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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verdichtungs-Brennkraftmaschine
mit homogener Ladung (HCCI-Brennkraftmaschine),
die eine EGR (Abgasrückführung) zum
Rückführen von
Abgas zu einer Brennkammer durchführt. Außerdem betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Zündzeitgebung eines Vorgemischs
in einer HCCI-Brennkraftmaschine.
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Zum
Beispiel offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift JP-2000-64863
eine HCCI-Brennkraftmaschine, die eine EGR durchführt. Gemäß dieser
Offenlegungsschrift wird die Schließzeitgebung des Auslassventils
zu einem Punkt bei einem Auslasshub vorgerückt, unmittelbar bevor der Kolben
den oberen Totpunkt erreicht, wenn die Verdichtungszündung bei
einer niedrigen Last durchgeführt
wird. Und zwar wird die Schließzeitgebung
des Auslassventils zu einem Punkt vorgerückt, bevor der Kolben den oberen
Totpunkt bei dem Auslasshub erreicht. Dementsprechend verbleibt
verbranntes Gas mit hoher Temperatur in der Brennkammer als inneres
EGR-Gas. Das innere EGR-Gas wird mit Frischluft gemischt, die in
die Brennkammer bei dem nachfolgenden Zyklus eingezogen wird. Dies
verbessert die Zündbarkeit
der Verdichtungszündung.
Außerdem
führt das
Gerät gemäß der Offenlegungsschrift eine
Verdichtungszündung
durch, wenn die Last niedrig ist, und es führt eine Verbrennung durch
Funkenzündung
durch.
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Üblicherweise
wird bei einer HCCI-Brennkraftmaschine Kraftstoff mit Luft vorgemischt,
und das Gemisch wird verdichtet, damit es selbst zündet. Steuerfaktoren
einschließlich
der Temperatur, des Drucks und der Kraftstoffkonzentration müssen derart
angemessen gesteuert werden, dass die Selbstzündung dann auftritt, wenn der
Kolben an dem oberen Totpunkt oder in der Nähe davon ist. Die Steuerung
von diesen Faktoren ist äußerst schwierig.
Dementsprechend wird eine derartige Kraftmaschine in einem Bereich
betrieben, bei dem die Steuerung der Faktoren nicht schwierig ist.
Infolgedessen ist der Betriebsbereich eng.
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Der
Betriebsbereich der HCCI-Brennkraftmaschine der vorstehend genannten
Offenlegungsschrift ist in wünschenswerter
Weise so erweitert, dass die Verdichtungszündung in einem Bereich ausgeführt werden
kann, bei dem die Funkenzündung gegenwärtig ausgeführt wird.
Dies wird die Vorteile der Verdichtungszündung oder einen hohen thermischen
Wirkungsgrad und geringe Emissionen von schädlichen Substanzen maximieren.
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KURZFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist dementsprechend die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
HCCI-Brennkraftmaschine, die eine EGR durchführt und den Betriebsbereich zu
der Seite der höheren
Last erweitert, und ein Verfahren zum Steuern der Zündzeitgebung
vorzusehen.
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Um
die vorstehend genannte Aufgabe sowie weitere objektive Zielsetzungen
im Sinne der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird eine Verdichtungszündungs-Brennkraftmaschine
mit homogener Ladung vorgesehen, die eine EGR durchführt. Die Kraftmaschine
hat einen Kolben, eine Brennkammer, einen Einlass- und einen Auslasskanal,
die mit der Brennkammer in Verbindung sind, ein Einlassventil, das
die Brennkammer zu dem Einlasskanal öffnet und schließt; und
ein Auslassventil, das die Brennkammer zu dem Auslasskanal öffnet und
schließt. Die
Schließzeitgebung
des Auslassventils wird zu einem Punkt vor jenem Punkt vorgerückt, bei
dem der Kolben den oberen Totpunkt bei dem Auslasshub erreicht.
Ein Vorverdichter befindet sich in dem Einlasskanal. Der Vorverdichter
ist ein Vorverdichter mit variablem Vorverdichtungsdruck.
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Die
vorliegende Erfindung sieht außerdem ein
Verfahren zur Steuerung einer Zündzeitgebung einer
Verdichtungszündungsbrennkraftmaschine
mit homogener Ladung vor, die einen Kolben, eine Brennkammer sowie
ein Einlass- und Auslasskanal aufweist, die mit der Brennkammer
in Verbindung sind. Das Verfahren weist folgendes auf: Öffnen und Schließen der
Brennkammer zu dem Einlasskanal mit einem Einlassventil bei dem
Einlasshub des Kolbens; Öffnen
und Schließen
der Brennkammer zu dem Auslasskanal mit einem Auslassventil bei
dem Auslasshub des Kolbens, wobei das Auslassventil dann schließt, bevor
der Kolben den oberen Totpunkt bei dem Auslasshub erreicht; und Ändern eines
Vorverdichtungsdrucks eines Vorverdichters, der ein Vorverdichter
mit variablem Vorverdichtungsdruck ist und der sich in dem Einlasskanal
befindet, und zwar gemäß einer
geforderten Last der Kraftmaschine, wodurch die Zündzeitgebung
eines Vorgemischs in der Brennkammer gesteuert wird.
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Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, die anhand eines Beispiels die Prinzipien
der Erfindung darstellen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird zusammen mit ihrer Aufgabe und ihren Vorteilen unter
Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, wobei:
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1 zeigt
eine schematische Ansicht einer Gaswärmepumpe, die mit einer HCCI-Brennkraftmaschine
ausgestattet ist;
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2 zeigt
eine schematische Ansicht der Konfiguration der Kraftmaschine bei
der Wärmepumpe,
die in der 1 gezeigt ist;
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3 zeigt
eine Blockdarstellung einer Konfiguration zum Steuern der Kraftmaschine,
die in der 2 gezeigt ist;
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4 zeigt
eine Ansicht einer Abbildung zum Steuern der Zündung;
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5 zeigt
eine schematische Ansicht der Öffnungs-
und Schließzeitgebung
eines Einlass- und Auslassventils der Brennkraftmaschine gemäß der 2;
und
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6 zeigt
eine schematische Ansicht der Öffnungs-
und Schließzeitgebung
des Einlass- und Auslassventils gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein
Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun beschrieben.
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Die 1 zeigt
eine Gaswärmepumpe 100 mit
einer Brennkraftmaschine 1. Die Kraftmaschine 1 ist
eine Viertakt-Verdichtungszündungs-Kraftmaschine
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel wird die Kraftmaschine 1 bei
der Gaswärmepumpe 100 verwendet,
die in der 1 gezeigt ist. In diesem Fall
ist die Kraftmaschine 1 eine Gaskraftmaschine, die Stadtgas
(Erdgas) verwendet. Die Gaswärmepumpe 100 treibt
einen Wärmepumpzyklus
mit der Kraftmaschine 1 zum Kühlen mittels einer Klimaanlage
und zum Heizen an. Die 1 zeigt das System, wenn es
als ein Wärmezyklus
arbeitet.
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Die
Gaswärmepumpe 100 hat
eine Einheit 101 außerhalb
eines Gebäudes
und eine Einheit 102 innerhalb eines Gebäudes. Die
Einheit 101 außerhalb
eines Gebäudes
hat die Gaskraftmaschine 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel,
einen Verdichter 103, der durch die Kraftmaschine 1 angetrieben
wird, Wärmetauscher 104, 105 und
ein Expansionsventil 106.
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Ein
Kühlmittel
wird in einem Wärmetauscher (nicht
gezeigt) in der Einheit 102 innerhalb des Gebäudes kondensiert
und verflüssigt
und strahlt Wärme
ab, wodurch das Innere erwärmt
wird. Das Kühlmittel
strömt
dann entlang eines Pfeiles A und tritt in das Expansionsventil 106.
Das Kühlmittel
wird dann zu einer Flüssigkeit
mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck.
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Danach
strömt
das Kühlmittel
entlang eines Pfeiles B und verdampft in dem Wärmetauscher 104 in
der Einheit 101 außerhalb
des Gebäudes
und absorbiert Wärme.
Das Kühlmittel
wird dann zu einem Gas mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck. Nachfolgend
strömt
das Kühlmittel
entlang eines Pfeiles C und wird durch den Verdichter verdichtet. Das
Kühlmittel
wird dann dementsprechend zu einem Gas mit hoher Temperatur und
hohem Druck. Dann strömt
das Kühlmittel
entlang eines Pfeiles D und wird in der Einheit 102 innerhalb
des Gebäudes verflüssigt, um
Wärme abzustrahlen.
Der Wärmezyklus
wird in der Gaswärmepumpe 100 wiederholt.
Die 1 zeigt als Beispiels einen Zyklus, bei dem ausgelassene
Wärme von
der Kraftmaschine 1 zum Zirkulieren von warmen Wasser verwendet
wird, und ein Wärmetauschzyklus
wird zwischen dem Kühlmittel und
dem Wärmetauscher 105 durchgeführt.
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Wie
dies in der 2 gezeigt ist, hat die Kraftmaschine 1 einen
Zylinderblock 2, einen Zylinderkopf 3, einen Kolben 4,
ein Einlassventil 7 und ein Auslassventil 9. Eine
Brennkammer 5 ist in dem Zylinderblock 2 definiert.
Ein Einlassanschluss 8 und ein Auslassanschluss 10 sind
mit der Brennkammer 5 in Verbindung.
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Der
Einlassanschluss 8 ist mit einem Zwischenbehälter 12 durch
einen Einlasskrümmer 11 verbunden.
Der Zwischenbehälter 12 ist
mit einem Einlassdurchlass 13 verbunden. Der Einlassdurchlass
ist mit einem Auslass eines T urboladers 15 über eine
Einlassleitung 17 verbunden. Der Vorverdichter 15 ist
ein Zentrifugalverdichter, der durch einen Elektromotor 14 angetrieben
wird. Ein Kraftstoffzuführungsanschluss 21 eines
Gasregulators 16 ist mit einem Bereich des Einlassdurchlasses
verbunden. Der Gasregulator 16 führt Kraftstoff dem Einlassdurchlass 13 zu.
Ein Drosselventil 18 ist in dem Einlassdurchlass 13 angeordnet.
Ein Einlass des Vorverdichters 15 ist mit einer Luftreinigungsvorrichtung 20 durch
ein Lufteinlassrohr 19 verbunden.
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Ein
Umgehungskanal 27 ist zum Verbinden des Lufteinlassrohres 19 mit
der Einlassleitung 17 vorgesehen. Ein Umgehungssteuerventil 28 ist
zum Öffnen
und Schließen
des Umgehungskanals 27 vorgesehen.
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Ein
Auslassanschluss 10 ist mit einem Auslassrohr 23 durch
einen Auslasskrümmer 22 verbunden.
Das Auslassrohr 23 ist mit einem Bereich der Lufteinlasspumpe 19 durch
einen Abgasrückführungskanal
(EGR-Kanal) 24 verbunden. Und zwar befindet sich eine Öffnung des
EGR-Kanals 24 in dem Einlasssystem bei einem Bereich stromaufwärts von
dem Vorverdichter 15.
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Ein
EGR-Steuerventil 25 ist in dem EGR-Kanal 24 angeordnet.
Außerdem
ist eine EGR-Kühlvorrichtung 26 in
dem EGR-Kanal 24 angeordnet. Die EGR-Kühlvorrichtung 26 kühlt ein
EGR-Gas, das durch den EGR-Kanal 24 strömt.
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Die
Kraftmaschine 1 hat eine Einlassnockenwelle und eine Auslassnockenwelle
(nicht gezeigt) entsprechend dem Einlassventil 7 bzw. dem
Auslassventil 9. Variable Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 sind
bei der Einlass- bzw. Auslassnockenwelle so vorgesehen, dass sie
die Ventilzeitgebung (Ventilöffnungszeitgebung
und Ventilschließzeitgebung)
des Einlass- und Auslassventils 7, 9 unabhängig ändern. Die
variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 stellen
die Drehphase der Nockenwellen relativ zu einer Kurbelwelle (nicht
gezeigt) ein, um dadurch das Einlassventil 7 und das Auslassventil 9 zu öffnen und zu
schließen.
Dementsprechend kann eine Zeitperiode beliebig gesteuert werden,
während
der sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil 7, 9 geschlossen
sind. Die variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 sind
mit einem hydraulischen Einlasssteuerventil 33 bzw. einem
hydraulischen Auslasssteuerventil 34 verbunden. Ein Hydraulikdruck
in den hydraulischen Steuerventilen 33, 34 wird
so gesteuert, dass den variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 ermöglicht wird,
die Ventilzeitgebung einzustellen. Die variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 sind
zum Beispiel jene, die in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift JP-2001-355462
offenbart sind.
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Als
nächstes
wird nun ein Kraftmaschinensteuergerät 40 für die Kraftmaschine 1 beschrieben. Wie
dies in der 3 gezeigt ist, hat das Kraftmaschinensteuergerät 40 die
variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 zum Ändern der
Ventilzeitgebung des Einlass- und des Auslassventils 7, 9 und
eine Kraftmaschinensteuereinheit (ECU) 35, die die hydraulischen
Steuerventile 33, 34 steuert und verschiedene
Steuerprozeduren der Kraftmaschine 1 durchführt.
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Die
ECU 35 hat einen Zentralverarbeitungsbereich 30,
einen Ventilzeitgebungssteuerbereich 42 zum Steuern der
variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32,
einen EGR-Ventilsteuerbereich 51 und
einen Vorverdichtersteuerbereich 52. Der Zentralverarbeitungsbereich 30,
der VEntilzeitgebungssteuerbereich 42, der EGR-Ventilsteuerbereich 51 und
der Vorverdichtersteuerbereich 52 geben Funktionen wieder,
die durch die ECU 35 ausgeführt werden, und die keine Hardwarekomponenten
darstellen. Die ECU 35 ist mit einem Kurbelwinkelsensor 36, einem
Einlassnockenwinkelsensor 37, einem Auslassnockenwinkelsensor 38 und
einem Lastsensor 39 verbunden. Der Kurbelwinkelsensor 36 ist
an der Kurbelwelle vorgesehen und gibt ein Kurbelwinkelsignal jeweils
in vorbestimmten Kurbelwinkeln ab. Der Einlassnockenwinkelsensor 37 und
der Auslassnockenwinkelsensor 38 sind an der Einlassnockenwelle bzw.
an der Aunlassnockenwelle angeordnet, und sie geben jeweils ein
Nockenwinkelsignal in jeweils vorbestimmten Nockenwinkeln ab. Der
Lastsensor 39 gibt einen eingestellten Betriebszustand
der Einheit 102 innerhalb des Gebäudes als ein Lastsignal ab. Alternativ
erfasst der Lastsensor den Betriebszustand des Verdichters 103 und
gibt den erfassten Zustand als ein Lastsignal ab. Die ECU 35 nimmt
Signale von diesen Sensoren auf. Außerdem ist die ECU 35 mit
den hydraulischen Steuerventilen 33, 34 verbunden
und steuert die Ventile 33, 34, wie dies nachfolgend
gezeigt wird.
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Die
Hardwarekomponenten (nicht gezeigt) der ECU 35 beinhalten
eine CPU, einen ROM und einen RAM. Der ROM speichert verschiedene
Programme, die zum Steuern des Betriebs der Kraftmaschine 1 verwendet
werden. Der RAM speichert vorübergehend
Ergebnisse von Berechnungen während der
Ausführung
der Programme. Die CPU führt
Berechnungen und Prozesse auf der Grundlage von verschiedenen aufgenommenen
Signalen und Programmen aus, die in dem ROM gespeichert sind, wodurch
die hydraulischen Steuerventile 33, 34 gesteuert
werden. Durch Kombinieren der Hardware- und Softwarekomponenten
arbeitet die ECU 35 als der Zentralverarbeitungsbereich 30,
der Ventilzeitgebungssteuerbereich 42, der EGR-Ventilsteuerbereich 51 und
der Vorverdichtersteuerbereich 52.
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Gemäß dem Lastsignal
von dem Lastsensor 39 legt der Ventilzeitgebungssteuerbereich 42 eine Zeitperiode
fest, während
der sowohl das Einlassventil 7 als auch das Auslassventil 9 geschlossen sind,
und er legt die Öffnungs-
und Schließzeitgebung
des Einlassventils 7 und des Auslassventils 9 fest.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
legt der Ventilzeitgebungssteuerbereich 42 die Schließzeitgebung des
Auslassventils 9 auf einen Punkt fest, der vor dem oberen
Totpunkt des Einlasshubs des Kolbens 4 liegt. Der Ventilzeitgebungssteuerbereich 42 verzögert außerdem die Öffnungszeitgebung
des Einlassventils 7 auf einen Punkt, der dem oberen Totpunkt des
Einlasshubs des Kolbens 4 folgt. Der Betrag, um den das Öffnen des
Einlassventils 7 relativ zu dem oberen Totpunkt des Einlasshubs
verzögert
wird, ist gleich jenem Betrag, durch den die Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 relativ zu dem oberen Totpunkt des
Einlasshubs vorgerückt
wird. Auf diese Art und Weise wird die Sollventilzeitgebung so festgelegt,
dass eine Zeitperiode, während
der sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil 7, 9 geschlossen sind,
nach dem Auslasshub bis zu dem Einlasshub vorhanden ist. Auf der
Grundlage von Signalen von dem Kurbelwinkelsensor 36, den
Nockenwinkelsensoren 37, 38 und den hydraulischen
Steuerventilen 33, 34 wird die Istventilzeitgebung
des Einlass- und des Auslassventils 7, 9 erhalten.
Dementsprechend werden Befehle zu den hydraulischen Steuerventilen 33, 34 so
eingestellt, dass eine Regelung der variablen Ventilzeitgebungsmechanismen 31, 32 derart ausgeführt wird,
dass die Ventilzeitgebung des Einlass- und des Auslassventils 7, 9 die
Sollventilzeitgebung anstrebt.
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Der
EGR-Ventilsteuerbereich 51 ist mit dem EGR-Steuerventil 25 verbunden,
um den Öffnungsgrad
des EGR-Steuerventils 25 zu ändern. Andererseits ist der
Vorverdichtersteuerbereich 52 mit dem Elektromotor 14 elektrisch
verbunden. Der Vorverdichtersteuerbereich 52 ändert die
Drehzahl des Motors 14, wodurch der Vorverdichtungsdruck
gesteuert wird. Der Vorverdichtersteuerbereich 52 ist außerdem mit
dem Umgehungssteuerventil 28 verbunden, um das Umgehungssteuerventil 28 zu öffnen und
zu schließen.
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Ein
Betrieb der ECU 35 wird nun beschrieben.
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Auf
der Grundlage von Signalen von dem Kurbelwinkelsensor 36 und
dem Lastsensor 39 berechnet und erhält die ECU 35 die
gegenwärtige Drehzahl
der Kraftmaschine 1 und die geforderte Last in den vorbestimmten
Intervallen. Die ECU 35 vergleicht die erhaltene Drehzahl
und die erhaltene Last mit einer Steuerungsabbildung, die in dem
ROM gespeichert ist, und sie bestimmt, ob (a) die Zufuhr des internen
EGR-Gases durchzuführen
ist, (b) der Turboladebetrieb zusätzlich zu der Zufuhr des inneren
EGR-Gases durchzuführen
ist, oder (c) die Zufuhr des inneren EGR-Gases, der Turboladebetrieb und
die Zufuhr von äußeren EGR-Gas
durchzuführen ist.
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Die
Steuerungsabbildung ist zum Beispiel eine Abbildung, die in der 4 gezeigt
ist. Die Abbildung ist derart festgelegt, dass (a) die Zufuhr des inneren
EGR-Gases bei einer niedrigen Drehzahl und in einem Bereich mit
niedriger Last durchgeführt wird,
(b) die Zufuhr des inneren EGR-Gases und der Turboladebetrieb in
einem Bereich mit mittlerer Last durchgeführt werden, und (c) die Zufuhr
des inneren EGR-Gases, der Turboladebetrieb und die Zufuhr des äußeren EGR-Gases
in einem Bereich mit hoher Last durchgeführt werden. Es kann die Konfiguration außer jener
angewendet werden, bei der die Abbildung in dem ROM gespeichert
ist und bei der die Daten mit der Abbildung verglichen werden. Zum
Beispiel kann eine Konfiguration angewendet werden, bei der die
Drehzahl der Kraftmaschine 1 und die Last durch eine gespeicherte
Formel ersetzt werden, um zu bestimmen, welche der Prozeduren (a),
(b) oder (c) ausgeführt
werden soll.
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Im
Falle der Prozedur (a) oder wenn ausschließlich die Zufuhr des EGR-Gases
durchgeführt werden
soll, dann wird die Ventilzeitgebung gemäß einer geforderten Last gesteuert,
um die EGR-Menge einzustellen. Da kein Turboladebetrieb in dem Bereich
der Prozedur (a) ausgeführt
wird, wird der Elektromotor 14 gestoppt. Das Umgehungssteuerventil 28 wird
geöffnet,
so dass der Umgehungskanal 27 offen ist. Dementsprechend
wird Frischluft der Brennkammer 5 durch den Umgehungskanal 27 zugeführt. In
dem Bereich der Prozedur (a) wird der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 25 so
gesteuert, dass er 0 beträgt.
Daher wird kein Abgas (äußeres EGR-Gas)
der Einlassseite durch den EGR-Kanal 24 zugeführt.
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Die 5 zeigt
schematisch die Ventilzeitgebung des Einlass- und des Auslassventils 7, 9,
wenn die Kraftmaschine 1 mit Verdichtungszündung betrieben
wird. Wie dies in der 5 gezeigt ist, wird die Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 oder die Auslassventilschließung (EVC)
nach dem Auslasshub zu dem Einlasshub relativ zu dem oberen Totpunkt
des Einlasshubs vorgerückt.
Außerdem
wird die Öffnungszeitgebung
des Einlassventils 7 oder das Einlassventilöffnen (IVO)
so gesteuert, dass sie relativ zu dem oberen Totpunkt des Einlasshubs
verzögert
wird. Anders gesagt werden das Einlass- und das Auslassventil 7, 9 so
gesteuert, dass eine Zeitperiode (negative Überlappungsperiode) T vorhanden ist,
während
der beide Ventile 7, 9 geschlossen sind.
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Die
Vorteile der vorstehend beschriebenen Steuerung werden nun beschrieben.
Wenn der Expansionshub endet und der Auslasshub startet, wird ein
Teil des Abgases (verbranntes Gas) durch den Auslassanschluss 10 ausgelassen,
wenn der Kolben 4 nach oben bewegt wird. DA jedoch das
Auslassventil 9 an einem Punkt (EVC) vor dem oberen Totpunkt
des Einlasshubs des Kolbens 4 geschlossen wird, ist das
verbrannte Gas in der Brennkammer 5 eingeschlossen, nachdem
das Auslassventil 9 geschlossen wurde. Das verbrannte Gas
verbleibt in der Brennkammer 5. Das verbleibende Gas wird
als inneres EGR-Gas bezeichnet.
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Dann
wird das Einlassventil 7 an einem Punkt (IVO) geöffnet, der
relativ zu dem oberen Totpunkt des Einlasshubs des Kolbens 4 verzögert ist. Dies
bewirkt das Mischen eines Gemischs von Luft und Kraftstoff, der
dem Einlassanschluss 8 zugeführt wird, mit dem verbleibenden
Gas in der Brennkammer 5. Infolge dessen wird das Innere
EGR-Gas, das verbrannt wurde und eine hohe Temperatur aufweist, das
Gemisch erwärmen,
wodurch die Zündbarkeit des
Gemischs verbessert wird.
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In
dem Betriebsbereich der Prozedur (a) wird die Ventilzeitgebung zum
Beispiel in der folgenden Art und Weise gesteuert. Wenn die Last
verringert ist, dann wird die Schließzeitgebung des Auslassventils 9 vorgerückt, und
die Öffnungszeitgebung
des Einlassventils 7 wird verzögert. Wenn die Last im Gegensatz
dazu erhöht
ist, dann wird die Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 verzögert, und die Öffnungszeitgebung
des Einlassventils 7 wird vorgerückt.
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Dementsprechend
wird die Menge des inneren EGR-Gases mit hoher Temperatur dann vermehrt,
wenn die Last niedrig ist. Dies ermöglicht eine ausreichende und
stabil durchgeführte
Verdichtungszündung
eines mageren Gemisches. Die Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei dem
Betrieb mit niedriger Last wird nämlich verbessert, und die Emissionen
von Ox werden reduziert. Andererseits wird die Menge des inneren
EGR-Gases mit hoher Temperatur reduziert, wenn die Last erhöht ist.
Dies verhindert das Auftreten von Klopfen.
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In
dem Bereich mit mittlerer Last oder während der Prozedur (b) bestimmt
die ECU 35, dass der Turboladebetrieb zusätzlich zu
der Zufuhr des inneren EGR-Gases erforderlich ist. In diesem Fall
treibt die ECU 35 den Elektromotor 14 an, um den Turboladebetrieb
durchzuführen,
und sie schließt
das Umgehungssteuerventil 28, um den Umgehungskanal 27 zu
blockieren. Da die Zufuhr des äußeren EGR-Gases
in dem Betriebsbereich der Prozedur (b) nicht durchgeführt wird,
wird der Öffnungsgrad
des EGR-Steuerventils 25 so gesteuert, dass er 0 beträgt.
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In
dem Betriebsbereich der Prozedur (b) wird die dem Zylinder zugeführte Luftmenge
um ein Maß reduziert,
das der Menge des inneren EGR-Gases entspricht. Die Verknappung
der Einlassluft wird durch den Turboladebetrieb durch den Elektromotor 14 kompensiert.
Der Vorverdichter 15 wird nämlich betätigt, um den Eilassdruck zu
erhöhen,
wodurch die Menge der Luft und des Kraftstoffes vermehrt wird, die
der Brennkammer 5 durch den Einlassanschluss 8 zugeführt wird.
Dementsprechend wird die Zündbarkeit
verbessert.
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In
dem Betriebsbereich der Prozedur (b) wird die EGR nicht durch das
Einziehen von Abgas durchgeführt,
sondern durch Vorrücken
der Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 bezüglich des oberen Totpunktes
des Kolbens 4, wodurch ein Teil des Abgases in dem Zylinder
verbleibt. Daher wird eine ausreichende Menge des inneren EGR-Gases
in einfacher Weise gewährleistet.
Die Kombination des inneren EGR-Gases und des Vorverdichtungsbetriebes
verbessert zuverlässig
die Zündbarkeit.
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In
dem Betriebsbereich der Prozedur (b) ist die Drehzahl des Elektromotors 14 erhöht, das
heißt der
Vorverdichtungsdruck ist erhöht,
wenn die geforderte Last ansteigt. Die Ventilzeitgebung des Einlass- und
des Auslassventiles 7, 9 kann fixiert werden,
um eine angemessene Menge des inneren EGR-Gases einzuschließen. Alternativ
kann die Ventilzeitgebung des Einlassventils 7 und des
Auslassventils 9 zusammen mit der Änderung des Vorverdichtungsdrucks geändert werden.
In diesem Fall wird der Vorverdichtungsdruck gemäß der Last geändert. Dies
erweitert den Betriebsbereich der Kraftmaschine 1 hin zu
einem Bereich mit höherer
Last.
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In
dem Bereich mit hoher Last der Prozedur (c) bestimmt die ECU 35,
dass die Zufuhr des äußeren EGR-Gases
zusätzlich
zu der Zufuhr des inneren EGR-Gases und dem Vorverdichtungsbetrieb
ausgeführt
werden soll. In diesem Fall steuert die ECU 35 das Steuerventil 25 derart,
dass es geöffnet
wird.
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In
dem Betriebsbereich der Prozedur (c) wird äußeres EGR-Gas, das eine relativ
niedrige Temperatur hat, in den Zylinder eingezogen, um die Zündbarkeit
zu verzögern,
die durch die Zufuhr des inneren EGR-Gases und den Vorverdichtungsbetrieb übermäßig verbessert
wurde. Dementsprechend werden eine Verbrennungsanomalität wie zum
Beispiel eine Vorzündung
und eine instabile Verbrennung vermieden. Auf diese Art und Weise
verhindert die Zufuhr des äußeren EGR-Gases
zusätzlich
zu der Zufuhr des inneren EGR-Gases und dem Vorverdichtungsbetrieb
in zuverlässiger
Weise eine Anomalität
wie zum Beispiel eine Vorzündung.
Der Betriebsbereich wird somit hin zu einem Bereich mit höherer Last
erweitert.
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Wie
dies bei diesem Ausführungsbeispiel vorstehend
beschrieben ist, wird die Schließzeitgebung des Auslassventils 9 bei
dem Auslasshub relativ zu dem oberen Totpunkt des Kolbens 4 vorgerückt (5).
Daher wird verbranntes Gas in der Brennkammer 5 eingeschlossen,
um das innere EGR-Gas zu gewährleisten.
Das innere EGR-Gas verbessert die Zündbarkeit zusammen mit dem
Vorverdichtungsbetrieb durch den Vorverdichter 15. Des
Weiteren wird der Vorverdichter 15 durch den Elektromotor 14 angetrieben.
Die Drehzahl des Motors 14 wird so geändert, dass sich der Vorverdichtungsdruck ändert. Daher
wird der Vorverdichtungsdruck gemäß der Last geändert. Dies
erweitert den Betriebsbereich der Kraftmaschine 1 hin zu
einem Bereich mit höherer
Last.
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Außerdem ist
der EGR-Kanal 24 bei diesem Ausführungsbeispiel so aufgebaut,
dass das Abgas von dem Auslasskrümmer 22 und
dem Auslassrohr 23 zu einem Bereich stromaufwärts von
dem Vorverdichter 15 rückgeführt wird.
Dieses erlaubt die Rückführung einer
großen
Menge des äußeren EGR-Gases
zu der Einlassseite. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält das Abgas
eine kleine Menge von löslichen
organischen Teilen (SOF), da die Kraftmaschine 1 eine Gaskraftmaschine
ist, die Gaskraftstoff zu der Brennkammer 5 zuführt. Auch
wenn das Abgas zu einem Bereich stromaufwärts von dem Vorverdichter 15 rückgeführt wird,
wird daher das SOF nicht an den Bauelementen des Vorverdichters 15 oder
an dem Laufrad des Zentrifugalverdichters angesammelt, um den Betrieb
nachteilig zu beeinträchtigen.
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Des
weiteren wird das EGR-Steuerventil 25 durch die ECU 35 (den
EGR-Ventilsteuerbereich 51) während eines Betriebes mit niedriger
Last geschlossen, und es wird während
eines Betriebs mit hoher Last geschlossen. Auch wenn der Betriebsbereich der
HCCI-Brennkraftmaschine 1 zu Bereichen mit mittlerer bis
hoher Last erweitert wird, wird daher eine große Menge des äußeren EGR-Gases
zu der Brennkammer 5 während
des Betriebes mit hoher Last durch das Öffnen des EGR-Steuerventils 25 rückgeführt. Dies
verzögert
die Verbrennungsrate in der Brennkammer 5. Eine anormale
Verbrennung wie zum Beispiel eine Vorzündung wird nämlich so
verhindert, dass die Kraftmaschine 1 ruhig betrieben wird.
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Außerdem ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
die EGR-Kühlvorrichtung 26 in
dem EGR-Kanal 24 vorgesehen. Daher wird das äußere EGR-Gas rückgeführt, nachdem
es durch die EGR-Kühlvorrichtung 26 gekühlt wurde.
Dies ermöglicht
eine wirksame Verzögerung
der Verbrennungsrate in der Brennkammer 5. Dementsprechend
wird der Betriebsbereich der Kraftmaschine 1 weiter zu
einem Bereich mit höherer
Last erweitert.
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Zusätzlich ist
der variable Ventilzeitgebungsmechanismus 32 für das Auslassventil 9 bei
diesem Ausführungsbeispiel
vorgesehen. Somit wird durch das Ändern der Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 die Menge des in der Brennkammer 5 eingeschlossenen
inneren EGR-Gases geändert,
so dass die Zündbarkeit
des Gemisches in einfacher Weise gesteuert wird.
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Es
sollte einem Fachmann klar sein, dass die vorliegende Erfindung
in vielen anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne dass
der Umfang der Erfindung verlassen wird. Insbesondere ist klar,
dass die Erfindung in den folgenden Formen ausgeführt werden
kann.
- (1) Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 5 wird
der Zentrifugalverdichter, der durch den Elektromotor 14 angetrieben
wird, als der Vorverdichter 15 verwendet. Jedoch kann die Laufradwelle
des Zentrifugalverdichters mit der Kurbelwelle der Kraftmaschine 1 gekoppelt
sein. In diesem Fall kann eine Kupplung so verwendet werden, dass
der Vorverdichtungsdruck gemäß der Last
geändert
wird. Außerdem
kann der Vorverdichter 15 durch einen Turbolader ersetzt
werden, der eine Laufradwelle aufweist, die mit einer Turbine gekoppelt
ist, die sich durch das Abgas dreht. Zum Beispiel kann ein Turbolader
mit variablen Flügeln
als der Vorverdichter 15 verwendet werden.
- (2) Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 bis 5 wird
die Ventilzeitgebung des Einlass- und des Auslassventils 7, 9 so
gesteuert, wie dies in der 5 dargestellt
ist. Die Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 (EVC) wird nämlich bezüglich des oberen Totpunkts
des Einlasshubs vorgerückt,
und die Öffnungszeitgebung
des Einlassventils 7 (IVO) wird nämlich bezüglich des oberen Totpunkts
des Einlasshubs um dasselbe Maß verzögert. Jedoch
kann das Verzögerungsmaß der Öffnungszeitgebung
des Einlassventils 7 bezüglich des Vorrückungsmaßes der
Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 verringert werden.
Wie dies
in der 6 gezeigt ist, kann das Verzögerungsmaß der Öffnungszeitgebung des Einlassventils 7 bezüglich des
Vorrückungsmaßes der
Schließzeitgebung
des Auslassventils 9 ebenfalls höchstens 0 betragen, so dass
das Einlassventil 7 ungefähr bei dem oberen Totpunkt
des Einlasshubs geöffnet
wird.
In diesem Fall wird das Einlassventil 7 dann
geöffnet,
wenn der Kolben 4 den oberen Totpunkt erreicht oder wenn
das eingeschlossene verbleibende Gas verdichtet wird und die Temperatur und
der Druck des Gases hoch sind. Wenn das Eingangsventil 7 geöffnet wird,
dann verbrennt somit das verbleibende Gas mit hoher Temperatur und
strömt
zu dem Einlassanschluss 8 zurück und wird mit dem Luft/Kraftstoff-Gemisch gemischt. Dies
erwärmt
das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Danach durchläuft der Kolben 4 den
oberen Totpunkt und startet den Einlasshub. Dementsprechend tritt
das verbleibende Gas (inneres EGR-Gas) erneut in die Brennkammer 5 mit
dem Luft/Kraftstoff-Gemisch von der Einlassseite ein. In diesem Fall
wird die Einlassluft durch das Innere EGR-Gas erwärmt und
die Zündbarkeit
wird verbessert.
- (3) Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 bis 5 wird
das Äußere EGR-Gas
zu einem Bereich rückgeführt, der
stromaufwärts
von dem Vorverdichter 15 ist, und zwar durch den EGR-Kanal 24.
Bei einer Kraftmaschine mit zwei oder mehreren Zylindern kann jedoch
das Abgas von einem Zylinder, der in dem Auslasshub ist, zu einem
anderen Zylinder rückgeführt werden,
der in dem Einlasshub ist. In diesem Fall wird Abgas mit hohem Druck
von einem Zylinder in dem Auslasshub so verwendet, dass das Äußere EGR-Gas
zu einem Bereich stromabwärts
von dem Zentrifugalverdichter zugeführt wird, der als der Vorverdichter 15 dient,
oder zu einem Bereich, in dem der Einlassdruck verstärkt wird.
Bei dieser Konfiguration muss das Äußere EGR-Gas nicht durch den
Zentrifugalverdichter hindurch treten, der als der Vorverdichter 15 dient.
Daher kann diese Abwandlung auf eine Dieselkraftmaschine angewendet
werden, bei der das Abgas eine große Menge SOF enthält. In diesem
Fall wird das Ansammeln von SOF an dem Vorverdichter 15 verhindert
(insbesondere das Laufrad des Zentrifugalverdichters). Der Betrieb
wird durch das SOF nicht nachteilig beeinträchtigt.
- (4) Die vorliegende Erfindung kann auf eine Brennkraftmaschine
angewendet werden, die eine Zündkerze
in der Brennkraft aufweist, und die eine HCCI- und Funkenzündung durchführt. Zum
Beispiel in der Zündungssteuerabbildung, die
in der 4 gezeigt ist, kann ein Bereich für die Funkenzündung vorgesehen werden,
der der höheren
Last und der höheren
Drehzahl verglichen mit den Verdichtungszündungsbereichen entspricht.
Wenn bestimmt wird, dass die Funkenzündung notwendig ist, und zwar
auf der Grundlage der Drehzahl der Kraftmaschine 1 und
der geforderten Last, dann wird ein Zündsignal zu der Zündkerze
gesendet, so dass die Funkenzündung durchgeführt wird.
In diesem Fall erweitert die Zündzeitgebungssteuerung
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
jenen Bereich, in dem die Verdichtungszündung durchgeführt werden
kann, so dass ein hoher thermischer Wirkungsgrad und verringerte
NOx-Emissionen in einem breiten Betriebsbereich erreicht werden.
- (5) Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 bis 5 verwendet
die Kraftmaschine 1 Stadtgas (Erdgas) als Kraftstoff. Jedoch
können die
Kraftmaschine und das Zündzeitgebungssteuerverfahren
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel auf
einem Fall angewendet werden, bei dem andere Gase wie zum Beispiel
Propangas als Kraftstoff verwendet werden. Außerdem wird bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Bereich der HCCI unter Verwendung jeweils des inneren EGR, des
Vorverdichters mit variablem Vorverdichtungsdruck und der äüßeren EGR
erweitert. Jedoch wird die äußere EGR
nicht notwendiger Weise durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist nur mit dem inneren EGR und dem Vorverdichter mit
variablem Vorverdichtungsdruck ausführbar. In diesem Fall ist der
Betriebsbereich enger als in dem Fall mit dem äußeren EGR. DA jedoch das Problem,
das durch SOF hervorgerufen wird, nicht betrachtet werden muss,
ist der Kraftstoff nicht auf Gaskraftstoff beschränkt, und
flüssiger Kraftstoff
wie zum Beispiel Benzin kann verwendet werden.
- (6) Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die vorliegende
Erfindung auf eine Kraftmaschine 1 des Wärmepumpenzyklus
angewendet. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf Kraftmaschinen
für verschiedene
Zwecke wie zum Beispiel Fahrzeugkraftmaschinen angewendet werden.
-
Daher
sind die gegenwärtigen
Beispiele und Ausführungsbeispiele
als darstellend und nicht als beschränkend anzusehen, und die Erfindung
ist nicht auf die hierbei gegebenen Einzelheiten beschränkt, sondern
sie kann innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche abgewandelt werden.
-
Eine
Brennkammer einer Verdichtungszündungs-Brennkraftmaschine
mit homogener Ladung, die eine EGR durchführt, ist mit einem Einlasskanal und
einem Auslasskanal in Verbindung. Die Brennkammer wird zu dem Einlasskanal
mit einem Einlassventil geöffnet
und geschlossen, und sie wird zu dem Auslasskanal mit einem Auslassventil
geöffnet
und geschlossen. Die Schließzeitgebung
des Auslassventils bei dem Auslasshub wird bezüglich des oberen Totpunktes
des Kolbens vorgerückt.
Ein Vorverdichter mit einem variablen Vorverdichtungsdruck ist in
dem Einlasskanal angeordnet. Diese Konfiguration erweitert den Betriebsbereich
der Kraftmaschine hin zu einem Bereich mit höherer Last.