisch ist, weil der Primärverbrennungsmechanismus die Ausbreitung einer Flamme durch ein vorgemischtes Gemisch ist. Der Hauptunterschied besteht darin, daß statt des Zündens des Gemischs mit einem Funken mit einer kleinen Voreinspritzung von Diesel (oder anderem Kraftstoff mit hoher Cetan-/niedriger Oktanzahl) in der Nähe von TDC gezündet wird. Diese Piloteinspritzung brennt im Dieselbetrieb (Flammenausbreitung) und zündet einen Teil des Vorgemischs. Der LSI-Betrieb ist vor allem durch seine Fähigkeit interessant, zum Anlassen des Motors schnell Hitze zu erzeugen. Auf Grund der insgesamt reicheren Gemische, die für das Ausbreiten einer Flamme erforderlich sind (im Vergleich zum Dieselkraftstoff), sind die Zyklustemperaturen viel höher. Diese gesteigerten Temperaturen führen beim SI/LSI-Betrieb zu einem viel schnelleren Aufwärmen des Motors als beim Dieselbetrieb. Da die Fähigkeit, im PCCI-Betrieb funktionieren zu können, stark von der Temperatur der Brennkammerwände abhängt (durch die Wirkungen der Wärmeübertragung auf die Gemischtemperatur), kann dieser Betrieb erfolgreich auf den PCCI-Betrieb übergehen, je schneller der Motor aufgewärmt werden kann. Der gleiche Übergangsverlauf kann auch auf den Übergang von der stöchiometrischen oder sogar reichen SI/LSI-Verbrennung auf den PCCI-Betrieb angewandt werden: im Prinzip wird die Drosselklappe mit fast konstanten Kraftstoffraten plötzlich geöffnet und das Äquivalenzverhältnis sinkt, während der Ansaugdruck steigt, so daß Kompressionsdrücke und -temperaturen entstehen, die hoch genug sind, um das Gemisch über die Zündlinie in den PCCI-Betrieb zu befördern. Der Vorgang kann auch zum Rücktransfer von den SI/LSI-Betriebsarten auf den PCCI-Betrieb angewandt werden. Vernunftgemäß kann angenommen werden, daß während des Übergangs die Ansaugtemperatur konstant bleibt, und zwar auf Grund der sehr signifikanten Wärmeträgheit des Motors und der Ansaugbauteile sowie auf Grund der Tatsache, daß der Übergang in einem Motorzyklus erfolgt. Wenn geeignete Mittel zum Durchführen schneller Änderungen der Ansaugtemperaturen vorhanden sind, können diese beim Zurückkehren vom PCCI-Betrieb auf den SI/LSI-Betrieb eingesetzt werden, um für einen glatten Übergang zu sorgen. Zum Beispiel kann die Einlasseinspritzung von Wasser oder Methanol (oder eines anderen Alkohols) verwendet werden, um die Ansaugtemperatur signifikant zu senken (durch Hitzeverdampfungseffekte), um den Übergang vom PCCI- auf den SI/LSI-Betrieb zu erleichtern.
Im Wesentlichen verringert der oben genannte Vorgang des plötzlichen Öffnens der Drosselklappe 30 das Äquivalenzverhältnis um etwa die Hälfte und erlaubt dadurch einen Sprung vom elektrischen SI-Teil der X-Achse in 2 über die unerwünschte Zone in die PCCI-Betriebszone von einem Motorzyklus zum nächsten, während die Leistung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Weil die Leistung oder das Motordrehmoment hauptsächlich von der Kraftstoffrate abhängt, muß der Luftfluß sehr schnell geändert werden, während die Kraftstoffrate im Wesentlichen konstant gehalten wird. Mit der Einlass- oder direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder kann dieser Vorgang ziemlich einfach wie beschrieben verwirklicht werden. Mit einem vorgeschaltet gemischten Kraftstoffzuführsystem bewirkt die Änderung im Druck/Luftfluß jedoch den Äquivalenzverhältniswechsel, was zum Fehlzünden beim Übergang vom PCCI-Betrieb auf den SI/LSI-Betrieb und zu schwerem Klopfen (potentieller Beschädigung) beim Übergang vom SI/LSI-Betrieb auf den PCCI-Betrieb führen kann. Eine Lösung funktioniert wie folgt. Angenommen, der der Motor läuft im SI/LSI-Betrieb mit einer Ansaugdruckdrosselung auf 0,5 bar und einem Äquivalenzverhältnis von 0,7 (wobei das vorgemischte gas, d. h. Erdgas fast den gesamten, wenn nicht sogar den ganzen Kraftstoff stellt). Beim Beginn des Übergangs beginnt der Erdgasstrom sich zu reduzieren und das Dieselkraftstoff, das so hinzugefügt wird (z. B./über den Direktkraftstoffinjektor 62), daß der gesamte Kraftstoffenergiestrom im wesentlichen konstant bleibt. Das läuft weiter, bis der Diesel und das Erdgas jeweils etwa 50% der gesamten Kraftstoffenergie beisteuern (Erdgasäquivalenzverhältnis in etwa 0,35). Das kann anhand der offenen Schleife erfolgen, wobei die Transportverzögerung des Vorgemischs durch das Ansaugsystem zu berücksichtigen ist. In diesem Punkt wird die Drosselklappe plötzlich geöff net, so daß der Ansaugkrümmerdruck auf ein Bar steigt, während die Dieseleinspritzung abgesperrt wird. Der gesteigerte Krümmer- und Kompressionsdruck bringt das Gemisch wie oben beschrieben über die Zündlinie. Da der Krümmerdruck beim plötzlichen Öffnen der Drosselklappe verdoppelt wird, verdoppelt sich auch die Erdgasmenge, die in die Zylinder gelangt. Das Eliminieren des Dieselkraftstoffs hebt jedoch diesen Effekt auf, wodurch ermöglicht wird, daß die gesamte Kraftstoffenergie (Leistung) im wesentlichen konstant bleibt. Der gesamte grundlegende Vorgang kann umgekehrt wiederholt werden, um vom PCCI-Betrieb zum SI/LSI-Betrieb zurückzukehren. Natürlich können wie bei allen hier beschriebenen Ausführungen verschiedene Kraftstoffe verwendet werden, oder die Anwendung eines einzigen Kraftstoffs kann in der vorliegenden Ausführung wünschenswert sein.
Wie oben besprochen, besteht eine der Hauptschwierigkeiten des Übergangs von der Funkenzündung/LSI-Betrieb auf den PCCI-Betrieb darin, daß der PCCI-Betrieb bei Äquivalenzverhältnissen, die magerer sind als etwa 0,5, nicht gut läuft. Im Idealfall würde der PCCI-Betrieb mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,35 bis 0,4 und der SI-Betrieb mit einem Äquivalenzverhältnis im Bereich von 0,65 bis 0,7 funktionieren. Wenn der Luftfluß relativ konstant gehalten wird, während der Kraftstofffluß signifikant gesteigert wird, um den SI-Betrieb zu erreichen, entsteht eine plötzliche Steigerung des angegebenen mittleren effektiven Drucks, der wie oben bemerkt typischerweise unerwünscht ist. Außerdem ist es wünschenswert, ein schweres, zerstörendes Klopfen beim Transfer auf den SI/LSI-Betrieb zu vermeiden. Die vorausgehende Besprechung in Zusammenhang mit dem steigenden Luftfluß durch plötzliches Öffnen der Drosselklappe 30 eliminiert diese Besorgnisse effektiv. Die vorliegende Ausführung entspricht jedoch einem anderen Motor und einem Verfahren für den erfolgreichen Übergang zwischen dem SI/LSI-Betrieb und dem PCCI-Betrieb. Im allgemeinen umfaßt die vorliegende Ausführung ein schnelles Umsteigen vom SI/LSI-Betrieb mit frühem (oder spätem) Schließen des Ansaugventils (auch als Miller-Zyklieren bzw. Zyklus bekannt) auf den PCCI-Betrieb mit "normalen" Ventilvorgängen. Insbesondere ist beim Motor im SI/LSI-Betrieb mit Miller-Zyklieren das effektive Kompressionsverhältnis viel niedriger als das geometrische Kompressionsverhältnis, wodurch Klopfen vermieden wird. Außerdem senkt der Betrieb mit Miller-Zyklieren signifikant den Liefergrad des Motors in Bezug auf das herkömmliche Ventiltiming. Wie in 2 gezeigt, kann das Steuersystem 56 dazu verwendet werden, ein variables Ventiltimingsystem 80 zu steuern, um vom Miller-Zyklieren auf das normale Ventiltiming umwechseln. Es kann ein beliebiges mehrerer herkömmlicher Ventiltimingsysteme verwendet werden, wie zum Beispiel das in der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/255,780 offenbart, die am 23. Februar 1999 eingereicht und auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, deren gesamter Inhalt hiermit als Referenz eingeführt wird. Durch Erhalten der relativ konstanten Kraftstoffrate (entweder sehr frühe Direkteinspritzung oder Einlasseinspritzung), fällt das Äquivalenzverhältnis, weil der Liefergrad mit dem Luftfluß dramatisch sinkt. Außerdem steigt das effektive Kompressionsverhältnis, was dazu führt, daß das Vorgemisch über die Zündlinie gebracht wird und der Motor auf PCCI-Betrieb übergeht. Die Abfolge der Ereignisse wird einfach umgekehrt, um vom PCCI-Betrieb auf den SI/LSI-Betrieb überzugehen. Daher erlaubt die vorliegende Ausführung den Transfer zwischen dem Funkenzündmodus und dem Kompressionszündmodus mit Vorgemisch, indem der Zeitpunkt des Schließens über ein variables Ventiltimingsystem angepaßt wird.
Eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Motor, und ein Verfahren, die ausgebildet sind, vom SI/LSI-Betrieb mit Schichtgemisch auf den PCCI-Betrieb überzuführen. Motoren mit Schichtgemischfunkenzündung funktionieren normalerweise mit Äquivalenzverhältnissen unter 0,5, wodurch sich der Übergang auf den PCCI-Betrieb leichter verwirklichen läßt. Vorzugsweise funktioniert der Motor mit Direkteinspritzungs-Funkenzündung mit einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,35. Der Funkenzeitpunkt, sei der Funke nun elektrisch oder flüssig, tritt zum Beispiel bei etwa 30 Grad vor dem oberen Totpunkt ein. Die Kompressionstemperaturen und -drücke am oberen Totpunkt können dann so angepaßt werden, daß sie sich für den PCCI-Betrieb eignen. Die Anpassung kann durch EGR, Heizvorrichtungen, Kühlungen usw. erfolgen. So werden 100% des Kraftstoffs direkt in den Zylinder und viel früher eingespritzt als am oberen Totpunkt, um das Gemisch über die Zündlinie zu befördern. Der Zeitpunkt der Primäreinspritzung wird bei Flüssigfunken oder einziger Einspritzung, wenn ein elektrischer Funken verwendet wird, vorverlegt, um im Gegensatz zum Schichtgemisch ein homogenes Gemisch herzustellen, das das gleiche Äquivalenzverhältnis von etwa 0,35 wie im vorliegenden Beispiel hat. Als Alternative kann die Einlasskraftstoffeinspritzung verwendet werden. Wenn während des SI/LSI-Betriebs die Kompressionstemperatur im oberen Totpunkt bereits hoch genug ist, um das Selbstzünden auszulösen, funktioniert der Motor ohne Probleme wie ein Dieselmotor. Es wird darauf hingewiesen, daß der Übergang nicht für alle Zylinder eines Mehrzylindermotors auf einmal eintreten muß. Außerdem braucht der Übergang nicht über einen einzigen Zyklus zu erfolgen, sondern kann allmählich über eine Anzahl Zyklen eintreten, so daß der Betrieb mehrere Zyklen lang zwischen SI/LSI und PCCI wechselt, bevor er komplett auf den gewünschten Betrieb übergeht. Diese Ausführung erlaubt insbesondere den Transfer beim gleichen Äquivalenzverhältnis und den Betrieb in einer Betriebsart, die für die Temperaturen des oberen Totpunkts nicht empfindlich reagiert. Im Schichtgemisch-SI-Betrieb zündet das Gemisch bei tiefer Temperatur mit einem Funken. Ist die Zylindertemperatur hoch, wird das Gemisch durch Kompression gezündet und brennt wie bei einem typischen Dieselmotor. Dieser Motor läßt sich problemlos im Direkteinspritzungs-Funkenzündmodus anlassen und wird dann auf den PCCI-Betrieb übergeführt. Außerdem kann diese Art von Motor schnell auf eine andere Lastbedingung wechseln. Natürlich kann der Motor bei hohen Lasten bei Bedarf im Direkteinspritzungs-SI-Betrieb mit reicheren Äquivalenzverhältnissen als denen laufen, die für den PCCI-Betrieb verwendet werden. Dieses Verfahren erlaubt eine schnelle Lastakzeptanz. Sobald der Motor Aufladedruck aufgebaut hat, kann er zum PCCI-Betrieb mit geringen Emissionen zurückkehren.
Die Anmelder haben außerdem festgestellt, daß es im PCCI-Betrieb vorteilhaft ist, auf ein Äquivalenzverhältnis hinzuarbeiten, daß die höchsten Zyklußpitzentemperaturen schafft und doch noch erlaubt, alle anderen Forderungen einzuhalten, wie zum Beispiel Emissionen innerhalb der Ziellimits sowie die Spitzenrate des Druckanstiegs, den Klopfindex und den Verbrennungsschallpegel innerhalb der Ziellimits und SOC beim Zielkurbelwinkel (was typisch über andere Steuerungen erzielt wird). Die höchste Zyklußpitzentemperatur kann durch Steigern des Äquivalenzverhältnisses oder Steigern des Masseanteils an Kraftstoff im Gemisch verwirklicht werden. Diese Betriebsart senkt vorteilhafterweise die UHC und CO, steigert die Abgastemperaturen, die zu verbesserter Katalysatoreffizienz führen sowie gesteigerter Turboladerleistung und höherer Wärmeeffizienz. Die optimale Zyklußpitzentemperatur liegt wahrscheinlich zwischen 1700 und 2000°K.
Eine der Hauptherausforderungen des PCCI-Betriebs ist das Steuern des SOC. Die Anmelder haben festgestellt, daß ein weiterer vorteilhafter Weg des effektiven Erzielens des PCCI-Betriebs mit genau gesteuertem SOC der Einsatz einer sehr späten Dieselvoreinspritzung ist (oder Einspritzung eines anderen Kraftstoffs, der leicht durch Kompression gezündet wird), und zwar gemeinsam mit einem relativ gut gemischten Erdgas oder anderen Kraftstoff, der durch Kompression weniger leicht zündbar ist als der späte Voreinspritzkraftstoff (d. h. Dieselkraftstoff). Erdgas sollte vorzugsweise sehr gut gemischt sein. Die Ansaugbedingungen und das Kompressionsverhältnis werden so ausgewählt, daß das Erdgas, das vorgemischt wurde, sich nicht durch Kompression entzündet, sofern kein zusätzlicher Kraftstoff hinzugefügt wird. In der bevorzugten Ausführung ist das Erdgas-/Luftgemisch am oberen Totpunkt in Kompressionszündungsnähe. Natürlich kann auch eine frühe Dieselvoreinspritzmenge verwendet werden, aber die Kombination wäre immer noch nahe an der Kompressionszündung, jedoch noch nicht zündfähig. In der Nähe des oberen Totpunkts wird die späte Voreinspritzung, nämlich Dieselkraftstoff, direkt und sehr schnell mit hohem Druck in den Zylinder eingespritzt, damit sich das Dieselkraftstoff auf ein Äquivalenzverhältnis mischen kann, das weit unter dem stöchiometrischen liegt, bevor die Kraftstoffkompressionszündung eintritt. Das bedingt nicht, daß der Großteil oder der ganze Zündvorgang abgeschlossen ist, bevor das Zünden beginnt. Um sicher zu stellen, daß das eintritt, kann die Zündverzögerung mit EGR, sehr hohem Wirbel und/oder einer niedrigen Cetenzahl des Diesels oder anderen Kraftstoffs gesteigert werden. Diese Betriebsart ist in 9 am besten dargestellt, wo das Erdgas-/Luftgemisch bis kurz vor der Zündlinie komprimiert wird, wonach Dieselkraftstoff eingespritzt wird, sich gut vermischt und im Punkt A zündet, was ein fast konstantes Verbrennungsvolumen zu Punkt B über die Zündlinie von Erdgas und das Zünden des Gemischs aus Erdgas und Luft bewirkt. Der Schlüssel zu diesem Verfahren ist das Herstellen eines relativ gut gemischten Diesel-Luft-Nebels (plus Erdgas) vor dem Eintreten des Zündens. Diese Betriebsart ist vorteilhaft, weil sie sehr wenig Stickstoffoxide dank der mageren und gleichmäßigen Äquivalenzverhältnisverteilung sowie sehr wenig Ruß dank des gleichförmigen Gemischs hervorruft. Außerdem wird die Verbrennung gezwungen, kurz nach dem oberen Totpunkt einzusetzen, und es tritt eine sehr schnelle Verbrennung des PCCI-Typs ein. Außerdem tritt die Einspritzung ein, wenn die Gasdichte hoch ist, wodurch ein Benetzen der Wände vermieden wird. Es wird darauf hingewiesen, daß nur eine relativ kleine Menge des Dieselkraftstoffs erfor derlich ist, daß diese jedoch steigt, wenn die Last sinkt. Diese Betriebsart ergibt sicher dank der hohen Kompressionsverhältnisse und eines kürzeren Verbrennungsvorgangs hohe Effizienz. Zudem kann diese Betriebsart mit einer Einspritzung von Kraftstoff, nämlich Dieselkraftstoff, nach dem Beginn der Verbrennung/des Zündens kombiniert werden, um die UHC zu verringern, wie weiter oben beim PPII-Betrieb besprochen wurde.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Der vorliegende PCCI-Motor und das Steuersystem können in jeder stationären oder nicht stationären Antriebsmaschinenanlage verwendet werden, darunter für Automobil-, Industrie-, Marine- oder Militäranwendungen. Der vorliegende PCCI-Motor und sein Steuersystem sind besonders vorteilhaft bei Antriebserzeugungsanwendungen, für welche niedrige Emissionen wünschenswert sind.

Claims

Multimodus-Verbrennungsmotor (10), der in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten betreibbar ist, aufweisend: einen Motorkörper (12); eine Brennkammer (16), die im Motorkörper gebildet ist; ein Lufteinlaßsystem (18) zur Zuführung von Einlaßluft zur Brennkammer (16); ein Kraftstoffzuführsystem (60), das am Motorkörper (12) angebracht ist, um der Brennkammer (16) einen ersten Kraftstoff zuzuführen, während der Motor (10) in einem HCDFT-Übergangsmodus arbeitet, und um einen zweiten Kraftstoff dem Lufteinlaßsystem (18) und/oder der Brennkammer (16) zuzuführen, wenn der Motor (10) in einem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch und in dem HCDFT-Übergangsmodus arbeitet, wobei im HCDFT-Übergangsmodus eine Menge des zweiten Kraftstoffs früh im Prozeß ein Gemisch bildet, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flamme auszubreiten, und eine Menge des ersten Kraftstoffs, die größer als die Menge des zweiten Kraftstoffs ist, später zugeführt wird; und ein Steuersystem (54), das ausgebildet ist, den Motorbetrieb zwischen dem HCDFT-Übergangsmodus und dem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch zu transferieren oder umzustellen.
Motor nach Anspruch 1, wobei das Kraftstoffzuführsystem (60) ausgebildet ist, der Brennkammer (16) den ersten Kraftstoff zuzuführen, während der Motor (10) im Dieselbetrieb arbeitet, und das Steuersystem (54) ausgebildet ist, den Motorbetrieb zwischen dem Dieselbetrieb und dem HCDFT-Übergangsmodus zu transferieren.
Motor nach Anspruch 2, wobei das Steuersystem (54) ausgebildet ist: i. das Kraftstoffzuführsystem (60) der Brennkammer (16) im Dieselbetrieb eine Hauptmenge des ersten Kraftstoffs der Brennkammer (16) zuzuführen zu lassen; und ii. beim Transferieren des Motorbetriebs auf den HCDFT-Übergangsmodus das Kraftstoffzuführsystem (60) eine Menge des zweiten Kraftstoffs in mindestens eines von Luftansaugsystem (18) und Brennkammer (16) zuführen zu lassen, während die Hauptmenge des ersten Kraftstoffs verringert wird, um das Mo tordrehmoment auf einem im wesentlichen konstanten Niveau zu halten und den Motor (10) auf den HCDFT-Übergangsmodus umzustellen.
Motor nach Anspruch 3, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffzuführsystem (60) die Hauptmenge des ersten Kraftstoffs verringern zu lassen, während die Menge des zweiten Kraftstoffs gesteigert wird, so daß die Menge des zweiten Kraftstoffs einen wesentlichen Teil der gesamten gelieferten Kraftstoffenergie ausmacht.
Motor nach Anspruch 4, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, den Beginn der Verbrennung in der Brennkammer (16) zu steuern und den Beginn der Verbrennung anzupassen, so daß er vor dem Zuführen der Hauptmenge des ersten Kraftstoffs auftritt.
Motor nach Anspruch 4, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffsystem beim HCDFT-Übergangsmodus der Brennkammer eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs vor dem Beginn der Verbrennung zuführen zu lassen.
Motor nach Anspruch 6, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffzuführsystem (60) die frühe Dieselvoreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs ausreichend steigern zu lassen, so daß der Beginn der Verbrennung vor dem Zuführen der Hauptmenge des ersten Kraftstoffs auftritt.
Motor nach Anspruch 2, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffzuführsystem (60) im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch eine Einspritzung des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer (16) nach dem Beginn der Verbrennung eines Vorgemischs des zweiten Kraftstoffs mit Luft in der Brennkammer (16) durchführen zu lassen, um den Motor (10) in einem im Nachzündungs-Einspritzmodus zu betreiben.
Motor nach Anspruch 2, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffzuführsystem (60) beim Kompressionszündmodus mit Vorgemisch eine frühe Voreinspritzungsmenge des ersten Kraftstoffs vor dem Beginn der Verbrennung des Vorgemischs des zweiten Kraftstoffs mit Luft in der Brennkammer (16) zuführen zu lassen.
Motor nach Anspruch 2, wobei der erste Kraftstoff Dieselkraftstoff, Kerosin oder Benzin und der zweite Kraftstoff Erdgas oder Propan ist.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten und Transferieren des Betriebs zwischen der Vielzahl von Betriebsarten, aufweisend die Schritte: Betreiben des Motors (10) in einem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch; Betreiben des Motors (10) in einem HCDFT-Übergangsmodus, wobei im HCDFT-Übergangsmodus eine Menge des zweiten Kraftstoffs früh im Prozeß ein Gemisch bildet, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flamme auszubreiten, und eine Menge des ersten Kraftstoffs, die größer als die Menge des zweiten Kraftstoffs ist, später zugeführt wird; und Transferieren oder Umschalten des Motorbetriebs zwischen dem HCDFT-Übergangsmodus und dem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend die Schritte des Betreibens des Motors im Dieselbetrieb und Betreibens des Motors im HCDFT-Übergangsmodus, wenn der Motorbetrieb zwischen dem Dieselbetrieb und dem Kompressionszündmodus mit Vorgemisch transferiert bzw. umgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Motor (10) einen einzigen Kraftstoff für alle Betriebsarten verwendet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der einzige Kraftstoff Dieselkraftstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend die Schritte zum Betreiben des Motors (10) im Einspritzbetrieb nach Vorgemischzündung, Anlassen des Motors (10) im Dieselbetrieb, transferieren des Motorbetriebs auf den Kompressionszündmodus mit Vorgemisch während einer ersten Motorlastrampe, Betreiben des Motors im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch oder im Einspritzbetrieb nach Zündung während einer zweiten Motorlastrampe, und Trarisferieren des Motorbetriebs vom Kompressionszündmodus mit Vorgemisch und Ein spritzbetrieb nach Zündung auf den Dieselbetrieb für den Betrieb während einer dritten Motorlastrampe.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend die Schritte Bereitstellen des einzigen Kraftstoffs einer Vielzahl von Motorbrennkammern (16) und Anpassen der Menge des einzigen Kraftstoffs zu jeder Brennkammer (16), um den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend die Schritte Bereitstellen, eines Einlaß- bzw. Ansaugventils (26) für jede einer Vielzahl von Brennkammern (16) des Motors (10) und Steuern des Zeitpunkts des Öffnens jedes Ansaugventils, um ein effektives Kompressionsverhältnis für die entsprechende Brennkammer (16) und den Beginn der Verbrennung zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend den Schritt, Abgas zu mindestens einer von einer Vielzahl von Brennkammern (16) zu lenken, um den Beginn der Verbrennung der Brennkammer (16) zu steuern, die das Abgas erhält.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt, Erfassen einer Verbrennungscharakteristik, Erzeugen eines Verbrennungscharakteristiksignals und Steuern des Beginns der Verbrennung basierend auf dem Verbrennungscharakteristiksignal.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend die Schritte: i. Zuführen einer Hauptmenge eines ersten Kraftstoffs zur Brennkammer (16) im Dieselbetrieb und ii. beim Transferieren des Motorbetriebs auf den HCDFT-Übergangsmodus Zuführen einer Menge eines zweiten Kraftstoffs in mindestens eines von Luftansaugsystem (18) und Brennkammer (16), während die Hauptmenge des ersten Kraftstoffs gesenkt wird, um das Motordrehmoment auf einem im wesentlichen konstanten Niveau zu halten und den Motor (10) auf den HCDFT-Übergangsmodus überzuführen bzw. einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend den Schritt, die Hauptmenge des ersten Kraftstoffs zu verringern, während die Menge des zweiten Kraftstoffs angehoben wird, so daß die Menge des zweiten Kraftstoffs einen substantiellen Anteil der gesamten zugeführten Kraftstoffenergie darstellt.
Verfahren nach Anspruch 21, weiter umfassend den Schritt, eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs vor dem Beginn der Verbrennung im HCDFT-Übergangsmodus zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 22, weiter umfassend den Schritt, die frühe Dieselvoreinspritzmenge ausreichend zu steigern, so daß der Beginn der Verbrennung vor der Zuführung der Hauptmenge des ersten Kraftstoffs eintritt.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt, eine Einspritzung nach dem Zünden des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer (16) des Motors (10) nach dem Beginn des Verbrennens des Vorgemischs eines zweiten Kraftstoffs mit Luft in der Brennkammer (16) im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch zuzuführen, um den Motor (10) in einem Nachzündungs-Einspritzmodus zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend den Schritt, eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Brennstoffs in die Brennkammer (16) vor dem Beginn der Verbrennung eines Vorgemischs eines zweiten Kraftstoffs mit Luft in der Brennkammer (16) im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend der Schritte Betreiben des Motors (10) im Funkenzündmodus und Betreiben des Motors (10) im HCDFT-Übergangsmodus, wenn der Motorbetrieb zwischen dem Kompressionszündmodus mit Vorgemisch und dem Funkenzündmodus transferiert wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken mit einer Voreinspritzmenge Kraftstoff für das Zünden des Vorgemischs aus Kraftstoff und Luft umfaßt.
Multimodus-Verbrennungsmotor (10), der in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten betreibbar ist, aufweisend: einen Motorkörper (12); eine Brennkammer (16), die im Motorkörper (12) gebildet ist; ein Lufteinlaßsystem (18) zur Zuführung von Einlaßluft zur Brennkammer (16); ein Kraftstoffzuführsystem (60), das am Motorkörper (12) angebracht ist, um der Brennkammer (16) einen ersten Kraftstoff zuzuführen, während der Motor (10) in einem HCDFT-Übergangsmodus arbeitet, und um einen zweiten Kraftstoff dem Lufteinlaßsystem (18) und/oder der Brennkammer (16) zuzuführen, wenn der Motor (10) in einem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch, in einem Funkenzündmodus und in dem HCDFT-Übergangsbetrieb arbeitet, wobei im HCDFT-Übergangsmodus eine Menge des zweiten Kraftstoffs früh im Prozeß ein Gemisch bildet, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flamme auszubreiten, und eine Menge des ersten Kraftstoffs, die größer als die Menge des zweiten Kraftstoffs ist, später zugeführt wird; und ein Steuersystem (54), das ausgebildet ist, den Motorbetrieb zwischen dem Funkenzündmodus und dem HCDFT-Übergangsmodus und zwischen dem HCDFT-Übergangsmodus und dem Modus der Kompressionszündung von Vorgemisch zu transferieren oder überzuleiten.
Motor nach Anspruch 28, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken aufweisend eine Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs zum Zünden eines Vorgemischs aus dem zweiten Kraftstoff und Luft umfaßt.
Motor nach Anspruch 28, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffzuführsystem (60) im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch eine Einspritzung nach dem Zünden des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer (16) nach dem Beginnen der Verbrennung eines Vorgemischs aus dem zweiten Kraftstoff und Luft in der Brennkammer (16) durch bzw. zuführen zu lassen, um den Motor (10) im Nachzündungs-Einspritzbetrieb zu betreiben.
Motor nach Anspruch 28, wobei das Steuersystem (54) weiter ausgebildet ist, das Kraftstoffzuführsystem im Kompressionszündmodus mit Vorgemisch eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs vor dem Beginn der Verbrennung des Vorgemischs aus dem zweiten Kraftstoff mit Luft in der Brennkammer (16) einspritzen zu lassen.
Motor nach Anspruch 28, wobei der erste Kraftstoff Dieselkraftstoff, Kerosin oder Benzin und der zweite Kraftstoff Erdgas oder Propan ist.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten und Transferieren des Betriebs zwischen der Vielzahl Motorbetriebsarten, mit den Schritten: Betreiben des Motors (10) im Funkenzündmodus; Betreiben des Motors (10) im Kompressionszündmodus von Vorgemisch; und Betreiben des Motors (10) in einem HCDFT-Übergangsmodus, wobei im HCDFT-Übergangsmodus eine Menge eines zweiten Kraftstoffs früh im Prozeß ein Gemisch bildet, das zu mager ist, um eine selbsterhaltende Flamme auszubreiten, und eine Menge eines ersten Kraftstoffs, die größer als die Menge des zweiten Kraftstoffs ist, später zugeführt wird, wenn der Motorbetrieb zwischen dem Funkenzündmodus und dem Kompressionszündmodus von Vorgemisch transferiert oder umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken mit einer Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs zum Zünden des Vorgemischs aus Kraftstoff und Luft umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend den Schritt, im Kompressionszündmodus von Vorgemisch eine Einspritzung des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer (16) des Motors (10) nach dem Zünden und vor dem Beginn der Verbrennung des Vorgemischs aus dem zweiten Kraftstoff und Luft in der Brennkammer (16) zuzuführen, um den Motor (10) im Nachzündungs-Einspritzmodus zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend den Schritt, der Brennkammer (16) im Kompressionszündmodus von Vorgemisch eine frühe Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs vor dem Beginn der Verbrennung des Vorgemischs aus einem zweiten Kraftstoff und Luft in der Brennkammer (16) zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 33, ferner aufweisend die Schritte: Bereitstellen einer Brennkammer (16) und eines Ansaugsystems (18) zur Bereitstellung von Ansaugluft und eines zweiten Kraftstoffs für die Brennkammer (16), wobei das Ansaugsystem (18) eine Drosselklappe (30) bzw. ein Drossel ventil (30) umfaßt, die bzw. das den Ansaugfluß mindestens eines von Einlaß- bzw. Ansaugluft und Vorgemisch aus Ansaugluft und dem zweiten Kraftstoff steuert; Betreiben des Motors (10) im Funkenzündmodus, wobei die Drosselklappe (30) teilweise geschlossen ist, um die Luftansaugung in die Brennkammer (16) einzuschränken, wobei das Vorgemisch aus dem zweiten Kraftstoff und Luft ein Äquivalenzverhältnis von mehr als 0,5 hat; Verringern der Menge des zweiten Kraftstoffs im Vorgemisch, während die Menge des ersten Kraftstoffs gesteigert wird, die der Brennkammer (16) zugeführt wird, um das Motordrehmoment auf einem im wesentlichen konstanten Niveau zu halten und das Äquivalenzverhältnis der Vorgemischs auf weniger als 0,5 zu verringern; Öffnen der Drosselklappe (30), um den Einlaß- bzw. Ansaugfluß zu steigern; Beenden des Flusses des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer (16), um den Motor (10) auf den Kompressionszündmodus von Vorgemisch umzustellen.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Schritte des Öffnens der Drosselklappe (30) zum Steigern des Ansaugflusses und das Beenden des Flusses des ersten Kraftstoffs gleichzeitig erfolgen bzw. auftreten, während die insgesamt zugeführte Kraftstoffenergie auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei der Schritt des Öffnens der Drosselklappe (30) zum Steigern des Ansaugflusses die gesamte Menge des zweiten Kraftstoffs, die der Brennkammer (16) zugeführt wird, etwa verdoppelt.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die Schritte des Verringerns der Menge des zweiten Kraftstoffs im Vorgemisch während des Steigerns der Menge des der Brennkammer (16) zugeführten ersten Kraftstoffs fortgesetzt wird, bis der zweite Kraftstoff und der erste Kraftstoff jeweils etwa 50 % der gesamten zugeführten Kraftstoffenergie beitragen.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken mit einer Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs zum Zünden eines Vorgemischs aus dem zweiten Kraftstoff mit Luft umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter aufweisend die Schritte: Bereitstellen einer Brennkammer (16) und eines Ansaugsystems (18) zum Bereitstellen von Ansaugluft in der Brennkammer (16), wobei das Ansaugsystem einen Ansaugeinlaß und eine Drosselklappe (30) zum Steuern des Ansaugluftstroms umfaßt; Zuführen von Kraftstoff in die Ansaugöffnung oder Brennkammer (16) mit einer vorbestimmten Flußrate; Betreiben des Motors (10) im Funkenzündmodus, wobei die Drosselklappe (30) teilweise geschlossen ist, um den Ansaugluftstrom zur Ansaugöffnung einzuschränken, wobei sich der Kraftstoff und die Ansaugluft vermischen, um ein Vorgemisch mit einem Äquivalenzverhältnis größer als 0,5 zu bilden; Öffnen der Drosselklappe (30) zum Steigern des Ansaugluftflusses, während die vorausbestimmte Kraftstoffrate im wesentlichen konstant gehalten wird, um das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs auf weniger als 0,5 zu senken, so daß der Motor in den Kompressionszündmodus von Vorgemisch überführt bzw. umgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken aus einer Voreinspritzmenge Kraftstoff zum Zünden des Vorgemischs aus Kraftstoff und Luft umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Vorgemischs aus einem zweiten Kraftstoff und Luft in der Brennkammer (16) des Motors (10); während des Betriebs im Funkenzündmodus Verringern der Menge des zweiten Kraftstoffs im Vorgemisch aus Kraftstoff und Luft unter Steigern der Menge des ersten Kraftstoffs, der der Brennkammer (16) zugeführt wird, so daß das Motordrehmoment auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird, um auf den HCDFT-Übergangsmodus überzugehen; Zuführen einer frühen Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs vor dem Beginn der Verbrennung in der Brennkammer (16) im HCDFT-Übergangsmodus und ausreichendes Steigern der frühen Dieselvoreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs, so daß der Beginn der Verbrennung vor dem Zuführen des ersten Kraftstoffs ausgelöst wird, um den Motor (10) im Kompressionszündmodus von Vorgemisch zu betreiben.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten und Transferieren zwischen der Vielzahl der Motorbetriebsmodi, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Brennkammer (16) und eines Einlaßsystems (18) zum Zuführen von Einlaßluft und eines zweiten Kraftstoffs zur Brennkammer (16), wobei das Einlaßsystem (18) ein Drosselventil oder eine Drosselklappe (30) zum Steuern des Einlaßflusses von Einlaßluft und/oder Vorgemisch aus Einlaßluft und dem zweiten Kraftstoff umfaßt; Betreiben des Motors (10) im Funkenzündmodus, wobei das Drosselventil (30) teilweise geschlossen ist, um den Einlaßstrom zur Brennkammer einzuschränken, wobei das Vorgemisch aus dem zweiten Kraftstoff und Luft ein Äquivalenzverhältnis größer als 0,5 hat; Verringern der Menge des zweiten Kraftstoffs im Vorgemisch unter Steigern der Menge eines ersten Kraftstoffs, der der Brennkammer (16) zugeführt wird, so daß das Motordrehmoment auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten und das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs auf weniger als 0,5 verringert wird; Öffnen des Drosselventils (30) zum Steigern des Einlaßflusses; Beenden des Flusses des ersten Kraftstoffs in die Brennkammer (16), um den Motor (10) auf den Kompressionszündmodus von Vorgemisch überzuführen oder umzustellen.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die Schritte des Öffnens des Drosselventils (30) zum Steigern des Ansaugflusses und Beenden des Flusses des ersten Kraftstoffs fast gleichzeitig eintreten, während die gesamte zugeführte Kraftstoffenergie auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Schritt des Öffnens des Drosselventils (30) zum Steigern des Ansaugflusses den Gesamtbetrag des zweiten Kraftstoffs, der der Brennkammer (16) zugeführt, etwa verdoppelt.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Schritt des Verringerns der Menge des zweiten Kraftstoffs im Vorgemisch unter Steigern der Menge des der Brennkammer (16) zugeführten ersten Kraftstoffs fortgesetzt wird, bis der zweite und der erste Kraftstoff jeweils etwa 50% der gesamten zugeführten Kraftstoffenergie beitragen.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken aus einer Voreinspritzmenge des ersten Kraftstoffs zum Zünden eines Vorgemischs aus dem zweiten Kraftstoff und Luft umfaßt.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten und zum Transferieren des Betriebs zwischen der Vielzahl von Motorbetriebsarten, mit den Schritten: Bereitstellen einer Brennkammer (16) und eines Einlaßsystems (18) zum Zuführen von Einlaßluft zur Brennkammer (16), wobei das Einlaßsystem eine Einlaßöffnung (22) und eine Drosselklappe oder ein Drosselventil (30) zum Steuern des Einlaßluftflusses umfaßt; Zuführen von Kraftstoff in die Einlaßöffnung (22) oder Brennkammer (16) mit einer vorausbestimmten Flußrate; Betreiben des Motors (10) in einem Funkenzündmodus, wobei das Drosselventil (30) teilweise geschlossen wird, um den Einlaßluftstrom zur Einlaßöffnung einzuschränken, wobei der Kraftstoff und die Einlaßluft vermischt werden, um ein Vorgemisch mit einem Äquivalenzverhältnis größer als 0,5 zu bilden; Öffnen des Drosselventils (30) zum Steigern des Einlaßluftstroms, wobei die vorausbestimmte Kraftstoffrate im wesentlichen konstant gehalten wird, um das Äquivalenzverhältnis des Vorgemischs auf weniger als 0,5 zu verringern, um den Motor (10) auf einen Kompressionszündmodus von Vorgemisch überzuführen oder umzustellen.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei der Funkenzündmodus einen Flüssigfunken mit einer Voreinspritzmenge des Kraftstoffs zum Zünden des Vorgemischs aus Kraftstoff und Luft umfaßt.
Multimodus-Verbrennungsmotor, der in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten betreibbar ist, aufweisend: einen Motorkörper (12); eine Brennkammer (16), die im Motorkörper (12) gebildet ist; ein Lufteinlaßsystem 18) zur Zuführung von Einlaßluft zur Brennkammer (16), wobei das Lufteinlaßsystem (18) eine Einlaßöffnung (22) und ein Einlaßventil (26) umfaßt, um den Fluß der Luft oder eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff durch die Einlaßöffnung (22) zu steuern; ein Kraftstoffzufuhrsystem (60), das am Motorkörper (12) angebracht ist, zur Zuführung von Kraftstoff für die Verbrennung im Brennraum (16); ein Funkenzündmittel (62) zum Auslösen des Beginns der Verbrennung in einem Funkenzündmodus; ein variables Ventiltiming- oder zeitsteuersystem (80) zum Ändern des Zeitpunkts des Schließens des Einlaßventils; ein Steuersystem (54) zum Steuern des variablen Ventiltimingsystems (80), um: den Motorbetrieb vom Funkenzündmodus auf einen Kompressionszündmodus von Vorgemisch zu transferieren oder umzustellen durch Anpassen des Zeitpunkts des Schließens des Einlaßventils (26), um das effektive Kompressionsverhältnis zu steigern; und/oder den Motorbetrieb vom Kompressionszündmodus von Vorgemisch auf den Funkenzündmodus zu transferieren oder umzustellen durch Anpassen des Zeitpunkts des Schließens des Einlaßventils (26), um das effektive Kompressionsverhältnis zu verringern.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der in einer Vielzahl von Motorbetriebsarten betreibbar ist, und zum Transferieren oder Umstellen des Betriebs zwischen der Vielzahl der Modi, mit den Schritten: Zuführen von Einlaßluft in eine Brennkammer des Motors (10), wobei das Einlaßluftsystem (18) eine Einlaßöffnung (22) und ein Einlaßventil (26) umfaßt, um den Fluß der Einlaßluft oder eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff durch die Einlaßöffnung (22) zu steuern; Zuführen von Kraftstoff für die Verbrennung in der Brennkammer (16); Bereitstellen von Funkenzündmitteln zum Auslösen des Beginns der Verbrennung im Funkenzündmodus; Durchführen mindestens einer der Schritte: i. Transferieren des Motorbetriebs vom Funkenzündmodus auf den Kompressionszündmodus von Vorgemisch durch Anpassen des Zeitpunkts des Schließens des Einlaßventils (26) zum Steigern des effektiven Kompressionsverhältnisses; und ii. Transferieren des Motorbetriebs vom Kompressionszündmodus von Vorgemisch auf den Funkenzündmodus durch Anpassen des Zeitpunkts des Schließens des Einlaßventils (26) zum Verringern des effektiven Kompressionsverhältnisses.