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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und
insbesondere einen Kompressionszündungsmotor mit Direkteinspritzung
und hoher Leistungsdichte und ein entsprechendes Motorbetriebsverfahren.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren
werden schon lange als Leistungsquellen für einen breiten
Bereich von Anwendungen verwendet. Verbrennungsmotoren können
eine Größe aufweisen, die von relativ kleinen,
handgehaltenen angetriebenen Werkzeugen bis zu sehr großen
Dieselmotoren, die auf Seefahrzeugen und in Stromkraftwerken verwendet
werden, reicht. Im Allgemeinen sind größere Motoren
leistungsfähiger, wogegen kleinere Motoren weniger leistungsfähig
sind. Die Motorleistung kann mit der folgenden Gleichung berechnet
werden, wobei „BMEP” der mittlere effektive Arbeitsdruck
ist, also der mittlere Zylinderdruck während des Arbeitstakts
eines herkömmlichen Viertakt-Kolbenmotors: Leistung
= (BMEP) × (Motorhubraum) × (U/min) × (1/792000).(englische
Einheiten)
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Während
größere Motoren leistungsfähiger sein
können, wird ihr Verhältnis von Leistung zu Gewicht oder
Größe bzw. ihre „Leistungsdichte” typischerweise
geringer als bei kleineren Motoren sein. Die Leistung ändert
sich mit dem Quadrat eines gegebenen Skalierungsfaktors, wogegen
sich das Gewicht und das Volumen mit der dritten Potenz des Skalierungsfaktors ändern.
Ein maßstabsmäßiges Vergrößern
der Motorgröße um einen Faktor Zwei durch beispielsweise
Verdoppeln der Größe der Zylinderbohrung und Verdoppeln
des Kolbenhubs eines typischen Motors wird, wenn alles andere gleich
bleibt, die Leistung etwa auf das Vierfache erhöhen. Die
Größe und das Gewicht werden jedoch auf das Achtfache
ansteigen. Daher kann die „Leistungsdichte” auf
die Hälfte abnehmen. Die gleichen Prinzipien gelten im
Allgemeinen, wenn versucht wird, einen Motor maßstabsmäßig
zu verkleinern. Wenn die Bohrungsgröße eines typischen
Motors um einen Faktor Zwei verringert wird, wird die Motorleistung
um einen Faktor Vier abnehmen, die Größe und das
Gewicht des Motors werden jedoch um einen Faktor Acht abnehmen.
So wird, auch wenn kleinere Motoren eine vergleichsweise geringere
verfügbare Ausgangsleistung aufweisen, ihre theoretische
Leistungsdichte in vielen Fällen größer als
die ähnlicher großer Motoren sein.
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Ein
anderer damit in Beziehung stehender Faktor, der sich auf die Leistungsdichte
auswirkt, ist der Hubweg von Kolben in einem bestimmten Motor. Bei
vielen Motoren gibt es einen Kompromiss zwischen Hubweg und U/min.
Motoren mit einem relativ längeren Hub neigen dazu, mehr
Drehmoment und niedrigere U/min zu haben, wogegen Motoren mit relativ
kürzerem Hub dazu neigen, ein niedrigeres Drehmoment und
größere U/min zu haben. Selbst wenn ein Motor
mit kurzem Hub und ein Motor mit langem Hub die gleiche PS-Zahl aufweisen,
kann der Motor mit kürzerem Hub eine größere
Leistungsdichte aufweisen, da er ein kürzerer, kleinerer
Motor sein kann.
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Für
viele Anwendungen können kleinere Motoren mit höherer
Leistungsdichte erwünscht sein. Beispielsweise ist es bei
vielen Luftfahrzeugen wünschenswert, relativ kleine und
leichte Motoren mit hoher Leistungsdichte mit einer relativ großen
Zahl von Zylindern an Stelle von großen Motoren mit relativ
weniger Zylindern einzusetzen. Versuche, viele Verbrennungsmotoren
maßstabsmäßig unter bestimmte Grenzen
zu verkleinern waren jedoch wenig erfolgreich, insbesondere in Bezug
auf Kompressionszündungsmotoren mit Direkteinspritzung.
Viele kleinere Motoren mit theoretisch höherer Leistungsdichte
sind möglicherweise nicht dazu in der Lage, in ihren vergleichsweise
kleinen Zylindern ausreichend Kraftstoff zum Erfüllen höherer
Leistungsanforderungen vollständig zu verbrennen.
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Beispielsweise
kann, wenn ein herkömmlicher Motor bei niedrigerer Temperatur
und niedrigerer Aufladung läuft, wobei für jeden
Zyklus relativ geringe Kraftstoffmengen eingespritzt werden, und
dem Motor mehr Leistung abverlangt wird, die Unfähigkeit,
die höheren angeforderten Kraftstoffmengen zu verbrennen,
die Ausgangsleistung des Motors begrenzen. Wenn während
längerer Einspritzzeiten mehr Kraftstoff eingespritzt wird,
kann der flüssige Kraftstoffnebel in Berührung
mit den Kolbenflächen und anderen Verbrennungskammerflächen
kommen, was in der Technik als „Wandbenetzung” bekannt
ist, bevor er die Möglichkeit hat, sich adäquat
mit der frischen Beladung des Zylinders mit Luft zu mischen. Dieses
Problem ist besonders akut bei Motoren mit kleinerer Bohrung. Die
Wandbenetzung kann so Motoren mit kleiner Bohrung auf eine niedrigere Leistung
und schlechtere Emissionswerte begrenzen, als intuitiv ihr inhärentes
Leistungsvermögen sein könnte, da die Wandbenetzung
dazu neigt, eine schlechte Verbrennung und hohe Kohlenwasserstoff-
und Partikelemissionen zu bewirken.
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Bei
relativ höheren Temperaturen und Drücken im Zylinder
ist die Wandbenetzung ein geringeres Problem. Eine inadäquate
Mischung des Kraftstoffs und der Luft kann jedoch vor einer Verbrennung übermäßig Rauch
erzeugen, was die Leistung des Motors begrenzt, lange bevor seine
theoretische Leistungsgrenze erreicht wird. Ein Grund für
diese Begrenzungen besteht darin, dass bei höheren U/min
lediglich ein relativ kurzer Zeitraum zum Einspritzen und Zünden
von Kraftstoff in jedem Zylinder zur Verfügung steht. Kompressionszündungsmotoren
mit höherer Drehzahl neigen dazu, diesem Problem unabhängig
von der Motorgröße gegenüberzustehen.
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Aufgrund
der vorhergehenden Begrenzungen sind zwei sehr allgemeine Klassen
von kleinen Dieselmotoren entstanden, diejenigen, die bei relativ
höherem BMEP und niedrigeren U/min arbeiten, und diejenigen,
die bei relativ niedrigerem BMEP und höheren U/min arbeiten.
Typischerweise ist jedoch keiner von beiden Motortypen dazu in der
Lage, eine attraktive Leistungsdichte, die kommensurabel mit ihrer
Größe und ihrem Gewicht ist, zu liefern. Im Allgemeinen
werden herkömmliche Motoren mit größerer
Bohrung ebenfalls typischerweise bei entweder hohem BMEP und niedrigen
U/min, mittlerem BMEP und mittleren U/min oder niedrigem BMEP und
hohen U/min betrieben, jedoch nicht bei sowohl hohem BMEP als auch
hohen U/min, wo Versuche zum Maximieren der Leistungsdichte unternommen
werden.
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Ein
Beispiel eines Dieselmotors mit kleiner Bohrung ist der TKDI 600,
der von dem Unternehmen Dr. Schrick in Remscheid, Deutschland, entworfen
wurde. Der TKDI 600 beansprucht eine Ausgangsleistung von 34 KW
bei 6000 U/min bzw. etwa 46 PS. Die Bohrungsgröße
des TKDI 600 kann etwa 76 mm oder etwa 3 Inch sein, und der Kolbenhub
kann etwa 66 mm oder 2,6 Inch sein. Wenngleich behauptet wird, dass
der TKDI 600 bestimmte Anwendungen hat, wie etwa an Bord eines kleinen
unbemannten Luftfahrzeugs, ist der verfügbare BMEP relativ
niedrig, etwa 169 PSI, und der Motor ist daher in gewissem Maße
in Bezug auf seine gesamte verfügbare Ausgangsleistung
und damit seine Leistungsdichte begrenzt.
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der Probleme
oder einen oder mehrere der Mängel gerichtet, die im Vorhergehenden
dargelegt wurden.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem
Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung einen Verbrennungsmotor
bereit, der ein Motorgehäuse mit mehreren Zylindern enthält,
in denen jeweils ein Kolben zumindest teilweise positioniert ist.
Die Kolben sind jeweils zum Erhöhen eines Drucks des entsprechenden
Zylinders auf einen zur Kompressionszündung von Kraftstoff
ausreichenden Druck über einen Hubweg bewegbar. Ein Durchmesser
der Zylinder und eine Länge des Hubwegs legen einen Hubraum
des Verbrennungsmotors fest. Der Motor enthält ferner eine Kurbelwelle,
die mit jedem der Kolben gekoppelt ist und aufgrund einer Verbrennung
von Kraftstoff in jedem der Zylinder drehbar ist, und mehrere Kraftstoffinjektoren,
die relativ zu dem Motorgehäuse feste Positionen aufweisen.
Mindestens ein Injektor erstreckt sich in jeden der Zylinder und
ist dazu ausgebildet, über mehrere Auslassöffnungen
einen flüssigen Kraftstoff in demselben mit einem Einspritzdruck
einzuspritzen. Der Motor ist ferner dazu ausgebildet, in jedem der
Zylinder eine eingespritzte Kraftstoffmenge zum Erzielen von mindestens
etwa 150 PS pro Liter Motorhubraum bei einer Rauchabgabe von weniger
als etwa 0,4 g Rauch pro PSh und einem Kraftstoffverbrauch von weniger
als etwa 250 g Kraftstoff pro kWh Ausgangsleistung des Motors zu verbrennen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren
zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bereit, das einen Schritt
eines Drehens einer Kurbelwelle eines Motors durch mehrere Kolben,
von denen jeder in einem Zylinder des Motors über einen
Hubweg hin und her bewegbar ist und dazu ausgebildet ist, einen
Druck darin auf einen zur Kompressionszündung von Kraftstoff
ausreichenden Druck zu erhöhen, beinhaltet. Das Verfahren
beinhaltet ferner einen Schritt eines Einspritzens eines flüssigen
Kraftstoffs in jeden der Zylinder über Kraftstoffinjektoren,
die sich in jeden der Zylinder erstrecken und mehrere Auslassöffnungen
aufweisen. Das Verfahren beinhaltet weiter einen Schritt eines Verbrennens
von in jeden der Zylinder eingespritztem Kraftstoff zum Erzielen
von mindestens etwa 150 PS pro Liter Motorhubraum bei einer Rauchabgabe
von weniger als etwa 0,4 g Rauch pro PSh und einem Kraftstoffverbrauch
von weniger als etwa 250 g Kraftstoff pro kWh Ausgangsleistung des
Motors.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der
vorliegenden Offenbarung,
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2 ist
eine vergrößerte teilgeschnittene schematische
Seitenansicht eines Abschnitts eines Zylinders eines Motors gemäß der
vorliegenden Offenbarung, der einen Krafstoffinjektor enthält,
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3 ist
eine graphische Darstellung, die Auftragungen verschiedener Kompressionszündungsmotortypen
darstellt, die den BMEP und die U/min miteinander in Beziehung setzen,
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4 ist
eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Motorsystems gemäß der
vorliegenden Offenbarung,
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5 ist
eine graphische Darstellung, die eine Kraftstoffeinspritzratengestaltung
gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt,
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6 ist
eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Kolbens eines
Motors und eines Kraftstoffinjektors gemäß der
vorliegenden Offenbarung,
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7 ist
eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der
vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine schematische Darstellung
eines Motors 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Motor 10 enthält
ein Motorgehäuse 12, das darin mehrere Zylinder 14 aufweist.
Relativ zu dem Gehäuse 12 sind an festen Positionen
Kraftstoffinjektoren 16 angeordnet, die sich zumindest
teilweise in jeden der Zylinder 14 erstrecken und zum Direkteinspritzen
eines flüssigen Kraftstoffs in denselben betreibbar sind.
Jeder der Kraftstoffinjektoren 16 kann eine Kraftstoffinjektorspitze 20 enthalten,
die sich in den zugehörigen Zylinder erstreckt, wobei jede
Spitze 20 mehrere Auslassöffnungen 22 aufweist.
Der Motor 10 enthält ferner mehrere Kolben 21,
von denen jeder zumindest teilweise in einem der Zylinder 14 angeordnet
ist und darin zum Erhöhen eines Zylinderdrucks auf einen
für eine Kompressionszündung von Kraftstoff ausreichenden
Druck bewegbar ist. Das Kompressionsverhältnis kann bei
bestimmten Ausführungsformen bis zu etwa 15,5 zu 1 betragen.
Jeder Kolben ist über eine Kolbenstange 23 zum
Ermöglichen einer Drehung der Kurbelwelle 30 durch
eine Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern 14 mit
einer Kurbelwelle 30 gekoppelt. Der Motor 10 kann
ferner eine druckbeaufschlagte Kraftstoffquelle 17 enthalten,
die beispielsweise eine Hochdruckpumpe oder eine nockenbetätigte
Kraftstoffdruckbeaufschlagungsvorrichtung enthalten kann. Die druckbeaufschlagte
Kraftstoffquelle 17 kann über eine Hochdruckversorgungsleitung
oder ein Common Rail 19 und mehrere Zufuhrkanäle 26 mit
jedem der Kraftstoffinjektoren 16 flüssigkeitsleitend
verbunden sein. Es wird in Betracht gezogen, dass die Quelle 17 Kraftstoff
mit einem Druck von mindestens etwa 150 MPa beaufschlagen wird,
wenngleich die vorliegende Offenbarung nicht darauf begrenzt ist.
In einigen Fällen hat sich gezeigt, dass relativ höhere
Drücke die Zerstäubung von eingespritztem Kraftstoff
erleichtert haben, der tatsächliche Druck kann jedoch basierend
auf verschiedenen gewünschten Betriebseigenschaften des
bestimmten Motors und einer Realisierbarkeit ausgewählt
werden. Es wird in Betracht gezogen, dass der Motor 10 ein
Kompressionszündungsmotor sein kann, beispielsweise ein
Dieselmotor. Der Motor 10 oder einer der anderen hierin
in Betracht gezogenen Motoren kann ferner mindestens einen Sensor 27 enthalten,
der dazu ausgebildet ist, Werte zu erfassen, die eine Motordrehzahl
und/oder eine Motorlast angeben, und entsprechende Signale zu einer
elektronischen Steuerung 15 auszugeben.
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Wie
aus der folgenden Beschreibung offensichtlich werden wird, stellt
die vorliegende Offenbarung Strategien zum Entwurf und Betrieb von
Motoren bereit, die eine wesentlich größere Motorleistungsdichte
als herkömmliche Kompressionszündungsmotoren ermöglichen.
Bei bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen sind
relativ kleine Motoren mit höheren Leistungsdichten als
andere bekannte Motoren möglich. Bei anderen Ausführungsformen
werden Kompressionszündungsmotoren herkömmlicher
Größe, beispielsweise mit Zylinderbohrungsgrößen
von etwa 4,5 Inch oder größer, bereitgestellt,
die Leistungsdichten aufweisen, die deutlich über denen
liegen, die anderen herkömmlichen Kompressionszündungsmotoren
zugeordnet sind. Unabhängig von der Motorgröße
stellt die vorliegende Offenbarung Motoren und Strategien zum Betreiben
von Motoren bereit, die für die Kompressionszündungsmotortechnologie
einen neuen Bereich von Leistungsdichten erschließen, ohne
den Wirkungsgrad und die Rauchemissionen zu verschlechtern. Die
hierin angegebenen Rauchabgabemengen werden ohne Verwendung von
Partikelfiltern erreicht, wenngleich bei einigen Anwendungen Oxidationskatalysatoren
verwendet werden können. Daher ist in Anbetracht der verschiedenen
hierin dargelegten Lehren für Fachleute offensichtlich,
dass gemäß der vorliegenden Offenbarung eine große
Vielzahl von Kompressionszündungsmotoren mit hoher Leistungsdichte
entworfen werden können, die einen breiten Bereich von
Größen und Gewichten aufweisen.
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Hierin
in Betracht gezogene Motoren können ferner eine spezifische
Turboladerkonfiguration zum Bereitstellen relativ hoher Ladedrücke
enthalten, die gegenüber früheren Strategien durch
Bereitstellen eines relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eine erhebliche Verringerung von Rauch ermöglicht, wie
weiter hierin beschrieben ist. Bezug nehmend auf 7 ist
ein Motor 310 gezeigt, der ähnlich zu dem Motor 10 ist,
weshalb er mit entsprechenden Bezugsziffern gezeigt ist, der jedoch
ferner den bestimmten, vorher erwähnten Turboladerentwurf
enthält. Der Motor 310 kann ein Gehäuse 312 mit
mehreren Zylindern 314 enthalten. Der Motor 310 kann
insbesondere ferner einen oder mehrere Abgaskanäle enthalten,
die sich von dem Motorgehäuse 312 erstrecken,
beispielsweise zwei Abgaskanäle 372 und 373.
Jeder der Abgaskanäle 372 und 373 kann
einem Hochdruckturbolader 376 Abgas zuführen.
Ein Lufteinlass 375 kann Luft zur Druckbeaufschlagung durch den
Turbolader 376 und die anderen hierin beschriebenen Turbolader
zuführen. Nach Antreiben des Turboladers 376 können
Abgase parallel zu zwei Niederdruckturboladern 374 und 380 strömen.
Nach einem Durchgang durch die Turbolader 374 und 380 können
die Abgase über einen Abgasauslasskanal 384 austreten.
Luft aus dem Einlass 375 kann durch den Turbolader 374 und
den Turbolader 380 druckbeaufschlagt werden und dann für
eine weitere Stufe der Druckbeaufschlagung zu dem Turbolader 376 gelangen.
Zwischen den jeweiligen Stufen der Druckbeaufschlagung kann ein
Zwischenkühler 390 verwendet sein. Druckbeaufschlagte
Luft wird dann nach Durchgang durch einen Nachkühler 382 einer
Ansaugsammelleitung 370 zugeführt. Bei einer Ausführungsform
sind die Turbolader 374, 376 und 380 dazu
ausgebildet, den Zylindern 314 druckbeaufschlagte Luft
mit einem Ladedruckverhältnis zwischen etwa 4 zu 1 und
etwa 7 zu 1, bei einigen Ausführungsformen zwischen etwa
5 zu 1 und etwa 6 zu 1, zuzuführen. Dieser relativ hohe
Ladedruck kann den Betrieb bei relativ hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen
weiter erleichtern. Bei einer Ausführungsform kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
in den Zylindern 314 mindestens etwa 25 zu 1 sein. Der
Turbolader 376 kann in Reihe mit den Turboladern 374 und 380 positioniert
sein, wenngleich andere Konfigurationen möglich sind.
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Nun
Bezug nehmend auf 2 ist eine Nahansicht eines
Abschnitts des Motors 10 von 1 gezeigt, einschließlich
eines Zylinders 14 mit einem darin bewegbar positionierten
Kolben 21. Jeder Zylinder 14 des Motors 10 kann
einen Durchmesser D1 aufweisen, der weniger
als etwa 3 Inch beträgt und zwischen etwa 2 Inch und etwa
3 Inch liegen kann. Etwa 3 bedeutet zwischen 2,5 und 3,5. Etwa 2,5
bedeutet zwischen 2,45 und 2,55. Anhand dieser Beispiele kann präzise
bestimmt werden, was in Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung
die Bedeutung des Ausdrucks etwa X ist. Bei bestimmten Ausführungsformen
wird D1 zwischen etwa 2,5 und etwa 2,8 Inch liegen,
und bei einer praktischen Ausführungsform kann er auch
etwa 2,7 Inch betragen. Wenngleich in Betracht gezogen wird, dass
der Motor 10 so aufgebaut ist, dass er lediglich einen
einzigen Zylinder und einen einzigen Kolben aufweist, werden die
meisten Ausführungsformen mehrere Zylinder und Kolben enthalten,
typischerweise mindestens Acht, und es werden Ausführungsformen
in Betracht gezogen, bei denen der Motor 10 12 Zylinder
oder sogar bis zu 16 oder mehr Zylinder enthält, abhängig von
der Anwendung. Die Anordnung der Zylinder in dem Motor 10 kann
eine beliebige bekannte Konfiguration aufweisen, etwa in einer V-Anordnung,
in Reihe, radial, gegenüberliegend, etc. Bei vielen Ausführungsformen werden
die Größe und der Raum Kostenfaktoren sein, und
daher kann beispielsweise ein Motor mit einer V-Anordnung ein praktischer
Entwurf sein.
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Der
Motor 10 kann entweder ein Zweitakt- oder ein Viertakt-Motor
sein, wenngleich in Betracht gezogen wird, dass ein Viertaktzyklus
eine praktische Implementierungsstrategie sein wird. Zu diesem Zweck
wird Kraftstoff über die Kraftstoffinjektoren 16 zumindest
etwa einmal in jedem vierten Kolbenhub eingespritzt. Jeder Kolben 21 wird
typischerweise einen Hubweg „L” aufweisen, der
zwischen etwa 2 Inch und etwa 3 Inch liegt, und es werden Ausführungsformen
in Betracht gezogen, bei denen der Hubweg jedes Kolbens etwa 2,5 Inch
sein wird. Ausgehend von dem typischen Hubweg jedes Kolbens 21 kann
der gesamte Hubraum jedes Zylinders 14 des Motors 10 bei
einigen Ausführungsformen weniger als etwa 25 Inch3 sein und zwischen etwa 6 Inch3 und
etwa 25 Inch3 liegen. Wenn größere
Zylinderbohrungsgrößen verwendet werden, können
die jeweiligen Hubräume der Zylinder relativ größer
sein. Es werden ebenfalls Ausführungsformen in Betracht
gezogen, bei denen der gesamte Hubraum jedes Zylinders 14 zwischen
etwa 7 Inch3 und etwa 25 Inch3 liegen wird
und beispielsweise etwa 14 Inch3 sein kann.
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Andere
Ausführungsformen können relativ größere
Bohrungsgrößen aufweisen und können ferner überquadratische
Bohrung-zu- Hub-Verhältnisse aufweisen. Bei einigen in Betracht
gezogenen Motoren kann ein Verhältnis des Zylinderdurchmessers
zu dem Hubweg in dem Bereich von etwa 1,3 zu 1 bis etwa 1,6 zu 1 liegen.
Der Hubweg kann bei solchen Ausführungsformen beispielsweise
etwa 3,25 Inch oder weniger betragen, wogegen die Zylinderbohrungsgröße
etwa 4,5 Inch oder größer sein kann. Die Verwendung
eines relativ kurzen Hubwegs bei einem gegebenen Motor kann einen
Betrieb bei relativ höheren U/min ohne Erhöhung
der Kolbengeschwindigkeiten ermöglichen. Mit anderen Worten
können zwei unterschiedliche Motoren den gleichen Hubraum
und aufgrund einer thermischen Belastung, von Tribologieproblemen,
etc. die gleiche oder eine ähnliche maximale praktikable
Kolbengeschwindigkeit aufweisen. Wenn jedoch einer der Motoren einen
relativ kürzeren Hubweg aufweist, kann er bei relativ höheren
U/min als ein Motor mit einem größeren Hubweg
arbeiten, während er nach wie vor mit der gleichen Kolbengeschwindigkeit
arbeitet. Begrenzungen der Kolbengeschwindigkeit und eine thermische
Belastung sind Faktoren, die durch Begrenzen der U/min eine Leistungsdichte
eines gegebenen Motors begrenzen können. Daher können
zum Erreichen der höchsten Leistungsdichte für
eine gegebene Kolbengeschwindigkeit relativ kürzere Kolbenhübe
erwünscht sein. Zusätzlich ist ein Verhältnis
einer thermischen Belastung zu einem Hubweg proportional zu der
Leistungsdichte; daher kann zum Erhalten der maximalen Leistungsdichte
bei einer gegebenen thermischen Belastung eines Motors ebenfalls ein
kürzerer Kolbenhubweg erwünscht sein. Motoren
mit kürzerem Hub neigen ferner dazu, bei gegebenem Motorhubraum
kleiner zu sein, und weisen demzufolge eine relativ niedrigere thermisch
Belastung auf und neigen dazu, aufgrund der typischerweise dünneren
Metallabschnitte des Motorgehäuses leichter gekühlt
zu werden. Es ist daher leicht ersichtlich, dass aus einer Vielzahl
von Gründen zum Erreichen einer höheren Leistungsdichte
kurze Kolbenhübe erwünscht sind, jedoch in Zusammenhang
mit der vorliegenden Offenbarung nicht notwendigerweise erforderlich
sind.
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Zumindest
ein Teil der Auslassöffnungen
22 jedes Krafstoffinjektors
16 kann
einen Durchmesser, D
2 in
2,
zwischen etwa 50 Mikrometer und etwa 125 Mikrometer aufweisen. Bezugnahmen
hierin auf Mikrometer sollen als Bezugnahmen auf Maßeinheiten
verstanden werden, so dass 50 Mikrometer gleich 0,05 Millimeter
sind, 60 Mikrometer gleich 0,06 Millimeter sind, 85 Mikrometer gleich
0,085 Millimeter sind, 90 Mikrometer gleich 0,09 Millimeter sind,
110 Mikrometer gleich 0,1 Millimeter sind und 125 Mikrometer gleich
0,125 Millimeter sind. Bei bestimmten Ausführungsformen
werden einige oder alle der Öffnungen
22 zwischen
etwa 0,06 Millimeter und etwa 0,09 Millimeter groß sein,
und einige oder alle können etwa 0,085 Millimeter groß sein. Die Öffnungen
22 können
durch Laserbohren von Löchern in die Injektorspitze
20 ausgebildet
sein, so dass sie ein Äußeres der Injektorspitze
20 mit
einer Düsenkammer
24 jedes Kraftstoffinjektors
16 verbinden.
Ein geeignetes Laserbohrverfahren ist in dem
US-Patent Nr. 6,070,813 für
Durheim des gleichen Anmelders gelehrt. Wenngleich in Betracht gezogen
wird, dass das Laserbohren der Öffnungen
22 eine
funktionierende Strategie sein wird, können andere Verfahren
zum Ausbilden ultrakleiner Injektoröffnungen verwendet
werden. Beispielsweise können die Öffnungen
22 durch
bekannte Verfahren zum Beschichten oder Plattieren größerer
Löcher, bis sie den gewünschten Durchmesser haben,
oder Gießen keramischer Injektordüsen mit kleinen
Drähten darin und Wegbrennen der Drähte während
des Aushärtens der Düsen oder irgendein anderes
gegenwärtig bekanntes oder noch zu entdeckendes Verfahren
zum Herstellen von Injektoröffnungen ausgebildet werden.
Bei anderen Motorentwürfen kann die Größe
der Öffnungen jedoch relativ größer sein.
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Die
Zahl von Öffnungen 22 kann variieren, bei den
meisten Ausführungsformen wird die Zahl der ultrakleinen Öffnungen
der Öffnungen 22 größer als
etwa 7 und typischerweise zwischen etwa 10 und etwa 30 sein. Der
Strömungsquerschnitt wird mit dem Quadrat eines Skalierungsfaktors
des Durchmessers der Öffnungen variieren. Daher wird das
Entwerfen eines Motors mit Kraftstoffinjektoröffnungen
mit annähernd dem halben Durchmesser der herkömmlichen
160-Mikrometer-Öffnungen beispielsweise einen Strömungsquerschnitt pro
80-Mikrometer-Öffnung ergeben, der 1/4 des Strömungsquerschitts
einer 160-Mikrometer-Öffnung ist. Daher sind bei diesem
Beispiel mindestens 4 kleinere Löcher dazu notwendig, den
gleichen Strömungsquerschnitt, den eine größere Öffnung
aufweisen kann, zu ergeben.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass die Öffnungen 22 eine
Vielzahl von Formen haben können. Herkömmliche
Kraftstoffauslassöffnungen sind allgemein zylindrisch,
jüngste Fortschritte bei Verfahren zum Ausbilden der Öffnungen
haben jedoch die Tür für die Verwendung komplexerer
Formen geöffnet, die spezifisch auf bestimmte Anwendungen
zugeschnitten sind. Daher könnten bei einigen Ausführungsformen
die Öffnungen 22 verengt, trompetenförmig,
im Querschnitt oval oder mit noch einer anderen Form ausgebildet
sein. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Öffnungen 22 bei
den meisten Ausführungsformen einen mittleren minimalen
Strömungsquerschnitt haben werden, der zwischen etwa 0,002
Quadratmillimeter und etwa 0,01 Quadratmillimeter liegt. Daher ist
für Fachleute offensichtlich, dass bei einem Kraftstoffinjektor
und/oder einem Motor, die in den Schutzbereich der vorliegenden
Offenbarung fallen werden, viele unterschiedliche Konfigurationen,
Anzahlen, Größen, Anordnungen, etc. der Öffnungen
eingesetzt werden können.
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Die
Eindringtiefe des Kraftstoffnebels wird allgemein linear mit der
Größe der Öffnung zusammenhängen.
Die Wahrscheinlichkeit und der Grad einer Wandbenetzung und eines
Sprühens des eingespritzten Kraftstoffs auf eine Kolbenfläche
in einem gegebenen Zylinder werden typischerweise mit der Eindringtiefe
des Kraftstoffnebels zusammenhängen. Demzufolge kann es,
da kleinere Zylinderbohrungen dazu neigen, leichter als große
Bohrungen eine Wandbenetzung zu erfahren, allgemein wünschenswert
sein, relativ kleinere Öffnungen mit relativ kleineren
Zylinderbohrungsgrößen zu benutzen. Beispielsweise
können bei einer Ausführungsform, bei der D1 relativ näher an 2 Inch liegt, Öffnungen
mit einem Durchmesser D2, der relativ näher
an 0,05 Millimeter liegt, geeignet sein. Für größere
Zylinder kann das Umgekehrte gelten, z. B. näher an 3 Inch und
mit Kraftstoffinjektoröffnungen, die näher an
0,125 Millimeter liegen.
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Bei
einem spezifischen Beispiel wird in Betracht gezogen, dass der Motor 10 eine
Kraftstoffversorgung benutzen wird, die dazu in der Lage ist, einen
Kraftstoffeinspritzdruck von mindestens etwa 150 MPa und in einigen
Fällen mindestens etwa 240 MPa zu liefern. Es wurde festgestellt,
dass erhöhte Kraftstoffeinspritzdrücke das Mischen
des Kraftstoffs und der Luft verbessern, ohne die Eindringtiefe
des zerstäubten Kraftstoffs in den Zylinder übermäßig
zu beeinflussen. Die Kraftstoffströmungsrate skaliert mit
der Quadratwurzel des Skalierungsfaktors, so dass eine Verdopplung
des Einspritzdrucks für eine gegebene Öffnungsgröße
eine Zunahme der Strömungsrate ergeben wird, die etwa √2
mal die ursprüngliche Strömungsrate ist. Der erhöhte
Einspritzdruck hat ebenfalls eine positive Auswirkung auf die Luftmitführung,
die eine Rolle bei der Rußbildung und bei Oxidationsprozessen
spielt. Die Luftmitführung skaliert ähnlich wie
die Strömungsrate mit der Quadratwurzel des Einspritzdrucks.
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Die
vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Verfahren zum Betreiben
eines Verbrennungsmotors bereit. Das Verfahren kann den Schritt
eines Drehens der Kurbelwelle 20 des Motors 10 mit
mehr als 5000 U/min und bei bestimmten Ausführungsformen
oder unter bestimmten Betriebsbedingungen mit mehr als 6000 U/min oder
sogar noch mehr als 6500 U/min beinhalten. Das Verfahren kann ferner
ein Verbrennen einer ausreichenden Menge an eingespritztem Kraftstoff
in jedem der Zylinder 14 zum Erzielen eines mittleren effektiven
Arbeitsdrucks (englisch: brake mean effective Pressure, BMEP) von
mindestens etwa 200 Pfund pro Inch2 (englisch:
pounds per square inch, PSI) und bei bestimmten Ausführungsformen
oder unter bestimmten Betriebsbedingungen ein Verbrennen von ausreichend
Kraftstoff zum Erzielen eines BMEP von mindestens etwa 250 PSI oder
sogar mindestens etwa 350 PSI beinhalten.
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Ferner
Bezug nehmend auf
3 sind darin drei spezifische
Ausführungsformen von Motoren gemäß der
vorliegenden Offenbarung W, V und F dargestellt, die sich alle innerhalb
einer Betriebszone Z von Motoren gemäß der vorliegenden
Offenbarung befinden und die im Folgenden beschrieben sind. Bestimmte
Spezifikationen der Motoren W, V und F sind in der folgenden Tabelle
im Vergleich zu herkömmlichen Motoren M und U dargelegt.
Alle der Motoren W, V und F können mehrere Einspritzöffnungen
22 mit
einem Durchmesser D
2 in den beschriebenen
vorbestimmten Bereichen zwischen etwa 0,05 Millimeter und etwa 0,125
Millimeter enthalten. Wie hierin beschrieben, ist die Leistungsdichte
das Verhältnis von Leistung zu Masse/Volumen. Für Fachleute
wird offensichtlich sein, dass die Bohrungsgröße
eines bestimmten Motors mit der Masse bzw. dem Volumen des Motors
in Beziehung stehen wird. Daher ist im Allgemeinen die 6-Inch-Bohrung
des Motors M in Bezug auf die 3-Inch-Bohrung des Motors F mit einen
Faktor 2 skaliert. Mit einem Skalierungsfaktor von 2 wird die Leistung
des Motors M pro Zylinder etwa 4-mal so groß wie die des
Motors F sein, da sich die Leistung mit dem Quadrat des Skalierungsfaktors ändert.
Die Masse und das Volumen des Motors M werden jedoch pro Zylinder
etwa 8-mal so groß wie die Masse und das Volumen des Motors
F sein, da sich die Masse und das Volumen mit der dritten Potenz
des Skalierungsfaktors ändern. Der Motor F wird so eine
höhere Leistungsdichte als der Motor M aufweisen.
| | M | U | W | V | F |
| Bohrungsgröße | 6
in. | 4
in. | 2
in. | 2,7
in. | 3
in. |
| Hubweg | 6
in. | 4
in. | 2
in. | 2,5
in. | 3
in. |
| Zylinder | 4 | 4 | 16 | 12 | 16 |
| BMEP | 400
psi | 400
psi | 400
psi | 400
psi | 400
psi |
| U/min | 2667 | 4000 | 8000 | 5926 | 5334 |
| Leistung | 914
PS | 406
PS | 406
PS | 514
PS | 914
PS |
| Hubraum | 678,6
in3 | 201
in3 | 100,5
in3 | 171,8
in3 | 339,3
in3 |
| PS/in3 | 1,35 | 2,02 | 4,04 | 2,99 | 2,69 |
-
Wie
vorher erörtert, stellen die Motoren F, V und W Motoren
mit Leistungsdichten dar, die wesentlich größer
als die der meisten herkömmlichen Hochleistungskompressionszündungsmotoren
sind. Typischerweise werden ein Zylinderdurchmesser und ein Hubweg
für jeden der Motorzylinder einen Hubraum des Verbrennungsmotors
festlegen. Motoren, die gemäß der vorliegenden
Offenbarung entworfen und betrieben werden, können Leistungsdichten
aufweisen, die in PS pro Liter Motorhubraum ausgedrückt
deutlich größer als bei bekannten Entwürfen
sind. In 3 stellt die Kurve G eine genäherte
Grenze dar, die Motorleistungsdichten von 100 PS pro Liter Motorhubraum
entspricht. Mit anderen Worten haben Motoren, die auf einer Seite
der Kurve G aufgetragen sind, Leistungsdichten, die größer,
im Falle der Motoren F, V und W deutlich größer,
als 100 PS pro Liter sind. Auch wenn die vorangegangene Beschreibung
hauptsächlich relativ kleine Motoren mit hoher Leistungsdichte
betrifft, ist selbstverständlich, dass die vorliegende
Offenbarung nicht nur auf Motoren mit kleiner Bohrung begrenzt ist.
Bei einer exemplarischen Motorausführungsform mit größerer
Bohrung, die in 3 an einer Position, die ähnlich
zu der des Motors V ist, aufgetragen ist, kann eine Leistungsdichte
von mindestens etwa 200 PS pro Liter erreicht werden, ohne übermäßig
viel Rauch zu erzeugen oder übermäßig
hohe Kraftstoffmengen zu verbrauchen. Wie hierin verwendet, können
PS als Brems-PS aufgefasst werden, die mit einem Dynamometer pro
Liter Hubraum, d. h. gesamtem überstrichenen Zylindervolumen,
gemessen werden.
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Bezug
nehmend auf 4 ist schematisch ein Teil eines
Motorsystems 110 gemäß einer Ausführungsform
gezeigt. Das Motorsystem 110 enthält mindestens
einen Zylinder 114 mit einem darin hin und her bewegbaren
Kolben 121. Das Motorsystem 110 kann ferner einen
direkteingespritzten Kompressionszündungsmotor aufweisen,
der bestimmte Ähnlichkeiten mit den vorangegangenen Ausführungsformen
aufweist, sich jedoch auch dahingehend unterscheidet, dass anstatt
eines einzigen Satzes von Kraftstoffeinspritzöffnungen
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 116 vorgesehen ist,
die einen ersten Satz von Auslassöffnungen 124 und
einen zweiten Satz von Auslassöffnungen 122, der
von dem ersten Satz getrennt ist, enthält. Die Auslassöffnungen 124 und 122 können
in einem Injektorkörper 119 angeordnet sein, der
sich zumindest teilweise in den Zylinder 114 erstreckt.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 116 kann ferner mit
einem Common Rail 19 gekoppelt sein und einen Steuerventilaufbau 131 enthalten,
der dazu ausgebildet ist, die Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder 114 über
die Vorrichtung 116 zu steuern. Der Steuerventilaufbau 131 kann
getrennte Steuerventile 132a und 132b enthalten,
die jeweils einen elektrischen Aktuator enthalten, der beispielsweise
dazu ausgebildet ist, die flüssigkeitsleitende Verbindung
zwischen dem Common Rail 19 und den Öffnungen 122 und 124 über
mindestens einen Kraftstoffzufuhrkanal 135 zu steuern.
Der Kanal 135 kann zumindest teilweise in dem Injektorkörper 119 angeordnet
sein.
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Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 116 kann getrennte, nebeneinander
angeordnete Sätze von Auslassöffnungen aufweisen,
oder sie kann alternativ einen der verschiedenen dualen konzentrisch
angeordneten Injektoren mit Rückschlagventil, die in der
Technik bekannt sind, enthalten. In jedem Fall wird die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 116 jedoch
typischerweise dazu in der Lage sein, den aus den jeweiligen Sätzen
von Auslassöffnungen 124 und 122 gesprühten
Kraftstoff getrennt zu steuern. Bei einer Ausführungsform
kann die getrennte direkte Steuerung des Kraftstoffnebels über
ein erstes Nadelglied 118a und ein zweites Nadelglied 118b erreicht
werden, die dazu ausgebildet sind, den jeweils aus den Öffnungen 124 und 122 gesprühten Kraftstoff
getrennt zu steuern, wobei die Nadelglieder 118a und 118b jeweils
betriebsfähig mit den Steuerventilen 132a und 132b gekoppelt
sind. Wie hierin verwendet ist der Ausdruck „direkte Steuerung” so
zu verstehen, dass er sich auf ein System bezieht, bei dem das Aufbringen
eines Flüssigkeitsdrucks oder einer anderen Verschlusskraft
auf eine Steuerfläche eines Ventilbauteils wie die Nadelventilbauteile 118a und 118b dazu
verwendet wird, das Öffnen und/oder Schließen
der jeweiligen Sätze von Öffnungen zu steuern.
Mit anderen Worten wird die direkte Steuerung eine andere Einrichtung
als den Flüssigkeitsdruck, der auf hydraulische Öffnungsflächen
wirkt, nutzen, um eine Kraftstoffeinspritzung zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck kann der Steuerventilaufbau 131 ein beliebiges
einer Vielzahl von Systemen zur direkten Steuerung aufweisen.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform wird ein
Hydraulikdruck gesteuert auf eine erste Druckfläche 117a und
eine zweite Druckfläche 117b der Nadelglieder 118a und 118b aufgebracht
und entfernt, wobei die jeweiligen Druckflächen einem Flüssigkeitsdruck
in einer ersten und einer zweiten Nadelsteuerkammer 133a und 133b ausgesetzt
sind. Die Steuerventile 132a und 132b können
unabhängig betreibbar sein, so dass sie das Aufbringen
unterschiedlicher Hydraulikdrücke auf die Druckflächen 117a und 117b erlauben
können. Bei einer typischen Ausführungsform wird
eines oder werden beide der Steuerventile 132a und 132b dafür
sorgen, dass den Steuerkammern 133a und 133b der
Druck in dem Rail zugeführt wird. Die Steuerventile 132a und 132b können
zum Verbinden einer oder beider der Kammern 133a und 133b mit
einem Niederdruckablaufkanal 137 betätigt werden,
wobei der Druck in den Steuerkammern 133a und/oder 133b abgebaut
wird und erlaubt wird, dass der Druck der Druckleiste das entsprechende
Nadelglied 118a und/oder 118b zum Erlauben des
Sprühens von Kraftstoff aus den zugehörigen Öffnungen 124, 122 anhebt.
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Es
wird ferner in Betracht gezogen, dass bei der Ausführungsform
von 4 mindestens einer der Sätze von Auslassöffnungen 124 und 122 winzige
Auslassöffnungen mit Größen und/oder
Strömungsraten, die ähnlich zu den Auslassöffnungen 22 sind,
die in Bezug auf die Ausführungsformen der 1 und 2 beschrieben
wurden, aufweisen kann. Der andere Satz von Öffnungen kann
ein herkömmlicher Satz sein, der beispielsweise Öffnungen
mit einer relativ größeren Abmessung enthält,
die in Anbetracht des gegenwärtigen Stands der Technik
für einen gegebenen Motor als geeignet betrachtet würde,
beispielsweise zwischen etwa 0,25 Millimeter und etwa 0,30 Millimeter.
Bei noch weiteren Ausführungsformen könnten beide
Sätze von Öffnungen 124 und 122 jeweils Öffnungen
enthalten, die Abmessungen und/oder Strömungsraten aufweisen,
die ähnlich zu denen der Öffnungen 22 sind.
In solchen Fällen könnten unterschiedliche Zahlen
von Öffnungen in den jeweiligen Sätzen dazu verwendet
werden, unterschiedliche effektive Strömungsraten oder
Strömungsquerschnitte zu erhalten.
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Jeder
der Sätze von Öffnungen 124 und 122 kann
jeweils in einer ringförmigen Anordnung um eine Achse A1 und eine Achse A2,
die sich durch die entsprechenden Nadelglieder 118a und 118b erstrecken,
angeordnet sein. Die Öffnungen 124 und 122 können
ferner relativ zu den Achsen A1 und A2 mit unterschiedlichen mittleren Sprühwinkeln
angeordnet sein. Insbesondere können die Öffnungen 122,
die bei einer Ausführungsform der relativ kleinere Satz
sind, bei einem relativ schmäleren mittleren Sprühwinkel
angeordnet sein, wogegen die Öffnungen 124 bei
einem relativ größeren mittleren Sprühwinkel
angeordnet sein können. Es ist offensichtlich, dass die
Ausführungsform von 4 so ausgelegt
ist, dass sie sowohl auf Motoren mit relativ kleiner Bohrung, wie
die in Bezug auf 1 und 2 beschriebenen,
als auch auf andere Motoren in Bereichen relativ größerer
Abmessungen anwendbar ist.
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Bezug
nehmend auf 6 ist ein Kolben 221 und
ein Kraftstoffinjektor 216 mit mehreren Auslassöffnungen 222,
beispielsweise Auslassöffnungen, die in Richtung einer
Außenfläche 217 des Injektors 216 einen sich
verengenden Kegel aufweisen, gezeigt. Auch wenn in 6 lediglich
ein einziger Injektor gezeigt ist, können mehrere Injektoren
oder ein Injektor mit zwei Düsen oder anderweitig mit zwei
Sätzen von Auslassöffnungen verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform können die Öffnungen 222 mindestens
7 Öffnungen enthalten, beispielsweise in einer radialen
Anordnung. Der Kolben 221 kann eine besondere Konfiguration
zum Ermöglichen einer kraftstoffeffizienten Verbrennung
und eines Betriebs bei geringer Raucherzeugung zumindest teilweise
aufgrund einer extrem schnellen Mischung von Kraftstoff und Luft,
die aus dem besonderen Entwurf des Kolbens 221 folgt, aufweisen.
Während eines Kompressionshubs kann der Kolben 221 relativ
hohe Strömungsgeschwindigkeiten von einem Bereich auf der
Oberseite des Kolbens 221 in dem Zylinder in eine Mulde 250 des
Kolbens 221 hervorrufen. Der Kolben 221 kann ferner
eine Kolbenfläche 252 mit einer sich nach innen
erstreckenden Lippe 260 enthalten, die einen Übergang
zwischen der Kolbenfläche 252 und der Kolbenmulde 250 liefert.
Ein ausgenommener Abschnitt 254 des Kolbens 221 kann
wiederum einen Übergang zwischen der Lippe 260 und
einem ringförmigen Anstieg 256 in Richtung der
Mitte der Mulde 250 bilden. In der Mitte der Kolbenmulde 250 kann
ein vertiefter Bereich 258 liegen, der von dem ringförmigen
Anstieg 256 umgeben ist.
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Die
Kolbenmulde 250 kann relativ flach sein und stark einspringen.
Wenn Kraftstoff eingespritzt wird, typischerweise unmittelbar vor
einem Expansionshub, kann eine aus dem besonderen Entwurf des Kolbens 221 resultierende
Rücksturzbewegung von Kraftstoff und Luft das turbulente
Mischen von Kraftstoff und Luft in dem entsprechenden Zylinder verbessern.
Kraftstoffnebelschwaden aus den Injektoröffnungen 222 können sich
in Richtung der Lippe 260 nach außen erstrecken.
Wenn Kraftstoff eingespritzt wird, wird die Konfiguration des Kolbens 221 eine
Rücksturzbewegung ermöglichen, so dass Kraftstoff
und Luft der Nebelschwaden in der Mulde 250 näherungsweise
einen durch Pfeile J und N angezeigten Pfad durchlaufen werden.
Insbesondere werden Luft und Kraftstoff allgemein von dem Injektor 216 zu
der Lippe 260, durch den ausgenommenen Bereich 254 und
zu dem ringförmigen Anstieg 256 und dem vertieften
Bereich 258 zurückgelenkt strömen. Ein relativ
kleinerer Teil eines Kraftstoff/Luft-Gemischs der Nebelschwaden
wird dazu neigen, über die Lippe 260 zu strömen,
annähernd so wie durch Pfeile N gezeigt, und demzufolge
in das Quetschvolumen eines dem Kolben 221 zugeordneten
Zylinders. Das zu dem Kolben 221 gehörende Quetschvolumen
wird allgemein von Fachleuten als das Volumen zwischen der Fläche 252 und
einem Motorgehäuse, wenn sich der Kolben 221 an
einem oberen Totpunkt befindet, verstanden. Die besondere Konfiguration,
des Kolbens 221 wird einen Strom von Kraftstoff und Luft
in das Quetschvolumen ermöglichen und die darin verfügbare
Luft zur relativ vollständigeren Verbrennung, als bei anderen
Kolbenentwürfen erreicht werden kann, nutzen. Der k-Faktor
der Verbrennung, der als das Verhältnis zwischen Muldenvolumen
und Gesamtvolumen am oberen Totpunkt definiert ist, wird durch Minimieren
von Spaltvolumen wie des Spalts des oberen Ringstegs, der Ventilvertiefung, von
Taschen und den Einsatz besonderer Merkmale, z. B. von Manschettten-Buchsen,
optimiert. Motoren gemäß der vorliegenden Offenbarung
können im Vergleich zu herkömmlichen Entwürfen
relativ niedrige k-Faktoren der Verbrennung aufweisen. Dies wird
in bestimmten Fällen durch Maximieren des Muldenvolumens
zum Fördern der Nutzung von Luft bei der Verbrennung erreicht.
Zusätzlich zur Nutzung der Luft in dem relativ kleinen
Quetschvolumen zur Verbrennung neigen die dargestellten Strömungscharakteristiken,
die mit dem Kolben 221 verbunden sind, dazu, die Menge
an heißen Verbrennungsgasen, die in Berührung
mit relativ kühlen Zylinderwänden kommt, zu begrenzen.
Dies kann ermöglichen, dass die Wärmeabfuhr verringert
wird, und den Wirkungsgrad eines Betriebs eines Motors, der einen
oder mehrere Kolben mit der in 6 gezeigten
Konfiguration verwendet, weiter verbessern.
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Wie
im Vorhergehenden angedeutet, hat der Kolben 221 eine stark
einspringende flache Muldenkonfiguration zum Ermöglichen
der vorher erwähnten Strömungseigenschaften für
Kraftstoff/Luft-Gemische während des Betriebs. Insbesondere
kann der Kolben 221 für die Mulde 250 ein Einsprungverhältnis
von mindestens etwa 1,15 zu 1 aufweisen. Das Einsprungverhältnis
kann durch das Verhältnis zwischen einer maximalen Breite
der Mulde 250, die in 6 durch
eine Linie C' gezeigt ist, und einer Strecke über einer
Breite der Mulde 250 bei der Lippe 260, die in 6 durch
die Linie B' gezeigt ist, definiert werden. Ein der Kolbenmulde 250 zugeordnetes
Längenverhältnis ist das Verhältnis zwischen
den in 6 gezeigten Strecken A' und B'.
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Ein
gemäß den hierin dargelegten Lehren konstruierter
Motor kann daher gegenüber herkömmlichen Motoren
erhebliche Verbesserungen der Leistungsdichte ohne Verschlechterungen
hinsichtlich Rauchemissionen und/oder des Wirkungsgrads liefern.
Insbesondere werden Ausführungsformen in Betracht gezogen,
bei denen ein Motor wie der Motor 10 oder der Motor 310 dazu
ausgebildet ist, eine eingespritzte Kraftstoffmenge zum Erzielen
von mindestens etwa 150 PS pro Liter Motorhubraum bei einer Rauchabgabe
von weniger als etwa 0,4 Gramm Rauch pro PSh und einem Kraftstoffverbrauch
von weniger als etwa 250 Gramm Kraftstoff pro Kilowattstunde Ausgangsleistung
des Motors zu verbrennen. Ein Beispiel für solch eine Ausführungsform könnte
die in 7 gezeigte Turboladerkonfiguration, die in 6 gezeigte
Kolbenkonfiguration und sich verengende kegelförmige Injektoröffnungen
herkömmlicher Größe und herkömmliche
Zylinderdurchmesser sowie die beschriebenen relativ kurzen Kolbenhübe
und ein überquadratisches Bohrung-zu-Hub-Verhältnis
enthalten. Bei einer Ausführungsform kann ein Verhältnis
des Zylinderdurchmessers zu dem Hubweg in dem Bereich von etwa 1,3
zu 1 bis etwa 1,6 zu 1 liegen und kann bei bestimmten Ausführungsformen
weniger als etwa 80 Millimeter betragen. Zur Ermöglichung
eines Betriebs bei geringer Rauchabgabe über einen Bereich
von Lasten könnte solch ein beispielhafter Motor ferner
Injektoren mit zwei Sätzen von Auslassöffnungen
enthalten. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann ein
Motor dazu ausgebildet sein, in jedem vierten Kolbenhub eine eingespritzte
Kraftstoffmenge zum Erzielen von mehr als 200 PS pro Liter Motorhubraum
bei einer Rauchabgabe von weniger als etwa 0,1 Gramm Rauch pro PSh
und einem Kraftstoffverbrauch von weniger als etwa 250 Gramm Kraftstoff
pro Kilowattstunde Ausgangsleistung des Motors zu verbrennen. Eine
stationäre Rauchabgabe von etwa 0,75 Gramm Rauch pro PSh
kann näherungsweise einer AVL-Rauchzahl für Partikelemissionen
von 3 entsprechen.
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Es
ist offensichtlich, dass, auch wenn bestimmte Ausführungsformen
möglicherweise alle oder im Wesentlichen alle der unterschiedlichen
besonderen Elemente, die hierin offenbart sind, enthalten können,
es nicht notwendig ist, alle der Entwurfsmerkmale zu enthalten oder
allen der beschriebenen Betriebsabläufe zu folgen. Daher
könnte ein Motor wie der Motor 10 oder 310,
der die vorher erwähnten Eigenschaften in Bezug auf die
Leistungsdichte, die Rauchabgabe und den Kraftstoffverbrauch aufweist,
die beschriebenen winzigen Auslassöffnungen 22 benutzen
und für jeden der Zylinder 14 mehrere Kraftstoffinjektordüsen
oder mehrere Sätze von Sprühöffnungen
enthalten oder auch nicht. Auf ähnliche Weise könnten
bei bestimmten Ausführungsformen die mehreren Turbolader,
die in 7 gezeigt sind, weggelassen sein. Außerdem
ist es nicht notwendig, dass alle Motoren, die in den Schutzbereich
der vorliegenden Offenbarung fallen, die in 6 gezeigte besondere
Kolbenmuldenkonfiguration enthalten.
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Ein
spezifisches Beispiel für einen Motor mit kleiner Bohrung
gemäß der vorliegenden Offenbarung könnte
einen Motor mit Zylinderbohrungen zwischen etwa 2,5 Inch und etwa
3,5 Inch im Durchmesser und Injektoröffnungen zwischen
etwa 0,05 und etwa 0,125 Millimeter im Durchmesser enthalten. Solch
ein Motor wäre dazu ausgebildet, mindestens etwa 150 PS
pro Liter Motorhubraum und eine Rauchabgabe von weniger als etwa
0,1 Gramm Rauch pro PSh und einen Kraftstoffverbrauch von weniger
als etwa 250 Gramm Kraftstoff pro Kilowattstunde Ausgangsleistung
des Motors zu liefern. Ein Motor mit kleiner Bohrung, der die obigen
Eigenschaften aufweist, könnte mit Ladedruckverhältnissen
zwischen etwa 4 zu 1 und etwa 7 zu 1 arbeiten und mit mehr als etwa
5000 U/min betrieben werden. Solch ein Motor könnte ferner
einen kurzen Hub haben, beispielsweise weniger als etwa 2,5 Inch.
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Bei
anderen Ausführungsformen wird jedoch relativ größeren
Motoren, wie solchen mit Bohrungsgrößen von mehr
als 3 Inch, die einen oder mehrere Sätze von Auslassöffnungen
herkömmlicher Größe verwenden, ins Auge
gefasst. Bei einem spezifischen Beispiel eines Motors mit relativ
größerer Bohrung könnten Zylinder mit
einem Durchmesser von mehr als etwa 4,5 Inch und Kolben mit relativ
kurzen Hüben, typischerweise mehr als 2,5 Inch, jedoch
weniger als der Durchmesser der Zylinderbohrungen, verwendet werden.
Ein derartiger Motor könnte ferner die hierin beschriebenen
Injektoren mit zwei Auslassdüsen enthalten, die einen ersten
Satz von relativ kleineren Öffnungen und einen zweiten
Satz von relativ größeren Öffnungen aufweisen. Solch
ein Motor könnte mit Ladedruckverhältnissen zwischen
etwa 5 zu 1 und etwa 7 zu 1 betrieben werden und bei einem Kraftstoffverbrauch
von weniger als etwa 250 Gramm Kraftstoff pro PSh eine Rauchabgabe
von weniger als etwa 0,75 Gramm Rauch pro PSh aufweisen. Dieser
exemplarische Motor mit größerer Bohrung könnte
mit mehr als etwa 6000 U/min zum Liefern einer Ausgangsleistung
von mindestens etwa 200 PS pro Liter Motorhubraum betrieben werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Während
eines typischen Viertaktzyklus wird in jedem vierten Kolbenhub und
auf eine herkömmliche Art und Weise eine Hauptkraftstoffeinspritzung
stattfinden, wenn sich jeder der Kolben 21 an oder nahe
an einem oberen Totpunkt befindet. Zusätzlich können
mit jeder Haupteinspritzung kleinere Pilot- und/oder Nacheinspritzungen
einhergehen. Bei einer Kompressionszündungsversion des
Motors 10 werden komprimierte Luft und der eingespritzte
zerstäubte Kraftstoff gezündet und zum Antreiben
jedes der jeweiligen Kolben 21 und Drehen der Kurbelwelle 30 verbrannt. Über
einen Zündfunken gezündete Entwürfe werden
typischerweise eine Zündkerze auf eine wohlbekannte Weise
zum Bewirken der Zündung verwenden.
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Das
Direkteinspritzen von Kraftstoff in den Zylinder 14 über
die Öffnungen 22, die Durchmesser in den hierin
beschriebenen vorbestimmten Bereichen aufweisen, kann eine Zündung
und eine bessere oder effizientere Verbrennung einer größeren
Menge und eines größeren Teils des eingespritzten
Kraftstoffs als Entwürfe, die herkömmliche Kraftstoffeinspritzöffnungen
benutzen, ermöglichen. Daraus folgen mehrere Vorteile.
Erstens ist der potenzielle BMEP höher. Ein höherer
BMEP in jedem Zylinder bedeutet, dass ein insgesamt größerer
mittlerer Druck an jedem Kolben 21 wirken kann, was eine
größere Kraft zum Antreiben jedes Kolbens 21 in
seinem jeweiligen Zylinder 14 und zum Drehen der Kurbelwelle 30 liefert.
Die im Vergleich zu Öffnungen herkömmlicher Größe
relativ kleinere Größe zerstäubter Kraftstofftröpfchen
aus den Öffnungen 22 wird Rauch verringern und
im Vergleich zu größeren Kraftstofftröpfchen
bei einem herkömmlichen Entwurf eine schnellere Verbrennung
fördern. Das Sprühmuster jeder Einspritzöffnung
kann einen solchen Sprühwinkel und ein solches inneres
Kraftstoff/Luft-Verhältnis aufweisen, dass das Mischen
mit der Ladeluft viel schneller erfolgen kann. Demzufolge kann dies
erlauben, dass sowohl eine größere absolute Kraftstoffmenge
verbrannt werden kann als auch der Kraftstoff schneller verbrannt
werden kann. Dies kann ferner erlauben, dass ein größerer Teil
des eingespritzten Kraftstoffs als bei früheren Entwürfen
verbrannt werden kann. Der höhere Einspritzdruck, der erwartungsgemäß in
Verbindung mit den kleineren Öffnungen verwendet werden
wird, wird dazu beitragen, die niedrigeren Strömungsraten
der kleineren Öffnungen zu kompensieren, und wird ebenso
zum Mischen von Kraftstoff und Luft beitragen, ohne die Eindringtiefe
des Kraftstoffs wesentlich zu beeinflussen. Allgemein kann die Kombination
aus kleineren Öffnungen und einem höheren Druck
so eine bessere Verbrennung erlauben, bevor eine Wandbenetzung und
die damit verbundene Verschlechterung der Verbrennung erreicht werden.
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Zweitens
können, unter Berücksichtigung der inhärent
begrenzten Zeit, in der der eingespritzte Kraftstoff zu verbrennen
ist, die relativ kleineren Kraftstofftröpfchen und ein
niedrigeres Kraftstoff/Luft-Verhältnis in den Kraftstoffnebelschwaden,
die in dem Motor 10 verfügbar sind, erlauben,
dass die Kraftstoffverbrennung schneller stattfinden kann, was entsprechend
größere U/min des Motors erlaubt. Die Kombination
aus relativ größerem BMEP und höheren
U/min erlaubt, dass der Motor 10 mit einer höheren
Leistungsdichte als viele bisher verfügbare Motorentwürfe
mit kleiner Zylinderbohrung arbeiten kann.
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Bestimmte
frühere Motoren mit kleiner Zylinderbohrung waren dazu
in der Lage, den bei dem Motor 10 möglichen BMEP
annähernd zu erreichen, jedoch nicht ohne Nachteile hinsichtlich
anderer Betriebsparameter. Zur Verbrennung von ausreichend Kraftstoff
während jedes Arbeitshubs zum Erreichen eines höheren BMEP
arbeiteten viele frühere Motoren typischerweise bei niedrigeren
U/min als der Motor 10. Bei dem Versuch, die für
jeden Zündhub in jeden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge
zu erhöhen und den BMEP zu erhöhen, wird bei einigen
bekannten Betriebsverfahren ein Überschuss an Kraftstoff
in jeden Zylinder befördert. Wenn jedoch ein Überschuss
an Kraftstoff verfügbar gemacht wird, können die
Mengen an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und
anderen Schadstoffen so hoch sein, dass sie in vielen Umgebungen
den Betrieb unerwünscht und ineffizient machen. Beispielsweise
kann bei bestimmten militärischen Anwendungen eine sichtbare „Rauchsignatur” unerwünscht
sein.
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Auf ähnliche
Weise sind bestimmte frühere Motorentwürfe mit
kleiner Bohrung bekannt, die bei U/min arbeiten, die annähernd
die des Motors 10 erreichen, jedoch nicht ohne ihren eigenen
Satz von Nachteilen. Bei solchen Motoren mit relativ höheren
U/min neigt der BMEP dazu, niedriger zu sein, da zum Vermeiden von übermäßigem
Rauch und einer Kraftstoffvergeudung kleinere Kraftstoffeinspritzmengen
eingespritzt werden. Demzufolge können solche Motoren bei
relativ hohen U/min arbeiten, während jedem Arbeitshub
kann jedoch nicht ausreichend Kraftstoff verbrannt werden, um einen
höheren BMEP zu erreichen. Bei beiden vorherigen Entwürfen/Verfahren
ist die verfügbare Leistung des Motors relativ niedriger
als bei ähnlichen Motoren mit größerer
Abmessung, und die Leistungsdichte solch kleinerer Motoren neigt
dazu, niedriger als die zu sein, die sie aufgrund ihrer relativ
kleineren Abmessung theoretisch sein könnte.
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Die
PS-Zahl des Motors ist direkt proportional zu sowohl den U/min als
auch dem BMEP, und daher erlaubt die Fähigkeit des Motors 10,
sowohl bei relativ hohen U/min als auch relativ hohem BMEP zu arbeiten, dass
die gesamte verfügbare Leistung des Motors 10 deutlich
größer als bei bisher bekannten Entwürfen
sein kann. Aufgrund der relativ kleinen Abmessung des Motors 10 kann
seine Leistungsdichte kommensurabler mit seiner tatsächlichen
Größe sein, und der Motor 10 kann aus
seinem kleinen Entwurf einen größeren Nutzen ziehen
als vorherige Motoren.
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Der
Motor 10 liefert noch weitere Vorteile gegenüber
bekannten Entwürfen, die die erhöhte Leichtigkeit der
Zündung des durch die Öffnungen 22 eingespritzten
Kraftstoffs betreffen. Während Kaltstartbedingungen verwenden
viele bekannte Kompressionszündungsmotoren externe Wärmequellen
oder den Zusatz von brennbaren Verbindungen wie Ether, um anfangs
den Betrieb aufzunehmen. Bei einer Kompressionszündungsversion
des Motors 10 kann der Bedarf an diesen und ähnlichen
Starthilfen gegenüber früheren Entwürfen
verringert oder eliminiert werden, da die kleineren Kraftstofftröpfchen
und das niedrigere Kraftstoff/Luft-Verhältnis in den Kraftstoffnebelschwaden
dazu neigen, dazu zu führen, dass die Zündung
leichter erfolgen kann.
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Weitere
Vorteile des Motors 10 betreffen seine Fähigkeit,
bei bestimmten in Betracht gezogenen Ausführungsformen
Kraftstoff und Luft unbewegt zu mischen. Dieser Ansatz steht im
Gegensatz zu den meisten, wenn nicht sogar allen, früheren
Entwürfen mit kleiner Zylinderbohrung, bei denen ein Mischen
durch „Verwirbelung” zum Mischen der Beladung
mit Frischluft mit eingespritztem Kraftstoff notwendig war. Mischen
durch Verwirbelung erfordert eine Verwirbelung der zu dem Zylinder
geführten Luftbeladung, hauptsächlich durch eine
geeignete Geometrie des Luftansaugsystems oder der Turbolader und
der Zylinderöffnungen. Im Gegensatz dazu wird unbewegtes
Mischen für gewöhnlich bei größeren
Motorentwürfen verwendet, bei denen alleine das Sprühen
des Kraftstoffs in die nicht verwirbelte Luft für eine
ausreichende Mischung sorgt. Das unbewegte Mischen kann den Vorteil
haben, dass während der Verbrennung weniger Wärme
von dem Verbrennungsraum auf die Zylinderwände, den Zylinderkopf
und den Kolben übertragen wird, und demzufolge erlauben,
dass mehr Wärmeenergie in PS der Welle umgewandelt werden
kann, anstatt durch die Zylinderwände, den Zylinderkopf
und den Kolben auf das Kühlmittel übertragen zu
werden. Bei anderen Ausführungsformen kann eine gewisse
Verwirbelung des Kraftstoff/Luft-Gemischs akzeptabel oder sogar
erwünscht sein, wenn eine Kolbenkonfiguration verwendet
wird, die ähnlich zu dem Kolben 221 von 6 ist,
kann eine geringe Verwirbelung das Erzielen sehr hoher Mischraten
von Kraftstoff und Luft unterstützen, ohne übermäßig
viel Wärme auf die Zylinderwände zu übertragen.
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Weitere
Vorteile betreffen die Kraftstoffersparnis des Motors 10 sowie
seine relativ niedrigeren Emissionen. Das vollständigere
Verbrennen des eingespritzten Kraftstoffs erlaubt, dass die relative
Menge an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen, die von dem Motor 10 emittiert
wird, verringert werden kann, wodurch seine Nutzung des verfügbar
gemachten Kraftstoffs verbessert wird. Bei einigen in Betracht gezogenen
Ausführungsformen wie bei bestimmten Luftfahrzeugen kann
das Gewicht ein Kostenfaktor sein. Daher können bei dem
Motor 10 die Masse und die Größe des
Motors selbst nicht nur relativ kleiner sein, sondern die Kraftstoffmenge,
die für einen gegebenen Fortbewegungsbereich mitgeführt
werden muss, ist geringer. Zusätzlich kann der relativ
höhere Anteil an verbranntem Kraftstoff den während
des Betriebs emittierten Rauch verringern. Es herrscht die Vortstellung,
dass Dieselmotoren häufig relativ große Mengen
sichtbaren Rauchs emittieren. Ästhetische Überlegungen,
Umweltschutzgesichtspunkte und in einigen Fällen taktische
Gesichtspunkte, etwa bei Militärfahrzeugen, können
es wünschenswert oder notwendig machen, sichtbaren Rauch
zu minimieren. Der Motor 10 wird typischerweise dazu in
der Lage sein, im Wesentlichen ohne Rauch zu arbeiten, beispielsweise
indem er eine Bosch-Rauchzahl von 3 oder weniger für einen Übergangsbetrieb
und 2 oder weniger für einen stationären Betrieb
aufweist. Eine Einrichtung zum Quantifizieren des Rauchgehalts eines
Motorabgases ist ein Abgaslichtdurchlässigkeits-„Rauchmesser” wie
der computergesteuerte Rauchmesser Bosch ESA 110, der von Equipment
Supplies Biddulph in Biddulph, Stoffs, Großbritannien,
und anderen kommerziellen Anbietern erhältlich ist.
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Bezug
nehmend auf 3 sind eine Auftragung der Betriebszone
verschiedener unterschiedlicher Sätze von herkömmlichen
Dieselmotoren im Vergleich zu der Betriebszone Z des Motors 10 und
näherungsweise Positionen der Motoren M und U der vorangegangenen
Tabelle gezeigt. Die Y-Achse stellt den BMEP dar, wogegen die X-Achse
die U/min darstellt. In 1 stellt der Satz P eine Gruppe
von relativ schweren Dieselmotoren mit einem BMEP zwischen etwa
250 PSI und etwa 325 PSI dar. Die Motoren des Satzes P können relativ
kleinere Dieselmotoren wie kleine Leistungsgeneratoren, Motoren
mittlerer Größe, wie sie in Lastwagen oder Geländearbeitsmaschinen
anzutreffen sind, und große Dieselmotoren zur Verwendung
auf See oder zur Leistungserzeugung enthalten. Der U/min-Bereich
der Motoren des Satzes P liegt im Allgemeinen zwischen etwa 1000
U/min und etwa 2500 U/min. Der Satz Q enthält Motoren,
wie sie von herkömmlichen Pick-Up-Trucks mit relativ höheren
U/min, jedoch niedrigerem BMEP, als diejenigen des Satzes P bekannt sind.
Der Satz R enthält Motoren wie bestimmte Militärfahrzeuge
mit einem BMEP zwischen etwa 350 PSI und etwa 400 PSI und U/min
zwischen etwa 3000 und etwa 4000. Der Satz S wiederum enthält
solche Motoren, wie sie in europäischen Personenwagen verwendet
werden. Der Satz T enthält Motoren wie bestimmte Motoren
von Militärmotorrädern und Motoren, die für
unbemannte Luftfahrzeuge vorgeschlagen sind, mit einem BMEP zwischen
etwa 150 PSI und 175 PSI und U/min zwischen etwa 5500 und etwa 6000.
Wie in 3 dargestellt, enthält die Betriebszone
des Motors 10 in Kombination einen höheren BMEP
und höhere U/min als irgendein anderer bekannter Motortyp
oder irgendeine andere bekannte Motorgruppe. Durch Anheben der Grenzen
für die U/min des Motors über die von bekannten
Motoren, insbesondere von Dieselmotoren, und Anheben des erreichbaren
BMEP wie hierin beschrieben kann so ein relativ kleiner, leichter
und leistungsfähiger Motor bereitgestellt werden. Der Punkt
V von 3 stellt eine mögliche Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung dar, die einen BMEP von etwa 400 PSI
oder mehr und U/min zwischen etwa 6000 und etwa 6500 erreichen kann.
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Auch
wenn der Großteil der vorangegangenen Beschreibung die
Verwendung winziger Kraftstoffauslassöffnungen in einem
relativ kleinen Motor mit hoher Leistungsdichte umfasst hat, ist
die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Bei
anderen Ausführungsformen kann die Verwendung winziger Öffnungen bei
relativ größeren Motoren, insbesondere bei Dieselmotoren
mit Direkteinspritzung, Vorteile liefern. Bei einer spezifischen
Ausführungsform, die sowohl winzige Auslassöffnungen
als auch herkömmliche Auslassöffnungen verwendet, ähnlich
wie in 4 gezeigt, können die jeweiligen Sätze
von Öffnungen dazu verwendet werden, Kraftstoff basierend
auf bestimmten Motorbetriebsbedingungen wie einer Drehzahl und/oder
einer Last getrennt einzuspritzen. Ein Sensor wie der in 1 gezeigte
Sensor 27 kann ebenfalls bei dem Motor 110 zum Bestimmen
der relativen Motordrehzahl und/oder Motorlast zum Zwecke eines
Auswählens einer gewünschten Einspritzstrategie
verwendet werden. Signale von dem Sensor 27 können
in eine elektronische Steuerung ähnlich zu der in 1 gezeigten
Steuerung 15 eingegeben werden, und geeignete Befehle können
zu den Steuerventilen 132a und 132b zum Einspritzen
von Kraftstoff aus dem gewünschten Satz von Öffnungen
basierend auf der Drehzahl und/oder der Last des Motors 110 ausgegeben
werden.
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Während
Bedingungen mit relativ niedrigerer Drehzahl und/oder Last kann
es wünschenswert sein, die relativ kleineren Auslassöffnungen
zu benutzen, beispielsweise die winzigen Öffnungen des
Satzes 122 der Ausführungsform von 4.
Wenn der Motor 110 in einem unteren Teil eines Drehzahl-
und/oder Lastbereichs arbeitet, neigt der eingespritzte flüssige
Kraftstoff aufgrund niedriger Dichten in den Zylindern relativ stärker
dazu, auf die Kolbenflächen und/oder Wände der
Verbrennungskammer des Motors zu treffen. Demzufolge kann die relativ
geringere Eindringtiefe, die dem Kraftstoffnebel aus den Öffnungen 122 zugeordnet
ist, die einen mittleren minimalen Strömungsquerschnitt
zwischen etwa 0,002 Quadratmillimeter und etwa 0,01 Quadratmillimeter
aufweisen, einen Betrieb mit geringer oder gar keiner Wandbenetzung
ermöglichen. Eine verringerte oder gar keine Wandbenetzung
ist mit verschiedenen Vorteilen verbunden, wie vorher beschrieben wurde.
Bei relativ höheren Drehzahlen und/oder Lasten, beispielsweise
in einer oberen Hälfte eines Drehzahl- und/oder Lastbereichs,
kann beispielsweise eine Einspritzung relativ größerer
Kraftstoffmengen bei relativ höheren Strömungsraten
geeignet sein. In solchen Fällen können die Öffnungen 124,
die die herkömmliche durchschnittliche Größe
aufweisen, verwendet werden. Eingaben von dem Sensor 27 können
dazu verwendet werden, den Drehzahl- und/oder Lastbereich anzugeben,
um zu bestimmen, dass in einem oder in mehreren Motorzyklen ein
Betrieb unter Verwendung der Öffnungen 124 und
nicht der Öffnungen 122 geeignet ist, oder dass
in einem oder in mehreren Motorzyklen ein Betrieb unter Verwendung
der Öffnungen 122 und nicht der Öffnungen 124 geeignet
ist.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Offenbarung auf unterschiedliche
Betriebsstrategien in Bezug auf den Einspritzzeitpunkt, die Größe
und die Einspritzratengestaltung anwendbar ist. Bei einem Beispiel könnten
die relativ kleineren Öffnungen 122 auf vorteilhafte
Weise für eine oder mehrere Piloteinspritzungen oder eine
oder mehrere Nacheinspritzungen verwendet werden, wogegen die Öffnungen 124 für
eine oder mehrere relativ größere Haupteinspritzungen
verwendet werden könnten. Der gleiche Satz von Öffnungen könnte
ferner für jede einer Mehrzahl von Einspritzungen in einem
gegebenen Motorzyklus verwendet werden. Die Öffnungen 122 könnten
ferner für Einspritzungen relativ früh in einem
Motorzyklus in solchen Betriebsbereichen, die allgemein als eine
Kompressionszündung bei homogener Beladung oder HCCI (englisch:
homogeneous charge compression ignition) bekannt sind, verwendet
werden. Zusätzlich zu oder anstelle von HCCI-Einspritzungen,
Piloteinspritzungen, Nacheinspritzungen, etc. könnten sowohl
die Öffnungen 122 als auch die Öffnungen 124 dazu
verwendet werden, Kraftstoff zum herkömmlichen Diffusionsverbrennen
einzuspritzen. Wenn sich der Kolben 121 hin und her bewegt,
kann er in dem Zylinder 114 Luft zu einem Kompressionszündungszustand
komprimieren, vor, während und/oder nach dem eine Einspritzung
aus einer der Öffnungen 122 und 124 eingeleitet
werden kann, um eine Diffusionsverbrennung von Kraftstoff in der
Verbrennungskammer 114 zu erreichen.
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Noch
ein anderes Merkmal der vorliegenden Offenbarung betrifft die relativ
größere Fähigkeit, durch die Verwendung
der mehreren, getrennt gesteuerten Sätze von Auslassöffnungen,
die hierin offenbart sind, die Kraftstoffeinspritzrate zu steuern,
insbesondere am Anfang der Einspritzung und am Ende der Einspritzung. Bezug
nehmend auf 5 ist eine graphische Darstellung
gezeigt, bei der die y-Achse die Einspritzrate darstellt und die
x-Achse die Zeit darstellt. In 5 bezeichnet „G” eine
Kurve, die den Verlauf der Kraftstoffeinspritzrate mit der Zeit
darstellt, wobei das Profil der Kurve G eine Kraftstoffeinspritzratengestaltung
darstellt. Es sei bemerkt, dass die Kurve G einen Anfangsabschnitt „B” enthält,
der einer Anfangsdauer einer Kraftstoffeinspritzung entspricht und
der Fachleuten als ein „Bootbereich” bekannt ist.
Bisher war es schwierig oder sogar unmöglich, die relative
Gestalt des Bootbereichs einer Kraftstoffeinspritzratenkurve zu
steuern. Die Verwendung eine herkömmlichen einzigen Ventils
führt allgemein dazu, dass der Bootabschnitt einer Kraftstoffeinspritzkurve
aufgrund der Herausforderungen beim Erreichen der extrem genauen
Steuerung der Position des Auslassventils, die dazu erforderlich
wäre, den Bootbereich einzustellen, im Wesentlichen ein
Alles-oder-Nichts-Phänomen zeigt.
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Zum
Liefern einer relativ genaueren Steuerung der Kraftstoffeinspritzrate
in dem Bootabschnitt einer Einspritzratenkurve, als bei herkömmlichen
Strategien verfügbar ist, wird die Verwendung eines dualen
Satzes von Öffnungen 122 und 124 in Betracht
gezogen. Mit anderen Worten kann die vorliegende Offenbarung erlauben,
dass die Form des Bootbereichs von Zyklus zu Zyklus gesteuert werden
kann, so dass der Anfangsabschnitt, d. h. der Bootabschnitt, einer
Einspritzratenkurve kein Alles-oder-Nichts-Verhalten zeigt. Ein
spezifischer Aspekt des Bootbereichs, der gesteuert werden kann,
ist seine relative Länge. In 5 stellt
ein über einem Bereich R gezeigter Abschnitt des Bootbereichs
näherungsweise ein Plateau dar, das typischerweise zwischen
einem anfänglichen Öffnen von Kraftstoffeinspritzöffnungen
und einer relativ steilen Zunahme der Kraftstoffeinspritzrate im
Anschluss an den Bereich R vorliegt. Es wird eine getrennte Steuerung
der Kraftstoffeinspritzöffnungen 124, 122 zum
Bereitstellen einer ausreichend genauen Steuerung in einigen Fällen
bereitgestellt, so dass die relative Größe des
Bereichs R variiert werden kann, wie durch die unterschiedlichen
verfügbaren Anfangsprofile der Kurve G in dem Bootbereich
B gezeigt ist. Das Profil der Kurve G in dem Hauptbereich der Kraftstoffeinspritzung
kann ebenfalls variiert werden, wie durch die gestrichelte Linie
G1 in 5 dargestellt
ist. Ferner könnte der Bootbereich, anstatt ein mit dem
Rest der Einspritzkurve zusammenhängender Bootbereich zu
sein, eine winzig kleine Einspritzung sein, die von einer Haupteinspritzung
mit einem relativ kürzeren oder sogar vernachlässigbaren
Bootbereich gefolgt wird, jedoch von derselben getrennt ist, wie
in 5 durch die gestrichelten Linien G2 dargestellt
ist. Eine Verwendung der hierin beschriebenen Strategie kann ebenfalls
eine verbesserte Einspritzratensteuerung im Bereich des Endes der
Kraftstoffeinspritzung liefern, in dem die Einspritzrate auf Null
abfällt.
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Die
vorliegende Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und
soll nicht so aufgefasst werden, dass sie den Umfang der vorliegenden
Offenbarung auf irgendeine Weise begrenzt. Daher ist für
Fachleute offensichtlich, dass an den vorliegend offenbarten Ausführungsformen
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können,
ohne den beabsichtigten Geist und den beabsichtigten Schutzbereich
der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Beispielsweise ist für
Fachleute offensichtlich, dass, auch wenn viele der hierin beschriebenen
Ausführungsformen in Zusammenhang mit sowohl einem erhöhten
BMEP als auch erhöhten U/min erörtert wurden,
es bei bestimmten Anwendungen wünschenswert sein kann,
einen Motor zu betreiben, bei dem lediglich entweder die U/min oder
der BMEP im Vergleich zu herkömmlichen Motoren deutlich angehoben
ist. Es sei bemerkt, dass der Satz Z von 3 einen
relativ breiten Betriebsbereich von sowohl BMEP als auch U/min umfasst.
Motoren mit kleiner Zylinderbohrung könnten gemäß der
vorliegenden Offenbarung so entworfen sein, dass sie dazu in der
Lage sind, mit relativ hohen U/min von mindestens etwa 6000, jedoch
mit einem BMEP von weniger als 200 PSI, betrieben zu werden. Auf ähnliche
Weise können Motoren mit höheren BMEP, jedoch
relativ niedrigeren U/min, für andere Anwendungen erwünscht
sein. Die direkte Proportionalitätsbeziehung sowohl der
U/min als auch des BMEP zu der Leistung erlaubt so eine erhebliche
Flexibilität beim Entwurf von Motoren mit Direkteinspritzung,
kleiner Zylinderbohrung und hoher Leistungsdichte gemäß der
vorliegenden Offenbarung. Weitere Ausführungsformen, bei
denen die Größe, Form, Ausrichtung, etc. der Öffnungen
variieren und an einer gegebenen Injektorspitze von Öffnung
zu Öffnung variieren können, werden in Betracht
gezogen. Dies beinhaltet beispielsweise eine Verwendung einer Mehrzahl
von ultrakleinen Öffnungen, einer Mehrzahl von größeren Öffnungen
herkömmlicher Größe, wobei die einzelne
geometrische Form und Ausrichtung zum Erzeugen einer einfachen oder
komplexen Anordnung von Öffnungen, um insgesamt das beste
Sprühmuster zu liefern, variiert. Daher braucht keine bestimmte
Größe oder bestimmte Zahl oder Anordnung der ultrakleinen
Lochöffnungen vorzuliegen, solange eine ausreichende Zahl
vorgesehen ist, um die gewünschten Betriebseigenschaften,
die hierin beschrieben sind, zu erhalten. Weitere Aspekte, Merkmale
und Vorteile werden bei Hinzuziehen der beigefügten Zeichnungsfiguren
und der angefügten Ansprüche offensichtlich werden.
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Zusammenfassung
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VERBRENNUNGSMOTOR UND BETRIEBSVERFAHREN
DAFÜR
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Die
vorliegende Offenbarung stellt ein Betriebsverfahren für
einen Motor (10, 310) sowie einen ein Motorgehäuse
(12, 312) mit mehreren Zylindern (14, 314)
enthaltenden Verbrennungsmotor (10, 310) mit hoher Leistungsdichte
bereit. Es sind Kraftstoffinjektoren (16, 1166, 216)
vorgesehen, die zumindest teilweise in jedem Zylinder (14, 314)
angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, einen Kraftstoff wie
Diesel, JP8 oder einen anderen Kraftstoff in denselben für
eine Kompressionszündung einzuspritzen. Der Motor (10, 310)
ist dazu ausgebildet, eine eingespritzte Kraftstoffmenge zum Erzielen
von mindestens etwa 150 PS pro Liter Motorhubraum bei einer Rauchabgabe
von weniger als 0,4 g und in manchen Fällen weniger als
etwa 0,75 g Rauch pro PSh bei einem Kraftstoffverbrauch von weniger
als etwa 250 g Kraftstoff pro kWh Ausgangsleistung des Motors (10, 310)
zu verbrennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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