DE19943131A1 - Verfahren und System zur Sauerstoffeinspritzung spät im Zyklus bei einem Verbrennungsmotor - Google Patents
Verfahren und System zur Sauerstoffeinspritzung spät im Zyklus bei einem VerbrennungsmotorInfo
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Abstract
Ein Verfahren und ein System für die Einspritzung von sauerstoffangereicherter Luft spät im Zyklus in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors wird offenbart. Das System zur Sauerstoffeinspritzung spät im Zyklus ist Teil eines Luftflußmanagementsystems, welches wirkungsvoll die Anwendung von Sauerstoff und Stickstoff steuert, die in der Einlaßluft verfügbar sind. Das bevorzugte System weist eine Einlaßlufttrennvorrichtung auf, die geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft aufzutrennen. Das System weist eine Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft auf, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zu einer oder mehreren Brennkammern erstreckt, und eine Steuervorrichtung, die geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammern spät in einem Verbrennungszyklus zu steuern, und zwar ansprechend auf ausgewählte Motorbetriebszustände, wie beispielsweise die Motordrehzahl oder die Motorbelastung oder beides. Vorzugsweise tritt die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät in einem Verbrennungszyklus auf, und zwar bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen ungeführ 20 DEG und 120 DEG nach dem oberen Totpunkt, und dauert für ein vorgeschriebenes Zeitintervall zwischen ungefähr 5 DEG und 20 DEG der Kurbelwellenwinkelbewegung an.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und ein System für die Sauerstoffeinspritzung spät im Zy
klus bei einem Verbrennungsmotor, und insbesondere auf
ein Motorluftflußmanagementsystem, welches die speziellen
Anwendungen von sauerstoffangereicherter Luft zur Verrin
gerung der Motorverschmutzung und der Steigerung der Mo
torleistung vorsieht. Insbesondere sieht das vorliegende
Luftflußmanagementsystem die Einleitung von sauerstoffan
gereicherter Luft in die Brennkammer während der späteren
Stufen des Verbrennungszykluses vor.
In den letzten Jahren sind Hersteller von Motoren mit im
mer weiter steigenden Regulierungsanforderungen konfron
tiert worden. Diese Anforderungen sind hauptsächlich auf
zwei Aspekte der Motorleistung gerichtet gewesen, nämlich
auf Brennstoffeinsparung und Abgasemissionen. Abgasemis
sionen nehmen eine Anzahl von Formen an, einschließlich
Partikelstoffen und Stickoxiden (NOx). Wie in der Technik
allgemein bekannt, bestehen Partikelstoffe hauptsächlich
aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Ruß, während
NOx eine ungewisse Mischung von Stickoxiden (hauptsäch
lich NO und ein Teil NO2) sind. Unterschiedliche Formen
von Luftflußmanagementsystemen sind verwendet worden, um
diese Charakteristiken zu verbessern.
Ein wohlbekanntes Verfahren zur Verringerung des Brenn
stoffverbrauches ist es, die Luftmenge im Zylinder zu
steigern. Typischerweise ist dies durch Unterdrucksetzen
der Luft durchgeführt worden, die in die Brennkammer ein
geführt wird. Das Hauptziel dieses Unterdrucksetzens ist
es, den zur Verbrennung verfügbaren Sauerstoff zu stei
gern. Andere haben die Konzentration des Sauerstoffes in
der Verbrennungsluft unter Verwendung von Lufttrenntech
niken gesteigert. Es sei beispielsweise hingewiesen auf
das US-Patent 5,649,517 (Poola und andere) ausgegeben am
22. Juli 1997, welches die Anwendung einer halbdurchläs
sigen bzw. semi-permeablen Gasmembran offenbart, um einen
Teil des Stickstoffes aus dem Einlaßluftfluß zu entfer
nen, um eine sauerstoffangereicherte Luftversorgung zu
erzeugen. Es sei auch hingewiesen auf das US-Patent 5,526,641
(Sekar und andere) und 5,640,845 (Ng und ande
re) die ähnliche Lufttrennungstechniken zur Erzeugung von
sauerstoffangereicherter Luft genauso wie von stick
stoffangereicherter Luft offenbaren. Eine weitere Offen
barung bezüglich damit verwandter Technik von Interesse
ist das US-Patent 5,553,591 (Yi) ausgegeben am 10. Sep
tember 1996, die ein Verwirbelungslufttrennsystem zur Er
zeugung von sauerstoffangereicherter Einlaßluft zeigt, um
die während der Verbrennung erzeugte Leistung zu stei
gern. Die Einleitung von sauerstoffangereicherter Einlaß
luft während des Einlaßhubes erleichtert die Verbrennung
eines größeren Teils des eingespritzten verfügbaren
Brennstoffes, was wiederum die Leistungsausgabe für jeden
Verbrennungszyklus oder die Ladung steigert, und im all
gemeinen den spezifischen Übergangs- bzw. Durchschnitts
brennstoffverbrauch (BSFC = break specific fuel consump
tion) verringert. Ein niedrigerer BSFC steht stark im Zu
sammenhang mit der Verringerung von unverbranntem Brenn
stoff.
Die Manipulation oder Steuerung des Luftflußsystems in
nerhalb eines Motors ist auch zum Zwecke der Verringerung
von Emissionen wie beispielsweise von Partikeln und NOx
versucht worden. Die meisten während des Verbrennungszy
kluses erzeugten Partikel bilden sich relativ früh im
Verbrennungszyklus, jedoch verbrennen solche sich früh
formenden Partikel gewöhnlicherweise, wenn die Temperatur
und der Druck während des Verbrennungszykluses steigen.
Die Partikel, die typischerweise in den Abgasstrom ein
treten, tendieren dazu, sich im späteren Teil des Ver
brennungszykluses zu bilden, wenn der Druck und die Tem
peratur abnehmen. Zusätzlich zum sinkenden BSFC dient die
Steigerung des Einlaßluftsauerstoffgehaltes dazu, die
Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu reduzieren,
und zwar durch Steigerung der Wahrscheinlichkeit der
vollständigen Verbrennung.
Die Nachbehandlung von Abgas ist bei der Verringerung der
Menge von unverbranntem Kohlenwasserstoff nützlich. Nach
behandlungsverfahren unternehmen Schritte, um die Oxida
tion der unverbrannten Kohlenwasserstoffe fortzuführen.
Eine Weise ist die Einleitung einer sekundären Luftver
sorgung in den Abgasstrom. Dieser sekundäre Luftstrom
liefert mehr Sauerstoff an das schon auf hoher Temperatur
befindliche Abgas, was eine weitere Oxidation sicher
stellt. Während die Anwendung von Sekundärluft bei der
Eliminierung von Partikeln wirksam ist, erzeugt ein Se
kundärluftsystem eine höhere Temperatur im Abgassystem.
Die Auslegung des Abgassystems auf diese höheren Tempera
turen erfordert, daß die Komponenten der heißeren Umge
bung widerstehen können. Diese Komponenten sind oftmals
schwerer, teurer oder erfordern häufige Instandhaltung.
Während die Partikelerzeugung im allgemeinen zusammen mit
dem Brennstoffverbrauch sinkt, steigt die NOx-Erzeugung
im allgemeinen. NOx bildet sich, wenn sich Stickstoff bei
einer höheren Temperatureinstellung mit übermäßigem Sau
erstoff vermischt, welcher nicht im Verbrennungsprozeß
verwendet wurde. Während somit übermäßiger Sauerstoff und
hohe Verbrennungstemperaturen bei der Verringerung des
Brennstoffverbrauches nützlich sind, ist eine solche Kom
bination schädlich bezüglich der gesteigerten NOx-Bil
dung. Dieser Konflikt führt im allgemeinen dazu, daß Mo
torhersteller genau die NOx-Erzeugung mit dem BSFC bzw.
dem durchschnittlichen Brennstoffverbrauch und den Parti
kelteilchen ausbalancieren, um die Emissionsregeln zu er
füllen. Die vorliegende Erfindung löst zumindest teil
weise den fortgesetzten Konflikt zwischen der Verringe
rung der Partikel, der Verringerung von NOx und der Ver
ringerung des durchschnittlichen Verbrauches bzw. BSFC.
Die Abgasrückzirkulation (EGR = Exhaust Gas Recirculati
on) ist eine Art des Luftflußmanagements, welches gegen
wärtig im Gebrauch ist, um die NOx-Bildung innerhalb des
Verbrennungszylinders zu verringern. Die Abgasrückzirku
lation verringert die verfügbare Sauerstoffmenge zur Bil
dung von NOx. Durch Verringerung der Sauerstoffmenge wird
der Verbrennungsprozeß auch verlangsamt, wodurch die
Spitzentemperaturen in der Brennkammer verringert werden.
Abgasrückzirkulationssysteme verwenden typischerweise Ab
gas, jedoch zeigt Poola die Verwendung einer angereicher
ten Stickstoffquelle anstelle von Abgas, um Sauerstoff in
der Brennkammer zu ersetzen. Der angereicherte Stickstoff
ist sowohl reiner als auch kühler als Abgas.
Genauso wie die Verringerung der Partikelteilchen können
NOx-Emissionen unter Verwendung von verschiedenen Nachbe
handlungsverfahren verringert werden. Beispielsweise zei
gen die Veröffentlichungen von Poola und anderen, Sekar
und anderen und Ng und anderen, alle ein Nachbehandlungs
system, welches eine angereicherte Stickstoffversorgung
zu Verringerung von NOx verwendet. Wie dort offenbart,
ist die angereicherte Stickstoffversorgung einer Funken
quelle zur Bildung von Stickstoffplasma ausgesetzt. Die
Einleitung des Stickstoffplasmastroms in dem Abgasstrom
hat eine chemische Reaktion zur Folge, die Stickstoffgas
und Sauerstoffgas bildet.
Aus der obigen Besprechung scheint es wohlbekannt, daß
sauerstoffangereicherte Luft und stickstoffangereicherte
Luft eine Anzahl von vorteilhaften Anwendungen in einem
Verbrennungsmotor und insbesondere in einem Dieselmotor
haben. Jedoch sind diese Anwendungen nicht immer gegen
teilig. Auch die Erzeugung von sauerstoffangereicherter
Luft und stickstoffangereicherter Luft erfordert Energie.
Diese Energieanforderungen setzen der Verfügbarkeit von
angereicherter Luft eine Grenze. Genauso wie irgendeine
begrenzte Quelle muß die angereicherte Luft wirkungsvoll
eingeteilt werden. In diesem Fall muß das Luftflußmanage
mentsystem Leistungsanforderungen, Partikelbildung und
NOx-Erzeugung im Lichte der Emissionsregelungen und der
Bedieneranforderung priorisieren. In den meisten Situa
tionen kann ein Faktor (beispielsweise Leistung, Partikel
oder NOx) über die anderen Faktoren dominieren. Was daher
benötigt wird, ist ein Luftflußmanagementsystem, welches
effektiv die Emissionen und die Brennstoffverbrauchsan
forderungen eines Verbrennungsmotors wie beispielsweise
eines Dieselmotors ausbalanciert. Beispielsweise können
unter gewissen Betriebsumständen die NOx-Emissionen unter
Verwendung von Stickstoff anstelle von Abgas in einem Ab
gasrückführungssystem verringert werden, oder durch Ver
wendung von Stickstoff innerhalb des Nachbehandlungsver
fahrens, oder durch beides. Bei anderen Gelegenheiten
könnte angereicherter Sauerstoff erforderlich sein, um
entweder die Leistung zu steigern oder Partikel zu sen
ken. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet eines
oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und ein Sy
stem für die Einspritzung von sauerstoffangereicherter
Luft in die Brennkammer eines Verbrennungsmotors spät im
Zyklus. Wie hier offenbart, ist das System zur Sauer
stoffeinspritzung spät im Zyklus ein Luftflußmanagement
system, welches eine Einlaßlufttrennvorrichtung aufweist,
die geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Ein
laßluft in einen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft
und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft zu tren
nen. Das System weist eine Flußschaltung für sauer
stoffangereicherte Luft auf, die sich von der Einlaß
lufttrennvorrichtung zu einer Brennkammer erstreckt, und
eine Steuervorrichtung, die geeignet ist, um die Einlei
tung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
spät in einem Verbrennungszyklus zu steuern, und zwar an
sprechend auf ausgewählte Motorbetriebszustände, wie bei
spielsweise die Motordrehzahl oder die Motorbelastung
oder beides.
Vorzugsweise tritt die Einleitung von sauerstoffangerei
cherter Luft in die Brennkammer spät im Verbrennungszy
klus auf, und zwar bei einem Kurbelwellenwinkel zwischen
ungefähr 20° und 120° nach dem oberen Totpunkt und dauert
für ein vorgeschriebenes Zeitintervall zwischen ungefähr
5° und 20° Kurbelwellenwinkelbewegung an.
In dem offenbarten Ausführungsbeispiel weist die Einlaß
lufttrennvorrichtung eine selektiv permeable Membranvor
richtung auf, die geeignet ist, um Stickstoff von der
Einlaßluft zu trennen, und stickstoffangereicherte Luft
bei einem ersten Auslaß und sauerstoffangereicherte Luft
bei einem zweiten Auslaß zu erzeugen. Die Einlaß
lufttrennvorrichtung weist auch einen Einlaßluftantrieb
auf, der geeignet ist, um den Teil der Einlaßluft durch
die selektiv durchlässige Membranvorrichtung zu drücken.
Die Erfindung kann auch als Verfahren zur Verringerung
von Partikelemissionen von einem Druckzündungsmotor cha
rakterisiert werden, wobei das Verfahren folgende Schrit
te aufweist: (a) Betrieb der normalen Einlaß- und Kom
pressionshübe des Druckzündungsmotors, die das Einleiten
einer Ladung von Einlaßluft von der Einlaßsammelleitung
in die Brennkammer aufweist, das Komprimieren der Ladung
von Einlaßluft in der Brennkammer, das Einleiten von
Brennstoff in die Brennkammer und die Zündung der Mi
schung aus Brennstoff und der Ladung von komprimierter
Einlaßluft, um expandierendes Abgas innerhalb der Brenn
kammer zu bilden; (b) Einleiten einer Ladung von zusätz
licher sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
spät in einem Verbrennungszyklus nach der Zündung der Mi
schung des Brennstoffes und der Ladung von komprimierter
Einlaßluft, wobei die Ladung der zusätzlichen sauer
stoffangereicherten Luft mit den Abgasen reagiert, die in
der Brennkammer vorhanden sind, um Abgas mit einem ver
ringerten Partikelgehalt zu bilden; und (c) Bewegung der
Kolbenanordnung innerhalb des Zylinders, um die Abgase
mit dem verringerten Partikelgehalt aus der Brennkammer
zum Abgassystem herauszudrücken.
Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden speziel
leren Beschreibung davon offensichtlich, die in Verbin
dung mit den beigefügten Zeichnungen dargelegt wird, wo
bei die Figuren folgendes abbilden:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungs
motors, der das Luftflußmanagementsystem gemäß
der vorliegenden Erfindung vorsieht;
Fig. 2 eine detailliertere Ansicht einer Brennkammer
und eines Luftflußmanagementsystems des Motors
der Fig. 1 und die Einleitung von sauer
stoffangereicherter Luft in die Brennkammer
spät im Verbrennungszyklus.
Fig. 3 eine Kurvendarstellung eines typischen Zylin
derdruckes gegenüber der Zylinderlage für den
Motor der Fig. 1, die weiter graphisch die
Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft
spät im Verbrennungszyklus abbildet;
Fig. 4 eine Kurvendarstellung einer typischen Zylin
dertemperatur gegenüber der Kolbenlage für den
Motor der Fig. 1, die weiter graphisch die
Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft
spät im Verbrennungszyklus abbildet;
Fig. 5 eine graphische Simulation des NOx-Gehaltes in
nerhalb eines Zylinders gegenüber der Kolbenla
ge, die weiter die Effekte der Einleitung von
sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbren
nungszyklus abbilden;
Fig. 6 eine graphische Simulation des Rußgehaltes in
nerhalb eines Zylinders gegenüber der Kolbenla
ge, die weiter die Effekte der Einleitung von
sauerstoffangereicherter Luft spät im Verbren
nungszyklus abbildet; und
Fig. 7 eine graphische Simulation des in einen Zylin
der eingespritzten und verbrannten Brennstoffes
gegenüber der Kolbenlage, die weiter die Effek
te der Einleitung von sauerstoffangereicherter
Luft spät im Verbrennungszyklus abbildet.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Kom
ponenten in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
Die vorliegende Beschreibung handelt vom besten Weg, der
gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung in Betracht ge
zogen wird. Diese Beschreibung soll nicht im einschrän
kenden Sinne aufgenommen werden sondern ist nur zum
Zwecke der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfin
dung gedacht. Der Umfang und die Breite der Erfindung
sollten mit Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Luftflußmanage
mentsystems 10 für einen Verbrennungsmotor gezeigt, der
ein Lufteinlaßsystem besitzt, welches eine Einlaßluftlei
tung 12, eine Einlaßsammelleitung 14, einen Abgas getrie
benen Turbolader 16, einen Luft-Luft-Nachkühler (ATAAC = air
to air aftercooler) 18 aufweist, weiter ein Abgassy
stem, welches eine Abgassammelleitung 20 aufweist, eine
primäre Abgasleitung 22 und optional eine Abgasrückzirku
lations- (EGR-) Leitung 24, einen EGR-Kühler 26, eine
Partikelfalle 28 und ein Nachbehandlungsuntersystem 30;
und einen Hauptverbrennungsabschnitt 32, der unter ande
ren Elementen eine Vielzahl von Verbrennungszylindern
aufweist, die jeweils eine (nicht gezeigte) damit assozi
ierte Brennstoffeinspritzvorrichtung besitzen, einen Ein
laßanschluß, ein Einlaßventil, einen Auslaßanschluß, ein
Auslaßventil und einen hin und her beweglichen Kolben,
der innerhalb des Zylinders bewegbar ist, um die Brenn
kammer 34 zu definieren. Der Motor weist auch ein Motor
steuermodul (ECM = engine control module) 36 auf, um be
triebsmäßig die Brennstoffeinspritzung und die Luftsy
stemventilvorgänge zu steuern, und zwar ansprechend auf
einen oder mehrere gemessene Motorbetriebsparameter, die
als Eingangsgrößen für das elektronische Steuermodul 36
verwendet werden. Ein Verbrennungsmotor kann in einer An
zahl von unterschiedlichen Motorkonfigurationen erschei
nen, wie beispielweise "Reihenmotoren" und "V-Motoren".
Das offenbarte Einlaßluftmanagementsystem ist ungeachtet
der Motorkonfiguration betreibbar.
Wie in Fig. 1 zu sehen, ist die Einlaßluftleitung 12 in
Flußverbindung mit dem Einlaßlufteingang 40, dem Kompres
sor 42 des abgasbetriebenen Turboladers 16 und dem ATAAC
18. Obwohl das vorhandene Einlaßluftflußmanagementsystem
10 in Verbindung mit einem turbogeladenen Dieselmotor ge
zeigt ist, ist das offenbarte System gleichfalls bei an
deren supergeladenen bzw. überladenen Motoren nützlich,
wie beispielsweise COMPREX-Motoren. Die Einlaßsammellei
tung 14 ist mit einem Ende der Einlaßluftleitung 12 und
einer Abgasrückführungsleitung 24 verbunden. Ein Einlaß
drucksensor 50 ist in der Einlaßsammelleitung gelegen und
liefert Druckdaten an das elektronische Steuermodul 36.
Andere Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren
und (nicht gezeigte) Sauerstoffsensoren können auch in
nerhalb des Einlaßluftsystems vorgesehen werden und ge
nauso mit dem elektronischen Steuermodul 36 gekoppelt
werden. Zusätzlich können verschiedene andere Vorrichtun
gen wie beispielsweise Filter, Ventile, Betätigungsvor
richtungen, Bypass- bzw. Umgehungsleitungen usw. inner
halb des Einlaßluftsystems vorgesehen werden, obwohl die
se nicht gezeigt sind. Irgendwelche solche Betriebskompo
nenten, wie beispielsweise Ventile und Betätigungsvor
richtungen werden vorzugsweise mit dem elektronischen
Steuermodul 36 gekoppelt und arbeiten ansprechend auf
ausgewählte Motorbetriebsparameter oder -zustände.
Das Abgassystem weist eine Abgassammelleitung 20 auf, die
geeignet ist, um Abgase aufzunehmen, die aus jeder der
Brennkammern 34 herausgetrieben werden, und es kann wie
in Fig. 1 veranschaulicht ein Abgasrückführungssystem
aufweisen, welches die Abgasrückführungsleitung 24 auf
weist, die mit dem Abgassystem über das Einlaßluftsystem
des Motors verbunden ist, ein Abgasrückführungsventil 52,
einen Abgasrückführungskühler 26 und andere Elemente, die
gewöhnlicherweise bei Abgasrückführungssystemen zu finden
sind, wie beispielsweise Fallen, Filter, Umgehungsleitun
gen usw. Genauso weist das veranschaulichte Ausführungs
beispiel ein Nachbehandlungsuntersystem 30 auf, wie bei
spielsweise ein Plasmakathalysesystem zur Verringerung
von NOx-Emissionen.
Das Luftflußmanagementsystem 10 weist eine Einlaßluft
trennvorrichtung 60 auf, die innerhalb des Einlaßluftsy
stems des Motors angeordnet ist, welches zur Trennung ei
nes Teils der Einlaßluft in einen Fluß von sauerstoffan
gereicherter Luft 62 und einen Fluß von stickstoffange
reicherter Luft 64 geeignet ist. Das Luftflußmanagement
system 10 weist weiter eine Leitung 60 für sauerstoffan
gereicherte Luft auf, über eine Schaltung, die sich von
der Einlaßlufttrennvorrichtung 60 zu verschiedenen Sauer
stoffeinleitungsstellen erstreckt, wie beispielsweise die
Brennkammer 34, während die Einlaßsammelleitung 14 umlüf
tet wird. Leitungen 67, für sauerstoffangereicherte Luft
können sich auch von der Einlaßlufttrennvorrichtung 60
zum Einlaßluftsystem (für zusätzlichen Sauerstoff) oder
zum Auslaßsystem (zur Regeneration von Partikelfallen)
erstrecken. Zusätzlich könnten Leitungen 68 für stick
stoffangereicherte Luft oder Schaltungen, die sich von
der Einlaßlufttrennvorrichtung 60 zum Einlaßluftsystem
(anstelle des Abgasrückführungs- bzw. EGR-Gases) und/oder
zum Nachbehandlungssystem 30 erstrecken, vorgesehen wer
den. Eine oder beide der Schaltungen für angereicherte
Luft kann auch einen Luftraum 70 aufweisen oder eine an
dere Ansammlungsvorrichtung, so daß die sauerstoffange
reicherte Einlaßluft oder die stickstoffangereicherte
Luft auf Verlangen zur entsprechenden Stelle eingespritzt
werden kann. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist die Schaltung
66 für sauerstoffangereicherte Luft, die zu den Brennkam
mern führt, in Flußverbindung mit einem sauerstoffange
reicherten Luftraum 70. Zusätzlich weisen sowohl die
Schaltungen 66, 67 für sauerstoffangereicherte Luft ge
nauso wie die Schaltungen 68 für stickstoffangereicherte
Luft eine oder mehrere Flußsteuervorrichtungen oder Ven
tile 72, 74 auf, die ansprechend auf die vom elektroni
schen Steuermittel 36 empfangenen Signale betätigt wer
den. Die innerhalb der Schaltung für sauerstoffangerei
cherte Luft gelegenen Ventile 72 steuern den Fluß von
sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer. Genauso
steuern die innerhalb der Schaltungen für stickstoffange
reicherte Luft gelegenen Steuerventile 74 den Fluß von
stickstoffangereicherter Luft in die Abgasrückführungs
leitung, das Nachbehandlungssystem oder beides. Jedes der
Flußsteuerventile 72, 74, welches innerhalb der Schaltung
für sauerstoffangereicherte Luft und der Schaltung für
stickstoffangereicherte Luft gelegen ist, wird betriebs
mäßig durch das elektronische Steuermodul 36 ansprechend
auf ausgewählte Motorbetriebsparameter oder -zustände ge
steuert.
Insbesondere wird Einlaßluft, die durch die Einlaßluft
leitung 12 läuft durch eine Luftleitung 80 in eine
Lufttrennvorrichtung 60 aufgeteilt. Die Lufttrennvorrich
tung 60 hat eine Sauerstoffseite und eine Stickstoffsei
te. In Fig. 1 verwendet die Lufttrennvorrichtung vor
zugsweise eine selektiv durchlässige Trennmembran 82, wie
in den US-Patenten 5,649,517 (Poola und andere);
5,526,641 (Sekar und andere); 5,640,845 (Ng und andere)
und 5,147,417 (Nemser) offenbart, um die Einlaßluft in
getrennte Flüsse von sauerstoffangereicherter Luft (von
der Sauerstoffseite) und stickstoffangereicherter Luft
(von der Stickstoffseite) zu trennen. Alternativ wird in
Betracht gezogen, daß die Lufttrennvorrichtung 60 einen
Verwirbelungsseparator oder andere Lufttrennungsmittel
aufweisen könnte.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Gebläse 86 in
der Lufttrennleitung 80 angeschlossen, und zwar zwischen
der Einlaßluftleitung 12, und dem Einlaß der Lufttrenn
vorrichtung 60, um durch Kraft die Einlaßluft zur Luft
trennvorrichtung 60 zu bewegen. Das elektronische Steuer
modul 36 steuert betriebsmäßig das Gebläse. Eine Leitung
66, 67 für sauerstoffangereicherte Luft tritt aus der
Sauerstoffseite der Lufttrennvorrichtung aus und tritt
optional in eine Vakuumpumpe 90 ein. Das elektronische
Steuermodul 36 steuert auch betriebsmäßig die Vakuumpumpe
90, falls sie verwendet wird. Ein optionaler Sauer
stoffsensor ist in der Leitung für sauerstoffangereicher
te Luft angeordnet, und zwar zwischen der Vakuumpumpe und
der Lufttrennvorrichtung. Obwohl hier veranschaulicht
wird, daß man ein Gebläse 86 und eine Vakuumpumpe 90 ver
wendet, wird in Betracht gezogen, daß das hier offenbarte
Luftflußmanagementsystem einen Turboladerkompressor oder
andere Antriebsmittel verwenden könnte, um die notwendige
Druckdifferenz zu erzeugen, die gegenwärtig durch die
Kombination des Gebläses 86 und der Vakuumpumpe 90 er
zeugt wird.
Nach dem Austritt aus der Vakuumpumpe 90 steht die Lei
tung 66 für sauerstoffangereicherte Luft mit einer Sauer
stoffsammelleitung oder einem Luftraum 70 in Verbindung.
Ein Entlastungsventil 73 ist in oder nahe der Sauer
stoffsammelleitung angeordnet, um ein übermäßiges Unter
drucksetzen zu verhindern. Jede Brennkammer 34 ist mit
dem Sauerstoffluftraum 70 über eine Leitung 66 für sauer
stoffangereicherte Luft verbunden. Der Fluß der sauer
stoffangereicherten Luft zu jeder Brennkammer 34 wird
mittels einem oder mehreren Sauerstoffschubventilen 92
oder ähnlichen solchen Flußsteuervorrichtungen gesteuert,
wie die anderen Flußsteuervorrichtungen innerhalb des Sy
stems betriebsmäßig durch das elektronische Steuermodul
36 gesteuert werden. Der auf die sauerstoffangereicherte
Luft aufgebrachte Boost- bzw. Schubdruck muß ausreichend
sein, um ein vorgeschriebenes Volumen von sauerstoffange
reicherter Luft in jede Brennkammer 34 vorzugsweise spät
im Verbrennungszyklus einzuspritzen.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer Brennkammer 34 und eines
Luftflußmanagementsystems 10 des oben beschriebenen und
in Fig. 1 gezeigten Motors. Das offenbarte Ausführungs
beispiel zeigt einen Auslaßanschluß 93, ein Auslaßventil
94, einen Einlaßanschluß 95 und ein Einlaßventil 96 in
einem Zylinderkopf 97 und einem Kolben 98. Zusätzlich hat
der Zylinderkopf 97 einen Sauerstoffanschluß 99, um sau
erstoffangereicherte Luft 62 entweder während des Einlaß
hubes oder vorzugsweise spät im Verbrennungszyklus zu
liefern. Der Sauerstoffanschluß 99 ist mit den Leitungen
66 für sauerstoffangereicherte Luft und mit der Sauer
stoffseite der Luftflußtrennvorrichtung 60 gekoppelt. Die
Leitungen 66 für sauerstoffangereicherte Luft, die mit
jedem Zylinder assoziiert sind, weisen vorzugsweise Sau
erstoffboost- bzw. Sauerstoffschubventile 92 auf, die
zwischen dem Luftraum 70 und dem Sauerstoffanschluß in
dem jeweiligen Zylinderkopf der Brennkammer 34 angeordnet
sind. Während das vorliegende Ausführungsbeispiel den
Sauerstoffanschluß 99 oben auf dem Zylinder zeigt, kann
der Sauerstoffanschluß weiter unten an der Brennkammer
wand 100 gelegen sein, um den Einfluß von den höheren Zy
linderdrücken und -temperaturen zu erleichtern. Jedes
Sauerstoffschubventil 92 wird von dem (nicht gezeigten)
elektronischen Steuermodul 36 gesteuert und ist damit
verbunden.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist die Stickstoffseite der
Lufttrennvorrichtung 60 mit dem Einlaßluftsystem und/oder
der Einlaßsammelleitung 14 durch eine Leitung 68 für
stickstoffangereicherte Luft verbunden. Ein (nicht ge
zeigter) optionaler Sauerstoffsensor ist in der Leitung
68 für stickstoffangereicherte Luft angeordnet. Der
(nicht gezeigte) Sauerstoffsensor kann verwendet werden,
um eine Eingangsgröße an das elektronische Steuermodul 36
zu liefern, um optional das Luftflußmanagementsystem 10
zu steuern. Eine zweite Leitung 68 für stickstoffangerei
cherte Luft verbindet die Stickstoffseite der Lufttrenn
vorrichtung 60 mit einer vorgeschriebenen Stelle in der
Abgasleitung 22, um die Anwendung von stickstoffangerei
cherter Luft 64 innerhalb eines Nachbehandlungsuntersy
stems 30 zu gestatten. Ein Stickstoffsteuerventil 74 ist
in einer oder beiden der Leitungen 68 für stickstoffange
reicherte Luft angeordnet, und ist betriebsmäßig mit dem
elektronischen Steuermodul 36 verbunden und wird dadurch
unter Verwendung von verschiedenen Steuerstrategien ge
steuert.
Die vorliegende Erfindung ist ein Luftflußmanagementsy
stem, welches wirkungsvoll die Anwendung von Sauerstoff
und Stickstoff steuert, die in der Einlaßluft verfügbar
sind. Das elektronische Steuermodul verwendet verschiede
ne Motorbetriebsparameter und wahlweise Sauerstoffkonzen
trationen in der Einlaßluftleitung, in der Leitung für
sauerstoffangereicherte Luft und den Leitungen für stick
stoffangereicherte Luft, um die Verwendung von Sauerstoff
und Stickstoff anzuordnen. Die Verwendung von sauer
stoffangereicherter Luft sieht die Einleitung in den Mo
tor als Verbrennungsluft für gesteigerte Leistung vor,
die Einleitung in die Brennkammer spät im Verbrennungszy
klus, um Partikelteilchen zu verringern, um Fallen für
Partikelteilchen zu regenerieren, und für die Speicherung
von sauerstoffangereicherter Luft in dem Luftraum für
sauerstoffangereicherte Luft. Die Anwendungen von stick
stoffangereicherter Luft sind beispielsweise die Einlei
tung in die Abgasleitung, die Einleitung in die Abgas
rückführungsleitung oder die Einlaßsammelleitung, um als
EGR-Gas bzw. Rückführungsabgas zu wirken, und die Einlei
tung in die Nachbehandlungsuntersysteme, wie beispiels
weise ein nicht-thermisches Plasmakathalysesystem zur
Verringerung von NOx-Emissionen.
Mit Bezug auf die Fig. 3 bis 7 sind verschiedene KIVA-
Simulationen der Sauerstoffeinspritzung spät im Zyklus
gezeigt. Insbesondere veranschaulicht Fig. 3 einen typi
schen Zylinderdruck gegenüber der Kurbelwellenwinkelposi
tion zusammen mit der bevorzugten Region der Sauerstoff
einspritzung. Die Regel der Sauerstoffeinspritzung spät
im Zyklus liegt vorzugsweise zwischen einer Kurbelwellen
winkelposition von 20° und 50° (wobei 0° der obere Tot
punkt ist) und vorzugsweise bei einer Kurbelwellenwinkel
position von 25° und 40°. Genauso veranschaulicht Fig. 4
eine typische Zylindertemperatur gegenüber der Kurbelwel
lenwinkelposition, die das gleiche Sauerstoffeinspritz
profil spät im Zyklus veranschaulicht. Wie dort zu sehen
ist die Dauer der Sauerstoffeinspritzung zwischen unge
fähr 5° und 20° der Kurbelwellenwinkelbewegung und insbe
sondere vorzugsweise ungefähr bei 15° der Kurbelwellen
winkelbewegung. Betrachtungen im Betrieb schlagen vor,
daß die Sauerstoffeinspritzung auftritt, wenn die Zylin
derdrücke bei ungefähr 10 MPa oder weniger sind, obwohl
es durchführbar sein mag, den Sauerstoff bei höheren
Drücken mit einer geeigneten Einspritzvorrichtung einzu
spritzen, wie beispielsweise einer Einspritzvorrichtung,
die zur getrennten Einspritzung von Hochdruckbrennstoff
und sauerstoffangereicherter Luft spät im Zyklus fähig
ist.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des NOx-Gehaltes
innerhalb eines Zylinders gegenüber der Kurbelwellenwin
kelposition, die die allgemeine Bildung von NOx innerhalb
des Zylinders veranschaulicht. In ähnlicher Weise ist Fig.
6 eine graphische Simulation des Rußgehaltes inner
halb des Zylinders gegenüber der Kurbelwellenwinkelposi
tion, und Fig. 7 ist eine graphische Simulation des
Brennstoffes, der in den Zylinder eingespritzt und darin
verbrannt wird gegenüber der Kurbelwellenwinkelposition.
Diese letzteren Kurvendarstellungen zeigen, daß der Ruß
gehalt insbesondere merklich bei der Einspritzung von
sauerstoffangereicherter Luft während eines späteren
Teils des Verbrennungszykluses sinkt. Zusätzlich nähert
sich die innerhalb des Zylinders verbrannte Brennstoff
menge nahe der Brennstoffmenge, die nach der zusätzlichen
Einspritzung von sauerstoffangereicherter Luft innerhalb
des Zylinders zur vorgeschriebenen Zeit und für eine vor
geschriebene Dauer eingespritzt wird.
Genau gesagt ist die Anwendung von sauerstoffangereicher
ter Luft, die in den Zylinder während des Expansionshubes
eingespritzt oder anders eingeleitet wird, vorteilhaft
während Motorbetriebszuständen, die typisch für einen ho
hen Ausstoß von Partikelteilchen und Ruß sind. In ähnli
cher Weise ist die Einleitung von sauerstoffangereicher
ter Luft in die Einlaßsammelleitung oder den Einlaßluft
kreis oder auch als Anwendung zur Regenerierung der Par
tikelteilchenfallen insbesondere von Vorteil während aus
gewählter Bereiche des Motorbetriebs. Die Verwendung von
stickstoffangereicherter Luft als ein inertes Gas im Ein
laß oder als eine Nachbehandlungshilfe ist auch insbeson
dere vorteilhaft bei ausgewählten Betriebszuständen (d. h.
Motordrehzahlen, Motorbelastung, Abgastemperaturen,
usw.).
Aus dem Vorangegangenen ist zu sehen, daß die offenbarte
Erfindung ein Luftflußmanagementsystem für einen Verbren
nungsmotor ist, welches die Erzeugung und die Verwendung
von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangerei
cherter Luft vorsieht, um Motorpartikelteilchen und NOx
zu verringern, und für eine gesteigerte Motorleistung.
Von spezieller Wichtigkeit ist die Einleitung von sauer
stoffangereicherter Luft in die Brennkammer während der
späteren Stufen des Verbrennungszykluses. Während die
hier offenbarte Erfindung mittels spezieller Ausführungs
beispiele und Prozesse beschrieben worden ist, die damit
assoziiert sind, könnten zahlreiche Modifikationen und
Variationen daran vom Fachmann vorgenommen werden, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den An
sprüchen dargelegt wird.
Claims (18)
1. Luftflußmanagementsystem für einen Verbrennungsmo
tor, wobei der Motor eine Einlaßsammelleitung und
mindestens eine Brennkammer hat, ein Einlaßluftsy
stem, welches zur Lieferung von Einlaßluft an die
Einlaßsammelleitung und die Brennkammer geeignet
ist, und ein Auslaßsystem geeignet zum Transport von
Abgasen aus der Brennkammer, wobei das Luftflußmana
gementsystem folgendes aufweist:
eine Einlaßlufttrennvorrichtung, die innerhalb des Einlaßluftsystems angeordnet ist und geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaßluft in ei nen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft zu trennen;
eine Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zur Brennkammer erstreckt, während sie die Einlaßsammel leitung umgeht;
eine Flußsteuervorrichtung, die entlang der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft angeord net ist, wobei die Flußsteuervorrichtung geeignet ist, um sauerstoffangereicherte Luft aus der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft in die Brennkammer einzuleiten; und
eine Steuervorrichtung, die betriebsmäßig mit der Flußsteuervorrichtung gekoppelt ist und geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät in einem Verbrennungs zyklus zu steuern, und zwar ansprechend auf ausge wählte Motorbetriebszustände.
eine Einlaßlufttrennvorrichtung, die innerhalb des Einlaßluftsystems angeordnet ist und geeignet ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaßluft in ei nen Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluß von stickstoffangereicherter Luft zu trennen;
eine Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zur Brennkammer erstreckt, während sie die Einlaßsammel leitung umgeht;
eine Flußsteuervorrichtung, die entlang der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft angeord net ist, wobei die Flußsteuervorrichtung geeignet ist, um sauerstoffangereicherte Luft aus der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft in die Brennkammer einzuleiten; und
eine Steuervorrichtung, die betriebsmäßig mit der Flußsteuervorrichtung gekoppelt ist und geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät in einem Verbrennungs zyklus zu steuern, und zwar ansprechend auf ausge wählte Motorbetriebszustände.
2. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die
Einlaßlufttrennvorrichtung weiter folgendes auf
weist:
einen Einlaßlufteinlaß;
eine selektiv permeable bzw. durchlässige Membran vorrichtung in Flußverbindung mit dem Einlaßluftein laß, wobei die selektiv durchlässige Membran geeig net ist, um Stickstoff von der Einlaßluft abzutren nen, die beim Einlaßlufteinlaß aufgenommen wird, und stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Auslaß und sauerstoffangereicherte Luft bei einem zweiten Auslaß zu erzeugen;
einen Einlaßluftantrieb, der betriebsmäßig mit der selektiv durchlässigen Membranvorrichtung verbunden ist und geeignet ist, um kräftig die beim Einlaß lufteinlaß aufgenommene Einlaßluft durch die selek tiv durchlässige Membranvorrichtung zu leiten.
einen Einlaßlufteinlaß;
eine selektiv permeable bzw. durchlässige Membran vorrichtung in Flußverbindung mit dem Einlaßluftein laß, wobei die selektiv durchlässige Membran geeig net ist, um Stickstoff von der Einlaßluft abzutren nen, die beim Einlaßlufteinlaß aufgenommen wird, und stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Auslaß und sauerstoffangereicherte Luft bei einem zweiten Auslaß zu erzeugen;
einen Einlaßluftantrieb, der betriebsmäßig mit der selektiv durchlässigen Membranvorrichtung verbunden ist und geeignet ist, um kräftig die beim Einlaß lufteinlaß aufgenommene Einlaßluft durch die selek tiv durchlässige Membranvorrichtung zu leiten.
3. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die
Flußschaltung für sauerstoffangereicherte Luft wei
ter folgendes aufweist:
eine Leitung für sauerstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zur Brenn kammer erstreckt;
einen Sauerstoffluftraum, der entlang der Leitung für sauerstoffangereicherte Luft angeordnet ist, wo bei der Luftraum geeignet ist, um eine vorgeschrie bene Menge der sauerstoffangereicherten Luft anzu sammeln; und
wobei die Flußsteuervorrichtung entlang der Leitung für sauerstoffangereicherte Luft zwischen dem Luft raum und der Brennkammer angeordnet ist.
eine Leitung für sauerstoffangereicherte Luft, die sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zur Brenn kammer erstreckt;
einen Sauerstoffluftraum, der entlang der Leitung für sauerstoffangereicherte Luft angeordnet ist, wo bei der Luftraum geeignet ist, um eine vorgeschrie bene Menge der sauerstoffangereicherten Luft anzu sammeln; und
wobei die Flußsteuervorrichtung entlang der Leitung für sauerstoffangereicherte Luft zwischen dem Luft raum und der Brennkammer angeordnet ist.
4. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung
von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
zu steuern, und zwar bei einem Kurbelwellenwinkel
zwischen ungefähr 20° und 120°.
5. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung
von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
zu steuern, und zwar bei einem Kurbelwellenwinkel
zwischen ungefähr 20° und 50° nach dem oberen Tot
punkt.
6. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Dauer zu
steuern, für die die sauerstoffangereicherte Luft in
die Brennkammer eingeleitet wird, und zwar zwischen
ungefähr 5° und 20° der Kurbelwellenwinkelbewegung.
7. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung
der sauerstoffangereicherten Luft in die Brennkammer
ansprechend auf die Motordrehzahl und die Motorbela
stung zu steuern.
8. Verfahren zur Verringerung von Partikelemissionen
aus einem Verdichtungsgezündeten Motor, wobei der
Motor eine Einlaßsammelleitung und mindestens eine
Kolbenanordnung besitzt, die innerhalb eines Zylin
ders bewegbar ist, um eine Brennkammer zu bilden,
ein Einlaßluftsystem, welches geeignet ist, um Ein
laßluft an die Einlaßsammelleitung und die Brennkam
mer zu liefern, und ein Auslaß- bzw. Abgassystem,
welches geeignet ist, um Abgase aus der Brennkammer
abzutransportieren, wobei das Verfahren folgende
Schritte aufweist:
Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder, um das Vo lumen der Brennkammer zu vergrößern und eine Ladung von Einlaßluft aus der Einlaßsammelleitung in die Brennkammer einzuleiten;
Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder, um die La dung der Einlaßluft in der Brennkammer zu komprimie ren;
Einleitung von Brennstoff in die Brennkammer und Zündung der Mischung aus Brennstoff und der Ladung von komprimierter Einlaßluft, um ein expandierendes Abgas innerhalb der Brennkammer zu bilden;
Einleitung einer Ladung von zusätzlicher sauer stoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät in einem Verbrennungszyklus nach der Zündung der Mi schung des Brennstoffes und der Ladung von kompri mierter Einlaßluft, wobei die Ladung der zusätzli chen sauerstoffangereicherten Luft mit den Abgasen reagiert, die innerhalb der Brennkammer vorhanden sind, um Abgase mit verringertem Partikelgehalt zu bilden; und
Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder, um die Ab gase mit dem verringertem Partikelgehalt aus der Brennkammer zum Auslaßsystem herauszudrücken.
Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder, um das Vo lumen der Brennkammer zu vergrößern und eine Ladung von Einlaßluft aus der Einlaßsammelleitung in die Brennkammer einzuleiten;
Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder, um die La dung der Einlaßluft in der Brennkammer zu komprimie ren;
Einleitung von Brennstoff in die Brennkammer und Zündung der Mischung aus Brennstoff und der Ladung von komprimierter Einlaßluft, um ein expandierendes Abgas innerhalb der Brennkammer zu bilden;
Einleitung einer Ladung von zusätzlicher sauer stoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät in einem Verbrennungszyklus nach der Zündung der Mi schung des Brennstoffes und der Ladung von kompri mierter Einlaßluft, wobei die Ladung der zusätzli chen sauerstoffangereicherten Luft mit den Abgasen reagiert, die innerhalb der Brennkammer vorhanden sind, um Abgase mit verringertem Partikelgehalt zu bilden; und
Bewegung der Kolbenanordnung im Zylinder, um die Ab gase mit dem verringertem Partikelgehalt aus der Brennkammer zum Auslaßsystem herauszudrücken.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der
Einleitung der Ladung von zusätzlicher sauerstoffan
gereicherter Luft in die Brennkammer spät im Ver
brennungszyklus weiter folgende Schritte aufweist:
Bildung einer Versorgung von sauerstoffangereicher ter Luft unter Verwendung einer Einlaßlufttrennvor richtung;
Steuerung der Zeit und des Volumens, wenn die sauer stoffangereicherte Luft in die Brennkammer eingelei tet wird, und zwar ansprechend auf ausgewählte Mo torbetriebszustände; und
Einleitung des vorgeschriebenen Volumens von zusätz licher sauerstoffangereicherter Luft in die Brenn kammer zu der vorgeschriebenen Zeit, wobei die La dung der zusätzlichen sauerstoffangereicherten Luft mit den Abgasen reagiert, die innerhalb der Brenn kammer vorhanden sind, um Abgase mit verringertem Partikelgehalt zu bilden.
Bildung einer Versorgung von sauerstoffangereicher ter Luft unter Verwendung einer Einlaßlufttrennvor richtung;
Steuerung der Zeit und des Volumens, wenn die sauer stoffangereicherte Luft in die Brennkammer eingelei tet wird, und zwar ansprechend auf ausgewählte Mo torbetriebszustände; und
Einleitung des vorgeschriebenen Volumens von zusätz licher sauerstoffangereicherter Luft in die Brenn kammer zu der vorgeschriebenen Zeit, wobei die La dung der zusätzlichen sauerstoffangereicherten Luft mit den Abgasen reagiert, die innerhalb der Brenn kammer vorhanden sind, um Abgase mit verringertem Partikelgehalt zu bilden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Einleitung der
Ladung von zusätzlicher sauerstoffangereicherter
Luft in die Brennkammer während der Expansion bei
einem Kurbelwellenwinkel zwischen ungefähr 20° und
50° geschieht.
11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Einleitung der
Ladung von zusätzlicher sauerstoffangereicherter
Luft in die Brennkammer während eines vorgeschriebe
nen Zeitintervalls auftritt, der zwischen ungefähr
5° und 20° der Kurbelwellenwinkelbewegung ent
spricht.
12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das vorgeschriebene
Volumen der Ladung von zusätzlich sauerstoffangerei
cherter Luft, die in die Brennkammer eingeleitet
wird, ansprechend auf die Motordrehzahl und die Mo
torbelastung variiert.
13. Luftflußmanagementsystem für einen Verbrennungsmo
tor, wobei der Motor eine Einlaßsammelleitung und
mindestens eine Brennkammer hat, weiter ein Einlaß
luftsystem, welches zur Lieferung von Einlaßluft an
die Einlaßsammelleitung und die Brennkammer geeignet
ist, und ein Auslaß- bzw. Abgassystem, welches zum
Transport der Abgase aus der Brennkammer geeignet
ist, wobei das Luftflußmanagementsystem folgendes
aufweist:
eine Quelle von sauerstoffangereicherter Luft;
ein Flußkreis bzw. eine Flußschaltung für sauer stoffangereicherte Luft, die sich von der Quelle von sauerstoffangereicherter Luft zur Brennkammer er streckt, während sie die Einlaßsammelleitung umgeht;
eine Flußsteuervorrichtung, die entlang der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft angeord net ist, wobei die Flußsteuervorrichtung geeignet ist, um sauerstoffangereicherte Luft aus der Schal tung bzw. dem Kreis für sauerstoffangereicherte Luft in die Brennkammer einzuleiten; und
eine Steuervorrichtung, die betriebsmäßig mit der Flußsteuervorrichtung gekoppelt ist und geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät im Verbrennungszyklus zu steuern, und zwar ansprechend auf ausgewählte Mo torbetriebszustände.
eine Quelle von sauerstoffangereicherter Luft;
ein Flußkreis bzw. eine Flußschaltung für sauer stoffangereicherte Luft, die sich von der Quelle von sauerstoffangereicherter Luft zur Brennkammer er streckt, während sie die Einlaßsammelleitung umgeht;
eine Flußsteuervorrichtung, die entlang der Fluß schaltung für sauerstoffangereicherte Luft angeord net ist, wobei die Flußsteuervorrichtung geeignet ist, um sauerstoffangereicherte Luft aus der Schal tung bzw. dem Kreis für sauerstoffangereicherte Luft in die Brennkammer einzuleiten; und
eine Steuervorrichtung, die betriebsmäßig mit der Flußsteuervorrichtung gekoppelt ist und geeignet ist, um die Einleitung von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer spät im Verbrennungszyklus zu steuern, und zwar ansprechend auf ausgewählte Mo torbetriebszustände.
14. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 13, wobei die
Quelle von sauerstoffangereicherter Luft weiter eine
Einlaßlufttrennvorrichtung aufweist, die innerhalb
des Einlaßluftsystems angeordnet ist und geeignet
ist, um einen vorgeschriebenen Teil der Einlaßluft
in einem Fluß von sauerstoffangereicherter Luft und
von stickstoffangereicherter Luft aufzuteilen, und
wobei die Flußschaltung für sauerstoffangereicherte
Luft sich von der Einlaßlufttrennvorrichtung zur
Brennkammer erstreckt, während die Einlaßsammellei
tung umgangen wird.
15. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 14, wobei die
Einlaßlufttrennvorrichtung weiter folgendes auf
weist:
einen Einlaßlufteinlaß;
eine selektiv permeable bzw. durchlässige Membran vorrichtung in Flußverbindung mit dem Einlaßluftein laß, wobei die selektiv durchlässige Membran geeig net ist, um Stickstoff von der Einlaßluft abzutren nen, die beim Einlaßlufteinlaß aufgenommen wurde, und stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Ausgang und sauerstoffangereicherte Luft bei einem zweiten Ausgang zu erzeugen;
einen Einlaßluftantrieb, der betriebsmäßig mit der selektiv durchlässigen Membranvorrichtung verbunden ist und geeignet ist, um kräftig die beim Einlaß lufteinlaß aufgenommene Einlaßluft durch die selek tiv durchlässige Membranvorrichtung zu leiten.
einen Einlaßlufteinlaß;
eine selektiv permeable bzw. durchlässige Membran vorrichtung in Flußverbindung mit dem Einlaßluftein laß, wobei die selektiv durchlässige Membran geeig net ist, um Stickstoff von der Einlaßluft abzutren nen, die beim Einlaßlufteinlaß aufgenommen wurde, und stickstoffangereicherte Luft bei einem ersten Ausgang und sauerstoffangereicherte Luft bei einem zweiten Ausgang zu erzeugen;
einen Einlaßluftantrieb, der betriebsmäßig mit der selektiv durchlässigen Membranvorrichtung verbunden ist und geeignet ist, um kräftig die beim Einlaß lufteinlaß aufgenommene Einlaßluft durch die selek tiv durchlässige Membranvorrichtung zu leiten.
16. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 13, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung
von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
zu steuern, und zwar bei einem Kurbelwellenwinkel
zwischen ungefähr 20° und 50°.
17. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 13, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung
von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
während eines vorgeschriebenen Intervalls von zwi
schen ungefähr 5° und 20° Kurbelwellenwinkelbewegung
zu steuern.
18. Luftflußmanagementsystem nach Anspruch 13, wobei die
Steuervorrichtung geeignet ist, um die Einleitung
von sauerstoffangereicherter Luft in die Brennkammer
ansprechend auf die Motordrehzahl und die Motorbela
stung zu steuern.
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