DE102006012418B4

DE102006012418B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotor, Kolben und Verbrennungsmotor, der diesen Kolben aufweist

Info

Publication number: DE102006012418B4
Application number: DE102006012418.9A
Authority: DE
Inventors: Haruhiko Saito; Tsutomu Sakai
Original assignee: Art Metal Manufacturing Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Art Metal Manufacturing Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2026-03-18
Also published as: DE102006012418B8; US20060207548A1; US7325525B2; DE102006012418A1; JP2006258013A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (123) für eine Brennkraftmaschine (10), die einen Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) aufweist, der Kraftstoff in einen Zylinder (112) einspritzt, wobei der Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) den Kraftstoff von einer Zylinderkopfseite her in eine Zylinderbohrung einspritzt, und wobei der Kolben (123) folgendes aufweist: einen Hohlraum (123C), der am oberen Ende des Kolbens (123) bereitgestellt ist, auf den ein Sprühstrahl des Kraftstoffs, der vom Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) eingespritzt wird, trifft und dessen Position zur Mitte des Kolbens (123) in Richtung einer Schubgegenseite des Kolbens (123) versetzt ist, eine Kolbenbolzennabe (123B), die an einem unteren Ende des Kolbens (123) bereitgestellt ist und die eine Bohrung aufweist, durch die ein Kolbenbolzen (123A) zum Verbinden des Kolbens (123) mit einem Pleuel eingeführt ist, und einen dickenreduzierten Abschnitt, der am unteren Ende des Kolbens (123) und um die Kolbenbolzennabe (123B) herum bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen ersten Abschnitt (123D) aufweist, welcher in einer ersten Schnittebene des Kolbens (123) durch die Mittellinie des Hohlraums (123C) auf einer Schubseite des Kolbens (123) bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen zweiten Abschnitt (123E) aufweist, welcher in der ersten Schnittebene des Kolbens (123) auf der Gegenschubseite bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen dritten Abschnitt (123F) aufweist, welcher in einer zweiten Schnittebene des Kolbens (123), die parallel zu der ersten Schnittebene durch einen Bereich des Kolbens (123) ohne den Hohlraum (123C) verläuft, auf der Schubseite bereitgestellt ist, und ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, einen Kolben und eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug.
Beschreibung des technischen Hintergrunds
Eine Brennkraftmaschine mit einer Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Ansaugkrümmer der Maschine und mit einer Direkt-Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer der Maschine, die so ausgelegt ist, dass sie die Kraftstoffeinspritzung von der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung anhält, wenn die Maschinenlast niedriger als eine voreingestellte Last ist, und die eine Kraftstoffeinspritzung von der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung durchführt, wenn die Maschinenlast höher als die eingestellte Last ist, ist bekannt.
Als Technik, die mit einer solchen Direkt-Einspritzeinrichtung für eine Maschine in Beziehung steht, offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-115549 eine fremdgezündete Direkteinspritzungs-Maschine, die verhindern kann, dass ein Gasstrom durch eine Quetschströmung, die erzeugt wird, wenn ein Kolben sich dem oberen Totpunkt der Verbrennung nähert, behindert wird, und der während einer Verbrennung mit geschichteter Ladung und einer homogenen Verbrennung eine stabile Verbrennung gewährleisten kann. In der fremdgezündeten Direkteinspritzungs-Maschine wird Kraftstoff, der von einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung direkt in einen Zylinder eingespritzt wird, mittels eines Gasstroms im Zylinder gesammelt, um eine Zündung zu bewirken, wodurch eine Verbrennung bei einem insgesamt mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird. Der Aufbau der fremdgezündeten Direkteinspritzungs-Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich, wo Kraftstoff, der in einen Hohlraum eingespritzt wird, nicht aus dem Hohlraum in die Auslassseite strömt, der Abstand zwischen einer auslassseitigen Schräge der Kolbenboden-Oberfläche und einem Zylinderkopf größer eingestellt ist als der Abstand zwischen einer einlassseitigen Schräge der Kolbenboden-Oberfläche und dem Zylinderkopf.
Da gemäß der fremdgezündeten Direkteinspritzungs-Maschine der Abstand an der Auslassseite größer ist als der Abstand an der Einlassseite, kann eine Quetschströmung von der Auslassseite zur Einlassseite verhindert werden, die ansonsten auftreten würde, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt der Verbrennung nähert. Eine Quetschströmung von der Auslassseite zur Einlassseite kann eine Verschlechterung der Verbrennungsstabilität bei der Schichtladeverbrennung und der homogenen Verbrennung bewirken, da er den Gasstrom behindert, der bei der Schichtladeverbrennung den eingespritzten Kraftstrom in der Nähe der Zündkerze sammelt, und außerdem bei der homogenen Verbrennung den Gasstrom behindert, der zugeführt wird, um eine homogene Luft/Kraftstoff-Mischung zu bilden. Da das Auftreten einer Quetschströmung von der Auslassseite zur Einlassseite unterdrückt wird, kann eine Verschlechterung der Verbrennungsstabilität aufgrund einer Quetschströmung bei der Schichtladeverbrennung und der homogenen Verbrennung verhindert werden. Außerdem kann auch eine Verschlechterung der Verbrennungsstabilität aufgrund des Ausströmens des eingespritzten Kraftstoffs aus dem Hohlraum und in die Auslassseite verhindert werden, wenn der auslassseitige Abstand vergrößert wird.
Die oben beschriebene japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-115549 offenbart jedoch lediglich eine fremdgezündete Direkteinspritzungs-Maschine, in der ein Hohlraum am oberen Ende eines Kolbens bereitgestellt ist und die Dicke des oberen Kolbenendes gleichmäßig ist. Sie sagt beispielsweise nichts über die Dicke am unteren Ende des Kolbens um eine Kolbenbolzennabe herum.
US 4 292 937 und JP H09-242603 A beschreiben jeweils einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem außermittigen Hohlraum, der am oberen Ende des Kolbens bereitgestellt ist, einer Kolbenbolzennabe und einem dickenreduzierten Abschnitt, der am unteren Ende des Kolbens und um die Kolbenbolzennabe herum bereitgestellt ist.
DE 818 437 C betrifft ein Verfahren zum Verbessern des Laufs von Kolben für Brennkraftmaschinen. Das Verfahren sieht vor, den Kolben durch mechanisches Nachbearbeiten auszuwuchten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, dessen Festigkeit, Gleichgewicht und Kühleigenschaften hervorragend sind, sowie die Bereitstellung eines entsprechenden Kolbens und einer Brennkraftmaschine, die diesen Kolben aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 bzw. durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung wird für eine Brennkraftmaschine verwendet, die einen Kraftstoffeinspritz-Mechanismus aufweist, der Kraftstoff in einen Zylinder einspritzt. Der Kraftstoffeinspritz-Mechanismus spritzt den Kraftstoff von einer Seite eines Zylinderkopfs in eine Zylinderbohrung ein. Der Kolben schließt einen Hohlraum ein, der am oberen Ende des Kolbens bereitgestellt ist und auf den ein Strahl des Kraftstoffs, der vom Kraftstoff-Einspritzmechanismus gespritzt wird, trifft, eine Kolbenbolzennabe, die am unteren Ende des Kolbens bereitgestellt ist und die eine Bohrung aufweist, durch die ein Kolbenbolzen eingeführt wird, um den Kolben mit einem Pleuel zu verbinden, und einen dickenreduzierten Abschnitt, der am unteren Ende des Kolbens und um die Kolbenbolzennabe herum bereitgestellt ist.
Erfindungsgemäß weist der dickenreduzierte Abschnitt einen ersten Abschnitt auf, welcher in einer ersten Schnittebene des Kolbens durch die Mittellinie des Hohlraums auf einer Schubseite des Kolbens bereitgestellt ist, und einen zweiten Abschnitt auf, welcher in der ersten Schnittebene des Kolbens auf der Gegenschubseite bereitgestellt ist, wobei der zweite Abschnitt einen geringeren Dickenreduzierungsumfang aufweist als der erste Abschnitt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Hohlraum (die Aussparung) am oberen Ende des Kolbens ausgebildet, und der erste Abschnitt des dickenreduzierten Abschnitts ist am unteren Ende des Kolbens an einer Stelle nicht unterhalb des Hohlraums bereitgestellt. Genauer konzentriert sich die Belastung, während eine enorme Gaskraft (Verbrennungskraft) auf das obere Ende des Kolbens wirkt, hauptsächlich im Hohlraum. Dementsprechend wird die Dicke am unteren Ende des Kolbens hauptsächlich an einer Stelle, die nicht unterhalb des Hohlraums liegt, verringert. Somit kann ein Kolben verwirklicht werden, der der Belastung ausreichend standhält, und eine mögliche Beschädigung des Kolbens aufgrund einer Belastungskonzentration kann verhindert werden. Wenn die Dicke am unteren Ende des Kolbens, das dem Umfang des Kolbens entspricht, verringert ist, kann die Dicke hinter den Kolbenringnuten (auf der zur Kolbenmittelachse gerichteten Seite) verringert werden, und somit können außerdem die Kolbenringe, die durch Reibung Wärme erzeugen, wirksam mit Öl gekühlt werden. Infolgedessen kann ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, der eine ausgezeichnete Festigkeit und ausgezeichnete Kühleigenschaften besitzt.
Erfindungsgemäß weist der dickenreduzierte Abschnitt einen dritten Abschnitt auf, welcher in einer zweiten Schnittebene des Kolbens, die parallel zu der ersten Schnittebene durch einen Bereich des Kolbens ohne den Hohlraum verläuft, auf der Schubseite bereitgestellt ist, wobei der Dickenreduzierungsumfang des dritten Abschnitts so eingestellt ist, dass ein Massengleichgewicht zwischen der Schubseite und der Schubgegenseite besteht. Auf diese Weise wird das Zentrum der Schwerkraft zur Mitte hin verschoben und ein Gleichgewicht des Kolbens wird erreicht. Infolgedessen kann ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, der eine ausgezeichnete Festigkeit, ausgezeichnete Kühleigenschaften und eine ausgezeichnetes Gleichgewicht aufweist.
Vorzugsweise weist der dickenreduzierte Abschnitt eine gekrümmte Oberfläche auf, die gleichmäßig ausgebildet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Belastungskonzentration vermieden werden, da der dickenreduzierte Abschnitt anhand einer sanften Krümmung ausgebildet ist. Demgemäß kann ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, der eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Umfang der Dickenreduzierung des dickenreduzierten Abschnitts so eingestellt ist, dass das Gewicht zwischen einer Schubrichtung und einer Schubgegenrichtung ausgeglichen ist.
Da die Dicke gemäß der vorliegenden Erfindung so verringert ist, dass das Gewicht zwischen der Schubrichtung und der Schubgegenrichtung ausgeglichen ist, ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, der ein ausgezeichnetes Gleichgewicht aufweist.
Erfindungsgemäß ist die Position des Hohlraums von der Mitte des Kolbens versetzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Kraftstoff von der Seite des Zylinderkopfs (der Seite der Brennkammer) aus in die Zylinderbohrung eingespritzt (d. h. der Kraftstoff wird direkt in den Zylinder eingespritzt), und der eingespritzte Kraftstoff wird mittels des Hohlraums in die Nähe der Zündkerze gelenkt. Der dickenreduzierte Abschnitt, der an dem Kolben mit diesem Hohlraum bereitgestellt ist, verwirklicht einen Kolben, der eine ausgezeichnete Festigkeit, ein ausgezeichnetes Gleichgewicht und ausgezeichnete Kühleigenschaften aufweist.
Die Brennkraftmaschine gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist irgendeinen Kolben gemäß der oben beschriebenen Erfindung auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Brennkraftmaschine mit einem Kolben bereitgestellt werden, der eine ausgezeichnete Festigkeit, ausgezeichnete Kühleigenschaften und ein ausgezeichnetes Gleichgewicht aufweist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Maschine einen Kraftstoff-Einspritzmechanismus aufweist, der Kraftstoff in einen Ansaugkrümmer einspritzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Kraftstoff nicht nur von einer Direkt-Einspritzeinrichtung, sonder auch von einer Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung in den Ansaugkrümmer eingespritzt, um die Leistung der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Kraftstoff-Einspritzmechanismus, der Kraftstoff in den Zylinder einspritzt, eine Direkt-Einspritzvorrichtung ist, und dass der Kraftstoff-Einspritzmechanismus, der Kraftstoff in den Ansaugkrümmer einspritzt, eine Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, für die eine Direkt-Einspritzeinrichtung, bei der es sich um einen Einspritzmechanismus handelt, der den Kraftstoff in den Zylinder einspritzt, und eine Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung, die den Kraftstoff in den Ansaugkrümmer spritzt, separat bereitgestellt sind, so dass diese jeweils einen Anteil an der Kraftstoffeinspritzung haben. Die Brennkraftmaschine weist einen Kolben auf, der eine hervorragende Festigkeit, ein hervorragendes Gleichgewicht und hervorragende Kühleigenschaften aufweist.
Die genannten und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung klarer.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Aufbauskizze eines Maschinensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Teilansicht von 1.
3 ist eine Teilabwicklung eines Kolbens.
4 ist eine Sicht von oben auf den Kolben.
5–7 sind Querschnittsdarstellungen des Kolbens.
8 zeigt ein DI-Verhältniskennfeld für den Warmzustand einer Maschine (1), auf die die Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
9 zeigt ein DI-Verhältniskennfeld für den Kaltzustand einer Maschine (1), auf die die Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
10 zeigt ein DI-Verhältniskennfeld für den Warmzustand einer Maschine (2), auf die die Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
11 zeigt ein DI-Verhältniskennfeld für den Kaltzustand einer Maschine (2), auf die die Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen, um die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform zu beschreiben. In der folgenden Beschreibung werden identische Komponenten identisch bezeichnet. Sie sind auch in Bezug auf Name und Funktion identisch. Daher wird ihre Beschreibung nicht wiederholt.
1 ist eine schematische Aufbauskizze eines Maschinensystems, das von einer Maschinen-ECU (elektronischen Steuereinheit) gesteuert wird, welche die Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwirklicht. In 1 ist ein Vierzylinder-Reihenottomotor dargestellt, aber die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf solch einen Motor beschränkt, und dieser kann ein V-Sechszylindermotor sein, ein V-Achtzylindermotor, ein Sechszylinder-Reihenottomotor und dergleichen. Ferner wird in der folgenden Beschreibung auf eine Maschine Bezug genommen, die eine Direkt-Einspritzeinrichtung und eine Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung aufweist, aber die vorliegende Erfindung kann auch auf einen Maschine angewendet werden, die mindestens eine Direkt-Einspritzeinrichtung aufweist.
Wie in 1 dargestellt, schließt eine Maschine 10 vier Zylinder 112 ein, die jeweils über einen entsprechenden Ansaugkrümmer 20 mit einem gemeinsamen Ausgleichsbehälter 30 verbunden sind. Der Ausgleichsbehälter 30 ist über eine Ansaugleitung 40 mit einem Luftreiniger 50 verbunden. Ein Luftströmungsmesser 42 ist im Ansaugkanal 40 angeordnet, und eine Drosselklappe 70, die von einem Elektromotor 60 angetrieben wird, ist ebenfalls im Ansaugkanal 40 angeordnet. Der Öffnungsgrad der Drosselklappe 70 wird aufgrund eines Ausgangssignals von einer Maschinen-ECU (elektronischen Steuereinheit) 300 unabhängig von einem Gaspedal 100 gesteuert. Jeder Zylinder 112 ist mit einem gemeinsamen Abgaskrümmer 80 verbunden, der mit einem Dreiwegekatalysator 90 verbunden ist.
Jeder Zylinder 112 ist mit einer Direkt-Einspritzeinrichtung 110 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder und einer Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Ansaugleitung und/oder einen Ansaugkrümmer ausgestattet. Die Einspritzeinrichtungen 110 und 120 werden aufgrund eines Ausgangssignals von der Maschinen-ECU 300 gesteuert. Ferner ist eine Direkt-Einspritzeinrichtung 110 jedes Zylinders mit einer gemeinsamen Kraftstoff-Versorgungsleitung 130 verbunden. Die Kraftstoff-Versorgungsleitung 130 ist mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 vom maschinenbetriebenen Typ über ein Rückschlagventil 140 verbunden, das einen Strom in Richtung zur Kraftstoff-Versorgungsleitung 130 zulässt. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Einspritzeinrichtungen, die separat bereitgestellt sind, beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf solch eine Brennkraftmaschine beschränkt. Beispielsweise kann die Brennkraftmaschine eine Einspritzeinrichtung aufweisen, die sowohl eine Direkteinspritzung als auch eine Ansaugkrümmer-Einspritzung durchführen kann.
Wie in 1 dargestellt, ist die Auslassseite der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 über ein elektromagnetisches Überströmventil 152 mit der Einlassseite der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 verbunden. Wenn der Öffnungsgrad des elektromagnetischen Überströmventils 152 kleiner wird, steigt die Menge des Kraftstoffs, der von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 in die Kraftstoff-Versorgungsleitung 130 geliefert wird. Wenn das elektromagnetische Überströmventil 152 ganz geöffnet ist, ist die Kraftstoffzufuhr von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 zur Kraftstoff Versorgungsleitung 130 unterbrochen. Das elektromagnetische Überströmventil 152 wird aufgrund eines Ausgangssignals der Maschinen-ECU 300 gesteuert.
Jede Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 ist mit einer gemeinsamen Kraftstoff-Versorgungsleitung 160 auf einer Niederdruckseite verbunden. Die Kraftstoff-Versorgungsleitung 160 und die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 sind über einen gemeinsamen Kraftstoffdruck-Regler 170 mit einer Niederdruck-Kraftstoffpumpe 180 des elektromotorbetriebenen Typs verbunden. Ferner ist die Niederdruck-Kraftstoffpumpe 180 über einen Kraftstofffilter 190 mit einem Kraftstofftank 200 verbunden. Der Kraftstoffdruck-Regler 170 ist so ausgelegt, dass er einen Teil des Kraftstoffs, der von der Niederdruck-Kraftstoffpumpe 180 abgegeben wird, zum Kraftstofftank 200 zurückliefert, wenn der Druck des Kraftstoffs, der von der Niederdruck-Kraftstoffpumpe 180 abgegeben wird, höher ist als ein voreingestellter Kraftstoffdruck. Dies verhindert, dass der Druck des Kraftstoffs, der zur Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 150 geliefert wird, sowie der Druck des Kraftstoffs, der zur Hochdruck-Kraftstoffpumpe 150 geliefert wird, höher wird als der oben beschriebene voreingestellte Kraftstoffdruck.
Die Maschinen-ECU 300 ist mit einem digitalen Computer verwirklicht und schließt einen ROM (Nur-Lese-Speicher) 320, einen RAM (Schreib/Lese-Speicher) 330, eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 340, einen Eingabeport 350 und einen Ausgabeport 360 ein, die über einen bidirektionalen Bus 310 miteinander verbunden sind.
Der Luftströmungsmesser 42 erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zur Ansaugluftmenge ist, und die Ausgangsspannung wird über einen A/D-Wandler 370 in den Eingabeport 350 eingegeben. Ein Kühlmitteltemperatur-Sensor 380 ist an der Maschine 10 angebracht und erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zur Kühlmitteltemperatur der Maschine ist und die über einen A/D-Wandler 390 in den Eingabeport 350 eingegeben wird.
Ein Kraftstoffdruck-Sensor 400 ist an der Kraftstoff-Versorgungsleitung 130 angebracht und erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zum Kraftstoffdruck in der Kraftstoff-Versorgungsleitung 130 ist und die über einen A/D-Wandler in den Eingabeport 350 eingegeben wird. Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 420 ist an einem Abgaskrümmer 80 angebracht, das sich stromaufwärts vom Dreiwegekatalysator 90 befindet. Der Luft/Kraftstoff-Sensor 420 erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas ist und die über einen A/D-Wandler 430 in den Eingabeport 350 eingegeben wird.
Der Luft/Kraftstoff-Sensor 420 des Maschinensystems der vorliegenden Ausführungsform ist ein Vollbereichs-Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor (ein linearer Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor), der eine Ausgangsspannung proportional zum Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Luft/Kraftstoff-Mischung erzeugt, die in der Maschine 10 erzeugt wird. Als Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 420 kann ein O₂-Sensor verwendet werden, der auf EIN/AUS-Weise erfasst, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Luft/Kraftstoff-Mischung, die in der Maschine 10 verbrannt wird, in Bezug auf das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis angereichert oder abgemagert ist.
Ein Gaspedal 100 ist mit einem Gaspedalpositions-Sensor 440 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zum Verstellweg des Gaspedals 100 ist und die über einen A/D-Wandler 450 in den Eingabeport 350 eingegeben wird. Ferner ist ein Maschinendrehzahl-Sensor 460, der einen Ausgangsimpuls erzeugt, der die Maschinendrehzahl darstellt, mit dem Eingabeport 350 verbunden. Der ROM 320 der Maschinen-ECU 300 speichert in Form eines Kennfelds vorab Werte für die Kraftstoff-Einspritzmenge, die in Abhängigkeit von Betriebszuständen aufgrund des Maschinenlastfaktors und der Maschinendrehzahl eingestellt werden, die vom oben beschriebenen Gaspedalstellungs-Sensor 440 und vom Maschinendrehzahl-Sensor 460 erhalten werden, sowie Korrekturwerte dafür, die auf der Maschinen-Kühlmitteltemperatur beruhen.
2 ist eine vergrößerte Teilansicht von 1. 2 zeigt die Lagebeziehung der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 und der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 in jedem Zylinder 112, der in 1 dargestellt ist, und die Lagebeziehung eines Ansaugkrümmers 20, eines Einlassventils 122, eines Auslassventils 121, einer Zündkerze 119 und eines Kolbens 123.
Das Einlassventil 122 ist auf einer Brennkammerseite des Ansaugkrümmers 20 bereitgestellt, und die Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 ist stromaufwärts vom Einlassventil 122 bereitgestellt. Die Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 spritzt Kraftstoff zur Innenwand des Ansaugkrümmers 20, bei dem es sich um eine Ansaugleitung handelt.
Als Beispiel kann die Kraftstoff-Einspritzrichtung einer Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 wie folgt eingestellt werden.
Aufgrund der Überlagerung des Einlassventils 122 und des Auslassventils 121 kann PM (particulate matter – Feinstaubteilchen) in der Brennkammer in den Ansaugkrümmer 20 zurückströmen, und der Kraftstoff, der von der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 als feiner Sprühstrahl eingespritzt wird, wirkt als Haftmittel, das sich dann als Niederschlag an der Innenwand des Ansaugkrümmers auf einer Seite, die näher am Einlassventil 122 liegt, sammelt. Die Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 ist so angeordnet, dass ihre Kraftstoff-Einspritzrichtung auf den Niederschlag ausgerichtet ist. Somit kann der Niederschlag durch den Kraftstoff, der von der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 eingespritzt wird, abgewaschen werden.
Ferner ist der Ansaugkrümmer 20 nicht mit irgend etwas versehen, das einen Drall innerhalb der Brennkammer bildet, beispielsweise einer Drallklappe. Falls eine Drallklappe bereitgestellt wäre, würde der Strömungskoeffizient gesenkt und Luft könnte bei WOT (wide open throttle – weit geöffnete Drosselklappe) nicht angemessen in die Brennkammer eingeführt werden. Dagegen wird in der Brennkraftmaschine der vorliegenden Ausführungsform eine Mündung mit hohem Durchsatz mit gesteigertem Strömungskoeffizient realisiert. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Ansaugmündung vom Tangententyp verwendet werden kann, falls ein hoher Durchsatz realisiert werden kann. Die Ansaugmündung vom Tangententyp ist nicht spiralmäßig um das Einlassventil herum ausgebildet, so dass sie sich horizontal ausbreitet, sondern weist ein vorderes Ende auf, das gerade verläuft, um einen großen vertikalen Bogen zu bilden. Daher ist der Strömungswiderstand in der Ansaugleitung gering und der Strömungskoeffizient der Ansaugleitung ist viel höher als der der Drallklappe. Somit steigt der volumetrische Wirkungsgrad der Maschine 10, und eine große Luftmenge kann in die Brennkammer gesaugt werden. Der Strömungskoeffizient Cf der Ansaugleitung ist hierbei vorzugsweise 0,5–0,7.
Wie in 2 dargestellt, ist ein Hohlraum 123C, bei dem es sich um eine Aussparung handelt, die durch eine sanfte Kurve gebildet wird, am oberen Ende des Kolbens 123 an einer Stelle gegenüber der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 bereitgestellt. Der Kraftstoff wird von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 in Richtung auf den Hohlraum 123C gespritzt. Da das obere Ende des Kolbens 134 keinerlei scharfe Kanten aufweist, wird kein Sprühstrahl aus dem von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 eingespritzten Kraftstoff von solch einer scharfen Kante zerteilt. Während solch eine Teilung eine lokale Anreicherung (wie hierin verwendet, bedeutet lokale Anreicherung, dass eine angereicherte Luft/Kraftstoff-Mischung an einem anderen Ort als um die Zündkerze 119 herum gebildet wird) begünstigen kann, welche die Verbrennung nachteilig beeinflussen kann, kann dieser Zustand somit verhindert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Kraftstoff-Einspritzverhältnis zwischen Direkt-Einspritzeinrichtung 110 und Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120, die wie in 2 dargestellt angeordnet sind, später ausführlich beschrieben wird.
Wie in 2 dargestellt, sind, was den Kolben 123 betrifft, der Kolben 123 und ein Pleuel (nicht dargestellt) mit einem Kolbenbolzen 123A verbunden. Der Kolben 123 ist mit Kolbenbolzen-Nabenabschnitten 123B zum Aufnehmen des Kolbenbolzens 123A ausgestattet. Eine enorme Gaskraft und eine Trägheitskraft des Kolbens 123 werden direkt an das obere Ende des Kolbens 123 angelegt.
Nun wird mit Bezug auf 3 der Aufbau eines Kolbens 123 beschrieben. Wie in 3 dargestellt, weist der Kolben 123 zwei Kolbenbolzen-Nabenabschnitte 123B auf, die so angeordnet sind, dass ein Pleuel zwischen ihnen angeordnet ist. Ein kleiner Endabschnitt des Pleuels ist zwischen diesen beiden Kolbenbolzen-Nabenabschnitten 123B angeordnet. Ferner sind zwei Kolbenbolzen-Nabenabschnitte 123E und der kleine Endabschnitt des Pleuels drehbar durch den Kolbenbolzen 123A verbunden.
Wie in 3 dargestellt, ist im Querschnitt durch die Mittellinie des Hohlraums 123C ein dickenreduzierter Abschnitt 123D an einer Schubseite (einer Seite ohne Hohlraum 123C) bereitgestellt, der größer ist als der dickenreduzierte Abschnitt auf der Schubgegenseite. Da die Belastung, die von der Schubseite ohne den Hohlraum 123C aufgenommen wird, kleiner ist als diejenige, die von der Schubgegenseite mit dem Hohlraum 123C aufgenommen wird, kann die Dicke des Kolbens 123 weitgehend reduziert werden, wie vom dickenreduzierten Abschnitt 123D verwirklicht. Der Kolben 123 weist jedoch solch eine Dicke auf, dass er der angelegten Belastung vollkommen standhalten kann. Im Folgenden wird der dickenreduzierte Abschnitt ausführlicher beschrieben.
4 zeigt ein oberes Ende des Kolbens 123 von oben gesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 3 dargestellte Form des Hohlraums 123C ein Beispiel ist, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen Hohlraum 123C mit dieser Form beschränkt ist. Die Bezeichnung der Schubseite und der Schubgegenseite in 4 stimmt mit 3 überein.
5 zeigt einen Querschnitt entlang 5–5 in 4. 6 zeigt einen Querschnitt entlang 6–6 in 4 und 5, und 7 zeigt einen Querschnitt entlang 7–7 in 4 und 5.
Wie in 6 dargestellt, sind im Querschnitt entlang 6–6 dickenreduzierte Abschnitte 123D und 123E auf einer Seite bereitgestellt, die dem oberen Ende des Kolbens 123 gegenüber liegt (im Folgenden als unteres Ende des Kolbens 123 bezeichnet). Der dickenreduzierte Abschnitt 123D, der auf einer Seite ohne Hohlraum 123C bereitgestellt ist, erreicht eine größere Dickenreduzierung als der dickenreduzierte Abschnitt 123E, der auf der Seite mit dem Hohlraum 123C bereitgestellt ist. Der dickenreduzierte Abschnitt 123D ist so ausgelegt, dass der dickenreduzierte Abschnitt 123D der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens 123 wirkt, standhalten kann. Der dickenreduzierte Abschnitt 123E ist so ausgelegt, dass die Dicke, die durch den dickenreduzierten Abschnitt 123E reduziert ist, der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens 123 wirkt, standhalten kann, auch wenn die Belastung aufgrund des Hohlraums 123C erhöht ist (beispielsweise der Belastungskonzentration). Da die dickenreduzierten Abschnitte 123D und 123E unterschiedlich geformt sind, ist der Kolben 123 in Schubrichtung/-Schubgegenrichtung hierbei nicht vollkommen im Gleichgewicht. Dies wird behoben, indem ein weiterer dickenreduzierter Abschnitt, der später beschrieben wird, als Ausgleichsmaßnahme bereitgestellt wird.
Der dickenreduzierte Abschnitt 123D erreicht eine solch große Dickenreduzierung, dass ein freier Raum bis zu den Nuten der Kolbenringe gebildet wird. Somit können die Kolbenringe, die verschiebbar am Zylinder anliegen und dadurch eine starke Wärme erzeugen, mit Öl wirksam gekühlt werden.
Wie in 7 dargestellt, sind auch im Querschnitt entlang 7–7, ähnlich wie im Querschnitt entlang 6–6, dickenreduzierte Abschnitte 123F und 123G am unteren Ende des Kolbens 123 bereitgestellt. Die dickenreduzierten Abschnitte 123F, die an einer Seite ohne Hohlraum 123C bereitgestellt sind, können so ausgebildet sein, dass sie einen größere Dickenreduzierung erreichen als der dickenreduzierte Abschnitt 123G, der an einer Seite mit Hohlraum 123C bereitgestellt ist. Auch in diesem Fall, ähnlich wie in der vorhergehenden Beschreibung, ist der dickenreduzierte Abschnitt 123F so ausgelegt, dass er der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens 123 ausgeübt wird, standhalten kann. Der dickenreduzierte Abschnitt 123G ist so ausgelegt, dass die Dicke, die vom dickenreduzierten Abschnitt 123G reduziert ist, der Belastung, die an das obere Ende des Kolbens 123 angelegt wird, standhalten kann, auch wenn die Belastung aufgrund des Hohlraums 123C erhöht ist (beispielsweise eine Belastungskonzentration).
Somit kann auch im Querschnitt entlang 7–7 ein in großem Umfang dickenreduzierter Abschnitt 123F, der an der Seite ohne Hohlraum 123C bereitgestellt ist, ausgebildet werden. Dies macht man sich beim Lösen des genannten Gleichgewichtsproblems zunutze. Genauer kann sowohl im Querschnitt entlang 6–6, der in 6 dargestellt ist, als auch im Querschnitt entlang 7–7, der in 7 dargestellt ist, die Dicke auf der Seite ohne Hohlraum 123C (Schubseite) in großem Umfang reduziert werden, während sie auf der Seite mit Hohlraum 123C (Schubgegenseite) nicht in großem Umfang reduziert werden kann, und daher kann der Kolben 123 in Schubrichtung/Schubgegenrichtung nicht vollkommen im Gleichgewicht sein. Um dieses Problem zu lösen, ist im Querschnitt, der in 7 dargestellt ist, der dickenreduzierte Abschnitt 123F so geformt, dass der Kolben 123 in Schubrichtung/Schubgegenrichtung im Gleichgewicht sein kann und der Belastung, die an das obere Ende des Kolbens 123 angelegt wird, standhalten kann.
Genauer wird zuerst die Form des dickenreduzierten Abschnitts 123D so entworfen, dass die notwendige Dicke am oberen Ende des Kolbens 123 auf der Seite ohne Hohlraum 123C (Schubseite) bestimmt wird, um die Fähigkeit, der Belastung, die an den Kolben 123 angelegt wird, standzuhalten, zu erreichen. Dann wird die Form des dickenreduzierten Abschnitts 123E entworfen, wobei nicht dem Gleichgewicht in Schubrichtung/Schubgegenrichtung im Querschnitt entlang 6–6 Priorität eingeräumt wird, sondern der Fähigkeit, die Belastung, die an den Kolben 123 auf der Seite mit dem Hohlraum 123C (Schubgegenseite) angelegt wird, standzuhalten. Da das Gewicht auf der Schubgegenseite aufgrund des Hohlraums 123C geringer ist, wird hierbei, wenn dem Gleichgewicht Priorität eingeräumt wird, die resultierende Dicke größer als die Dicke, die durch die Fähigkeit, der Belastung, die auf den Kolben 123 wirkt, standzuhalten, bestimmt wird, und somit kann kein dickenreduzierter Abschnitt 123E entworfen werden, der eine große Dickenreduzierung liefert.
Dann wird die Form des dickenreduzierten Abschnitts 123G entworfen, wobei der Fähigkeit, der Belastung, die auf den Kolben 123 auf der Seite mit dem Hohlraum 123C (Schubgegenseite) wirkt, standzuhalten, Priorität eingeräumt wird. Dann wird die Form des dickenreduzierten Abschnitts 123 so bestimmt, dass der Kolben 123 insgesamt in Schubrichtung/Schubgegenrichtung im Gleichgewicht ist.
Hierbei wird der dickenreduzierte Abschnitt 123F, der sich gegenüber dem dickenreduzierten Abschnitt 123E befindet, so ausgebildet, dass er groß ist, und zwar aufgrund der Tatsache, dass der dickenreduzierte Abschnitt 123E so ausgebildet wurde, dass er eine große Dickenreduzierung angesichts der Fähigkeit des Kolbens 123, der Belastung, die auf ihn wirkt, standzuhalten, erreicht wurde, wobei diese Reduzierung nicht hätte erreicht werden können, wenn man dem Gleichgewicht Priorität eingeräumt hätte. Genauer wird, um einen Ausgleich zwischen dem dickenreduzierten Abschnitt 123E auf der Seite mit dem Hohlraum 123C (der Schubgegenseite), der groß ausgebildet ist, und dem Gewicht auf der Schubgegenseite, das aufgrund des Hohlraums 123C gering ist, zu schaffen, ein erheblich dickenreduzierter Abschnitt 123F auf der Schubseite ausgebildet, um das Gewicht auf der Schubseite zu verringern. Somit kann der Kolben 123 insgesamt in Schubrichtung/Schubgegenrichtung im Gleichgewicht sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die dickenreduzierten Abschnitte 123D, 123E, 123F und 123G mit weichen Kurven ausgebildet sind. Somit gibt es keine scharfen Kanten und somit kann keine Belastungskonzentration im Zusammenhang mit solchen scharfen Kanten begünstigt werden.
Wie oben dargestellt, werden gemäß der Maschine 10 der vorliegenden Ausführungsform die dickenreduzierten Abschnitte hauptsächlich im unteren Teil des Kolbens 123 an Stellen nicht unterhalb des Hohlraums 123C, der am oberen Ende des Kolbens vorgesehen ist, bereitgestellt. Eine enorme Gaskraft (Verbrennungskraft) wirkt auf das obere Ende des Kolbens 123 und insbesondere wird die Belastung am Hohlraum 123C konzentriert. Somit ist er so ausgelegt, dass der Umfang der Dickenreduzierung am unteren Ende des Kolbens 123 an Stellen, die nicht unter dem Hohlraum 123 liegen, groß ist. Somit kann ein Kolben, der der Belastung ausreichend standhalten kann, verwirklicht werden, und eine mögliche Beschädigung des Kolbens 123 aufgrund einer Belastungskonzentration im Zusammenhang mit dem Hohlraum 123C kann vermieden werden. Da die Dicke am unteren Ende des Kolbens 123, das dem Umfang des Kolbens 123 entspricht, reduziert ist, kann außerdem die Dicke hinter den Kolbenringnuten (auf der zur Kolbenmittelachse zeigenden Seite) verringert werden, wodurch die Ölkühlung der Kolbenringe, die durch Reibung Wärme erzeugen, erleichtert ist. Ferner wird dadurch, dass der Umfang der Dickenreduzierung im Abschnitt unter dem Hohlraum 123C klein gehalten ist, um die Dicke zu erhöhen, und der Umfang der Dickenreduzierung in Abschnitten, die nicht unter dem Hohlraum 123C liegen, groß eingestellt ist, um die Dicke zu verringern (für die Aussparung des Hohlraums 123C), ein Gleichgewicht des Kolbens erreicht. Infolgedessen kann das Gewicht des Kolbens reduziert sein.
Maschine (1), auf die die vorliegenden Steuervorrichtung angewendet werden kann
Eine Maschine (1), auf die die Steuervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform angewendet werden kann, wird nun beschrieben.
Nun werden mit Bezug auf 8 und 9 Kennfelder beschrieben, die jeweils ein Kraftstoff-Einspritzverhältnis zwischen einer Direkt-Einspritzeinrichtung 110 und einer Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 anzeigen, das als Information im Zusammenhang mit dem Betriebszustand der Maschine 10 identifiziert ist. Hierbei wird das Kraftstoff-Einspritzverhältnis zwischen den beiden Einspritzeinrichtungen auch als Verhältnis der von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 eingespritzten Kraftstoffmenge zur Gesamtmenge des eingespritzten. Kraftstoffs ausgedrückt, was als „Kraftstoff-Einspritzverhältnis der Direkt-Einspritzeinrichtung 110” oder als „DI(Direkteinspritzungs)-Verhältnis (r)” ausgedrückt wird. Die Kennfelder sind im ROM 320 der Maschinen-ECU 300 hinterlegt. 8 ist ein Kennfeld für den warmen Zustand der Maschine 10, und 9 ist ein Kennfeld für den kalten Zustand der Maschine 10.
In den in 8 und 9 dargestellten Kennfeldern, wo die horizontale Achse eine Maschinendrehzahl der Maschine 10 darstellt und die vertikale Achse einen Lastfaktor darstellt, ist das Kraftstoff-Einspritzverhältnis der Direkt-Einspritzeinrichtung 110, oder das DI-Verhältnis r, in Prozent ausgedrückt.
Wie in 8 und 9 dargestellt, ist das DI-Verhältnis r für jeden Betriebsbereich, der von der Maschinendrehzahl und dem Lastfaktor der Maschine 10 bestimmt wird, eingestellt. „DI-VERHÄLTNIS r = 100%” stellt den Bereich dar, wo eine Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 durchgeführt wird, und „DI-VERHÄLTNIS r = 0%” stellt den Bereich dar, wo eine Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 durchgeführt wird. „DI-VERHÄLTNIS r ≠ 0%”, „DI-VERHÄLTNIS r ≠ 100%” und „0% < DI-VERHÄLTNIS r < 100%” stellen jeweils den Bereich dar, wo die Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von sowohl der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 als auch der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 durchgeführt wird. Generell trägt die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 zu einem Anstieg der Ausgangsleistung bei, während die Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 zur Gleichmäßigkeit der Luft/-Kraftstoff-Mischung beiträgt. Diese beiden Arten von Einspritzeinrichtung mit unterschiedlichen Eigenschaften werden abhängig von der Maschinendrehzahl und dem Lastfaktor der Maschine 10 geeignet ausgewählt, so dass im normalen Betriebszustand der Maschine (im Unterschied zum nicht-normalen Betriebszustand, wie dem Katalysator-Aufwärmzustand während des Leerlaufs) nur eine homogene Verbrennung durchgeführt wird.
Wie in 8 und 9 dargestellt, ist ferner das Kraftstoff-Einspritzverhältnis zwischen Direkt-Einspritzeinrichtung 110 und Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120, oder das DI-Verhältnis r, individuell in dem Kennfeld für den Warmzustand und in dem Kennfeld für den Kaltzustand definiert. Die Kennfelder sind so konfiguriert, dass sie verschiedene Steuerbereiche der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 und der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 anzeigen, wenn sich die Temperatur der Maschine 10 verändert. Wenn die erfasste Temperatur der Maschine 10 mindestens so hoch ist wie ein vorgegebener Temperaturschwellenwert, wird das Kennfeld für den Warmzustand, das in 8 dargestellt ist, ausgewählt, ansonsten wird das Kennfeld für den Kaltzustand, das in 9 dargestellt ist, ausgewählt. Eine oder beide von der Direkt-Einspritzeinrichtung 10 und der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 werden aufgrund des ausgewählten Kennfelds und gemäß der Maschinendrehzahl und dem Lastfaktor der Maschine 10 gesteuert.
Nun werden die Maschinendrehzahl und der Lastfaktor der Maschine 10, die in 8 und 9 gesetzt sind, beschrieben. In 8 ist NE(1) auf 2500 UpM bis 2700 UpM gesetzt, KL(1) ist auf 30% bis 50% gesetzt, und KL(2) ist auf 60% bis 90% gesetzt. In 9 ist NE(3) auf 2900 UpM bis 3100 UpM gesetzt. Das heißt, NE(1) < NE(3). NE(2) in 8 ebenso wie KL(3) und KL(4) in 9 werden ebenfalls geeignet gesetzt.
Wenn man 8 und 9 vergleicht, ist NE(3) des Kennfelds für den Kaltzustand, das in 9 dargestellt ist, größer als NE(1) des Kennfelds für den Warmzustand, das in 8 dargestellt ist. Dies zeigt, dass, wenn die Temperatur der Maschine 10 niedriger ist, der Steuerbereich für die Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 erweitert ist, um den Bereich der höheren Maschinendrehzahl einzuschließen. Das heißt, in dem Fall, dass die Maschine 10 kalt ist, sammeln sich kaum Niederschläge im Einspritzloch der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 an (selbst wenn kein Kraftstoff von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 eingespritzt wird). Somit kann der Bereich, wo eine Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 durchzuführen ist, erweitert werden, wodurch die Homogenität verbessert wird.
Wenn man 8 und 9 vergleicht, gilt „DI-VERHÄLTNIS r = 100%” in dem Bereich, wo die Maschinendrehzahl der Maschine 10 im Kennfeld für den Warmzustand NE(1) oder höher ist, und in dem Bereich, wo die Maschinendrehzal im Kennfeld für den Kaltzustand NE(3) oder höher ist. Ausgedrückt als Lastfaktor, gilt „DI-VERHÄLTNIS r = 100%” in dem Bereich, wo der Lastfaktor im Kennfeld für den Warmzustand KL(2) oder größer ist, und im Bereich, wo der Lastfaktor im Kennfeld für den Kaltzustand KL(4) oder größer ist. Dies bedeutet, dass die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 nur in einem Bereich mit vorgegebener hoher Maschinendrehzahl und in einem Bereich mit vorgegebener hoher Maschinenlast verwendet wird. Das heißt, dass im hohen Drehzahlbereich oder im Hochlastbereich, selbst wenn die Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 durchgeführt wird, die Maschinendrehzahl und die Last der Maschine 10 hoch sind, was eine ausreichende Ansaugluftmenge gewährleistet, so dass es ohne Weiteres möglich ist, eine homogene Luft/Kraftstoff-Mischung zu erhalten, auch wenn nur die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 verwendet wird. Auf diese Weise wird der Kraftstoff, der von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 eingespritzt wird, in der Brennkammer unter Einbeziehung einer latenten Verdampfungswärme (oder unter Absorbierung der Wärme von der Brennkammer) zerstäubt. Somit wird die Temperatur der Luft/Kraftstoff-Mischung am Kompressionsende gesenkt, wodurch die Antiklopfleistung verbessert wird. Da die Temperatur in der Brennkammer gesenkt wird, wird ferner die Ansaugleistung verbessert, was zu einer höheren Ausgangsleistung führt.
Im Kennfeld für den Warmzustand in 8 wird eine Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 auch durchgeführt, wenn der Lastfaktor KL(1) oder weniger ist. Dies zeigt, dass nur die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 in einem vorgegebenen Niedriglastbereich verwendet wird, wenn die Temperatur der Maschine 10 hoch ist. Wenn die Maschine 10 im Warmzustand ist, sammeln sich leicht Niederschläge im Einspritzloch der Direkt-Einspritzeinrichtung 110. Wenn die Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 durchgeführt wird, kann jedoch die Temperatur des Einspritzlochs gesenkt werden, wodurch die Ansammlung von Niederschlägen verhindert wird. Ferner kann ein Verstopfen der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 verhindert werden, während dessen minimale Kraftstoff-Einspritzmenge sichergestellt ist. Somit wird im relevanten Bereich die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 allein verwendet.
Wenn man 8 und 9 vergleicht, gibt es den Bereich „DI-VERHÄLTNIS r = 0%” nur im Kennfeld für den Kaltzustand von 9. Dies zeigt, dass die Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 in einem vorgegebenen Niedriglastbereich (KL(3) oder weniger) durchgeführt wird, wenn die Temperatur der Maschine 10 niedrig ist. Wenn die Maschine 10 kalt ist und ihre Last niedrig ist und die Ansaugluftmenge gering ist, kommt es kaum zu einer Zerstäubung des Kraftstoffs. In diesem Bereich ist es schwierig, eine vorteilhafte Verbrennung mit der Kraftstoffeinspritzung von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 sicherzustellen. Ferner ist besonders im Niedriglast- und Niedrigdrehzahlbereich die hohe Ausgangsleistung unter Verwendung der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 nicht notwendig. Somit wird die Kraftstoffeinspritzung im relevanten Bereich unter Verwendung von nur der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 und nicht der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 durchgeführt.
Ferner wird in einem Betriebszustand, bei dem es sich nicht um den Normalbetrieb handelt, oder in der Katalysator-Aufwärmphase während des Leerlaufs der Maschine 10 (im nicht-normalen Betriebszustand) die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 so gesteuert, dass sie eine Schichtladeverbrennung durchführt. Dadurch, dass während des Katalysatoraufwärmvorgangs eine Schichtladeverbrennung bewirkt wird, wird das Auf wärmen des Katalysators gefördert, und die Abgaswerte werden somit verbessert.
Maschine (2), auf die die vorliegende Steuervorrichtung angewendet werden kann
Im Folgenden wird eine Maschine (2), auf die die Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden Konstruktionsmerkmale der Maschine (2), die denen der Maschine (1) ähneln, nicht wiederholt.
Mit Bezug auf 10 und 11 werden Kennfelder, die jeweils das Kraftstoff Einspritzverhältnis zwischen der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 und der Ansaugkrümer-Einspritzeinrichtung 120 anzeigen, das als Information im Zusammenhang mit dem Betriebszustand der Maschine 10 identifiziert wird, beschrieben. Die Kennfelder sind im ROM 320 der Maschinen-ECU 300 hinterlegt. 10 ist ein Kennfeld für den Warmzustand der Maschine 10, und 11 ist ein Kennfeld für den Kaltzustand der Maschine 10.
10 und 11 unterscheiden sich von 8 und 9 in den folgenden Punkten. „D-VERHÄLTNIS r = 100%” trifft auf den Bereich zu, wo die Maschinendrehzahl der Maschine im Kennfeld für den Warmzustand mindestens NE(1) ist, und auf den Bereich, wo die Maschinendrehzahl im Kennfeld für den Kaltzustand NE(3) oder höher ist. Ferner triff abgesehen vom Niedrigdrehzalbereich „DI-VERHÄLTNIS r = 100%” für den Bereich zu, dass der Lastfaktor im Kennfeld für den Warmzustand KL(2) oder größer ist, und für den Bereich, dass der Lastfaktor im Kennfeld für den Kaltzustand KL(4) oder größer ist. Dies bedeutet, dass die Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 in dem Bereich durchgeführt wird, wo die Maschinendrehzahl auf einem vorgegebenen hohen Niveau liegt, und dass die Kraftstoffeinspritzung häufig unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 in einem Bereich durchgeführt wird, wo die Motorlast auf einem vorgegebenen hohen Niveau liegt. Im Niedrigdrehzahl- und Niedriglastbereich ist jedoch die Mischung einer Luft/Kraftstoff-Mischung, die aus dem Kraftstoff, der von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 gebildet wird, schlecht, und eine solche nicht-homogene Luft/Kraftstoff-Mischung in der Brennkammer kann zu einer instabilen Verbrennung führen. Somit wird das Kraftstoff-Einspritzverhältnis der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 erhöht, wenn die Maschinendrehzahl zunimmt, wo ein solches Problem kaum entstehen wird, während das Kraftstoff-Einspritzverhältnis der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 gesenkt wird, wenn die Motorlast zunimmt, wo dieses Problem leicht entstehen könnte. Diese Änderungen des Kraftstoff-Einspritzverhältnisses der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 oder des DI-Verhältnisses r sind von Längs- und Querpfeilen in 10 und 11 dargestellt. Auf diese Weise können Schwankungen der Ausgangsleistung der Maschine, die auf eine instabile Verbrennung zurückgeführt werden können, unterdrückt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Maßnahmen etwa den Maßnahmen entsprechen, die das Kraftstoff-Einspritzverhältnis der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 senken sollen, wenn der Zustand der Maschine sich in Richtung auf den vorgegebenen Niedrigdrehzahlbereich verändert, oder die das Kraftstoff-Einspritzverhältnis der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 steigern sollen, wenn sich der Maschinenzustand in Richtung auf den vorgegebenen Niedriglastbereich ändert. Ferner kann abgesehen vom relevanten Bereich (der von den Längs- und Querpfeilen in 10 und 11 dargestellt ist), in dem Bereich, wo eine Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 (auf der Hochdrehzahlseite und auf der Niedriglastseite) durchgeführt wird, eine homogene Luft/Kraftstoff-Mischung ohne Weiteres erreicht werden, auch wenn die Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung von nur der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 durchgeführt wird. In diesem Fall wird der Kraftstoff, der von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 eingespritzt wird, in der Brennkammer zerstäubt, wobei er eine latente Verdampfungswärme einbezieht (durch Absorbieren der Wärme von der Brennkammer). Somit wird die Temperatur der Luft/Kraftstoff-Mischung an der Kompressionsseite gesenkt, und somit wird die Antiklopfleistung verbessert. Ferner wird bei sinkender Temperatur in der Brennkammer die Ansaugleistung verbessert, was zu einer höheren Ausgangsleistung führt.
In der Maschine 10, die im Zusammenhang mit 8–11 erläutert wird, wird eine homogene Verbrennung durch Einstellen des Kraftstoff-Einspritzzeitpunkts der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 auf den Ansaughub erreicht, während eine Schichtladeverbrennung durch deren Einstellung auf den Kompressionshub realisiert wird. Das heißt, wenn der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 auf den Kompressionshub eingestellt wird, kann eine angereicherte Luft/Kraftstoff-Mischung lokal um die Zündkerze herum angeordnet werden, so dass eine insgesamt magere Luft/Kraftstoff-Mischung in der Brennkammer entzündet wird, um die Schichtladeverbrennung zu realisieren. Selbst wenn der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 auf den Ansaughub eingestellt wird, kann eine Schichtladeverbrennung realisiert werden, falls es möglich ist, eine angereicherte Luft/Kraftstoff-Mischung lokal um die Zündkerze herum bereitzustellen.
Wie hierin verwendet, bedeutet Schichtladeverbrennung sowohl die Verbrennung mit geschichteter Ladung als auch die Verbrennung mit halb-geschichteter Ladung. Bei der Verbrennung mit halb-geschichteter Ladung spritzt die Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 Kraftstoff im Ansaughub ein, um eine magere und homogene Luft/Kraftstoff-Mischung in der ganzen Brennkammer zu erzeugen, und dann spritzt die Direkt-Einspritzeinrichtung 110 Kraftstoff im Kompressionshub ein, um eine angereicherte Luft/Kraftstoff-Mischung um die Zündkerze herum zu erzeugen, um den Verbrennungszustand zu verbessern. Diese Verbrennung mit halb-geschichteter Ladung ist während der Katalysator-Aufwärmphase aus den folgenden Gründen bevorzugt. In der Katalysator-Aufwärmphase ist es notwendig, den Zündzeitpunkt erheblich zu verzögern und einen günstigen Verbrennungszustand (Leerlaufzustand) aufrechtzuerhalten, um zu bewirken, dass ein mit hoher Temperatur verbrennendes Gas den Katalysator erreicht. Ferner muss eine bestimmte Menge an Kraftstoff zugeführt werden. Falls die Schichtladeverbrennung angewendet wird, um diese Anforderungen zu erfüllen, reicht die Kraftstoffmenge nicht aus. Falls die homogene Verbrennung durchgeführt wird, ist der Verzögerungsumfang für den Zweck der Aufrechterhaltung einer günstigen Verbrennung im Vergleich zu dem Fall einer Schichtladeverbrennung gering. Aus diesen Gründen wird vorzugsweise die oben beschriebene Verbrennung mit halb-geschichteter Ladung in der Katalysator-Aufwärmphase angewendet, obwohl sowohl eine Schichtladeverbrennung als auch eine Verbrennung mit halb-geschichteter Ladung durchgeführt werden können.
Ferner ist in der im Zusammenhang mit 8–11 erläuterten Maschine der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 in einem Grundbereich, der fast dem ganzen Bereich entspricht, auf den Ansaughub eingestellt (hierbei bedeutet Grundbereich den Bereich abgesehen von dem Bereich, wo eine Verbrennung mit halb-geschichteter Ladung durchgeführt wird, wobei der Kraftstoff von der Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung 120 im Ansaughub eingespritzt wird und der Kraftstoff von der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 im Kompressionshub eingespritzt wird, was nur in der Katalysator-Aufwärmphase durchgeführt wird). Der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 kann jedoch aus den folgenden Gründen vorübergehend auf den Kompressionshub eingestellt werden, um die Verbrennung zu stabilisieren.
Wenn der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 auf den Kompressionshub eingestellt wird, wird die Luft/Kraftstoff-Mischung durch den eingespritzten Kraftstoff abgekühlt, während die Temperatur im Zylinder relativ hoch ist. Dies verbessert die Kühlwirkung und somit die Antiklopfleistung. Wenn der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt der Direkt-Einspritzeinrichtung 110 auf den Kompressionshub gesetzt wird, ist ferner die Zeit von der Kraftstoffeinspritzung zur Verbrennung kurz, was eine starke Durchdringung des eingespritzten Kraftstoffs gewährleistet, und somit steigt die Verbrennungsrate. Die Verbesserung der Antiklopfleistung und der Anstieg der Verbrennungsrate können eine Verbrennungsschwankung verhindern, und somit wird die Verbrennungsstabilität verbessert.
Ferner kann ein Kennfeld für den Warmzustand, das in 8 oder 10 dargestellt ist, im Nicht-Leerlaufzustand (wenn der Leerlaufschalter AUS ist und das Gaspedal niedergedrückt ist) unabhängig von der Temperatur der Maschine 10 (d. h. sowohl im warmen als auch im kalten Zustand) verwendet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich dargestellt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass dies nur der Darstellung und Erläuterung diente und keineswegs beschränkend aufgefasst werden soll, da Gedanke und Umfang der vorliegenden Erfindung nur von den beigefügten Ansprüchen begrenzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (123) für eine Brennkraftmaschine (10), die einen Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) aufweist, der Kraftstoff in einen Zylinder (112) einspritzt, wobei der Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) den Kraftstoff von einer Zylinderkopfseite her in eine Zylinderbohrung einspritzt, und wobei der Kolben (123) folgendes aufweist: einen Hohlraum (123C), der am oberen Ende des Kolbens (123) bereitgestellt ist, auf den ein Sprühstrahl des Kraftstoffs, der vom Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) eingespritzt wird, trifft und dessen Position zur Mitte des Kolbens (123) in Richtung einer Schubgegenseite des Kolbens (123) versetzt ist, eine Kolbenbolzennabe (123B), die an einem unteren Ende des Kolbens (123) bereitgestellt ist und die eine Bohrung aufweist, durch die ein Kolbenbolzen (123A) zum Verbinden des Kolbens (123) mit einem Pleuel eingeführt ist, und einen dickenreduzierten Abschnitt, der am unteren Ende des Kolbens (123) und um die Kolbenbolzennabe (123B) herum bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen ersten Abschnitt (123D) aufweist, welcher in einer ersten Schnittebene des Kolbens (123) durch die Mittellinie des Hohlraums (123C) auf einer Schubseite des Kolbens (123) bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen zweiten Abschnitt (123E) aufweist, welcher in der ersten Schnittebene des Kolbens (123) auf der Gegenschubseite bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen dritten Abschnitt (123F) aufweist, welcher in einer zweiten Schnittebene des Kolbens (123), die parallel zu der ersten Schnittebene durch einen Bereich des Kolbens (123) ohne den Hohlraum (123C) verläuft, auf der Schubseite bereitgestellt ist, und wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen vierten Abschnitt (123G) aufweist, welcher in der zweiten Schnittebene des Kolbens (123) auf der Schubgegenseite bereitgestellt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (1) Entwerfen der Form des ersten Abschnitts (123D) derart, dass dieser der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens wirkt, standhalten kann; (2) Entwerfen der Form des zweiten Abschnitts (123E) derart, dass dieser der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens wirkt, standhalten kann; (3) Entwerfen der Form des vierten Abschnitts (123G) derart, dass dieser der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens wirkt, standhalten kann; (4) Entwerfen der Form des dritten Abschnitts (123F) derart, dass dieser der Belastung, die auf das obere Ende des Kolbens wirkt, standhalten kann und ein Massengleichgewicht zwischen der Schubseite und der Schubgegenseite besteht.
Kolben (123) hergestellt gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine (10), die einen Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) aufweist, der Kraftstoff in einen Zylinder (112) einspritzt, wobei der Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) den Kraftstoff von einer Zylinderkopfseite her in eine Zylinderbohrung einspritzt, und wobei der Kolben (123) folgendes aufweist: einen Hohlraum (123C), der am oberen Ende des Kolbens (123) bereitgestellt ist, auf den ein Sprühstrahl des Kraftstoffs, der vom Kraftstoff-Einspritzmechanismus (110) eingespritzt wird, trifft und dessen Position zur Mitte des Kolbens (123) in Richtung einer Schubgegenseite des Kolbens (123) versetzt ist, eine Kolbenbolzennabe (123B), die an einem unteren Ende des Kolbens (123) bereitgestellt ist und die eine Bohrung aufweist, durch die ein Kolbenbolzen (123A) zum Verbinden des Kolbens (123) mit einem Pleuel eingeführt ist, und einen dickenreduzierten Abschnitt, der am unteren Ende des Kolbens (123) und um die Kolbenbolzennabe (123B) herum bereitgestellt ist, wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen ersten Abschnitt (123D) aufweist, welcher in einer ersten Schnittebene des Kolbens (123) durch die Mittellinie des Hohlraums (123C) auf einer Schubseite des Kolbens (123) bereitgestellt ist, und wobei der dickenreduzierte Abschnitt einen zweiten Abschnitt (123E) aufweist, welcher in der ersten Schnittebene des Kolbens (123) auf der Gegenschubseite bereitgestellt ist, und wobei der zweite Abschnitt (123E) einen geringeren Dickenreduzierungsumfang aufweist als der erste Abschnitt (123D), dadurch gekennzeichnet, dass der dickenreduzierte Abschnitt einen dritten Abschnitt (123F) aufweist, welcher in einer zweiten Schnittebene des Kolbens (123), die parallel zu der ersten Schnittebene durch einen Bereich des Kolbens (123) ohne den Hohlraum (123C) verläuft, auf der Schubseite bereitgestellt ist, wobei der Dickenreduzierungsumfang des dritten Abschnitts (123F) so eingestellt ist, dass ein Massengleichgewicht zwischen der Schubseite und der Schubgegenseite besteht.
Kolben für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der dickenreduzierte Abschnitt eine gekrümmte Oberfläche aufweist, die sanft ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (10), die den Kolben (123) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3 aufweist.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 4, wobei die Brennkraftmaschine (10) ferner einen Kraftstoff-Einspritzmechanismus (120) aufweist, der Kraftstoff in einen Ansaugkrümmer (20) einspritzt.
Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, wobei der Kraftstoff-Einspritzmechanismus, der Kraftstoff in den Zylinder (112) einspritzt, eine Direkt-Einspritzeinrichtung (110) ist, und der Kraftstoff-Einspritzmechanismus, der Kraftstoff in den Ansaugkrümmer (20) einspritzt, eine Ansaugkrümmer-Einspritzeinrichtung (120) ist.