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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit homogener
Kompressionszündung (HCCI-Maschine). In der HCCI-Maschine
der vorliegenden Erfindung kann die Verbrennungsbetriebsart zwischen
einer homogenen Kompressionszündungsverbrennung (HCCI-Verbrennung)
und einer Funkenzündungsverbrennung (SI-Verbrennung) umgeschaltet
werden.
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In
jüngsten Jahren haben Maschinen mit homogener Kompressionszündung
(HCCI) Aufmerksamkeit auf sich gezogen und verschiedene Forschungen
wurden an solchen Maschinen ausgeführt. Exzellente Kraftstoffökonomie
und thermische Effizienz und niedrige Emissionen können
mit den HCCI-Maschinen erzielt werden. In einigen Arten von HCCI-Maschinen
wird Kraftstoff direkt in eine Brennkammer während eines
Ansaugaktes eingespritzt. Das heißt, es wird nur Luft in
die Brennkammer von einem Einlassdurchgang angesaugt und Kraftstoff wird
zum ersten Mal in der Brennkammer mit Luft vermischt. Jedoch wird
in den meisten HCCI-Maschinen der Kraftstoff an dem Einlassdurchgang
mit Luft vermischt, um so ein Luftkraftstoffgemisch zu erzeugen. Das
Luftkraftstoffgemisch wird von dem Einlassdurchgang zu der Brennkammer
zugeführt.
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Die
Temperatur erhöht sich und der Druck steigt in dem Luftkraftstoffgemisch,
das in der Brennkammer enthalten ist, indem ein Kolben zu der Zeit des
Kompressionshubes bzw. Verdichtungshubes der Maschine ansteigt,
so dass das Gemisch spontan zündet. Ein Hindernis, das
hinsichtlich eines Realisierens von HCCI-Maschinen überwunden
werden muss, ist, dass der Maschinenbetriebsbereich, der einer Verbrennung
mit homogener Kompressionszündung (HCCI) erlaubt, stabil
gesteuert zu werden, noch immer eng bzw. begrenzt ist. Um das Hindernis zu überwinden,
gibt es eine Tendenz, die HCCI-Verbrennung in stationäre
Maschinen zu implementieren, bei denen der gewöhnlicherweise
verwendete Betriebsbereich relativ eng ist, zum Beispiel Gasmaschinen
für Gaswärmepumpen (GHPs).
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In
einem tatsächlichen Betrieb der HCCI-Maschinen werden ein
niedriger Maschinendrehzahlbereich, ein mittlerer Drehzahlbereich,
ein niedriger Lastbereich und ein mittlerer Lastbereich häufig
verwendet. Es wurde vorgeschlagen, dass die Verbrennungsbetriebsart
zwischen dem HCCI-Verbrennungsbereich und dem Funkenzündungsverbrennungsbereich
(SI) entsprechend dem Laufzustand der Maschine umzuschalten. Die
Funkenzündungsverbrennung (SI) wird in dem hohen Drehzahlbereich,
dem extrem niedrigen Lastbereich und dem hohen Lastbereich ausgeführt.
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JP-A 2007-16685 offenbart
ein Steuerverfahren, in dem dann, wenn von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI- Verbrennung umgeschaltet wird, die interne AGR-Menge
zu derselben Zeit erhöht wird, in der das Luftkraftstoffverhältnis
magerer gemacht wird. Wenn von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, wird die Einlassluftmenge
zu der Maschine hin erhöht, wenn die Verbrennungsart bzw.
Verbrennungsbetriebsart noch immer in der Funkenzündungsverbrennung
ist, wobei das Luftkraftstoffverhältnis magerer gemacht
wird. Zu derselben Zeit, zu der das Luftkraftstoffverhältnis
magerer gemacht wird, wird die interne AGR-Menge erhöht.
Danach wird die Funkenzündungsverbrennung über
die Schichtladungsverbrennung zu der HCCI-Verbrennung hin umgeschaltet.
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Gemäß dem
Steuerverfahren der vorangehenden Publikation wird das interne AGR-Gas
erzeugt, wenn die Verbrennungsart noch immer in der Funkenzündungsverbrennung
ist, das heißt, wenn die HCCI-Verbrennung noch immer schwierig
auszuführen ist. Da das interne AGR-Gas eine hohe Temperatur
hat, könnten die Funkenzündungsverbrennung und
die HCCI-Verbrennung simultan ausgeführt werden. Dies kann
zu einer signifikanten Drehmomentschwankung führen.
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Ferner
wird in dem Steuerungsverfahren der Publikation die Schichtladeverbrennung
zeitweilig durchgeführt, wenn von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird. Die Schichtladeverbrennung
ist wirksam in einem Erhöhen des Drosselöffnungsgrades
in einem Zustand, in dem das Luftkraftstoffverhältnis magerer gemacht
wurde, um die Zündfähigkeit der Funkenzündungsverbrennung
zu verbessern. Jedoch benötigt die Schichtladeverbrennung
einen „In-Zylinder-Injektor", der Kraftstoff direkt in
die Brennkammer einspritzt. Das heißt, ein In-Zylinder-Direkteinspritzungssystem
ist notwendig, das einen In-Zylinder-Injektor umfasst, der bei hohem
Druck Kraftstoff einspritzt. Die vorangehende Publikation hat daher Nachteile
bezüglich der Herstellungskosten und der Leistungsminderung.
Ferner eliminiert die übergangsweise Ausführung
der Schichtladeverbrennung einige der Vorteile der HCCI-Verbrennung,
nämlich die Verbesserung der Kraftstoffökonomie
und der Emissionsreduktion.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Auftreten von abrupten Änderungen
in dem Drehmoment der HCCI-Maschine nieder zu halten, wenn die Verbrennungsart
von der Funkenzündungsverbrennung zu der HCCI-Verbrennung
umgeschaltet wird.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Maschine mit
homogener Kompressionszündung (HCCI) vorgesehen. Die HCCI-Maschine
ist in der Lage, die Verbrennungsart zwischen der HCCI-Verbrennung
und der Funkenzündungsverbrennung umzuschalten. Die HCCI-Maschine
hat eine Brennkammer und einen Kolben, der sich in der Brennkammer
hin- und her bewegt. Der Kolben definiert einen oberen Totpunkt
der Brennkammer. Die HCCI-Maschine hat ein Einlassventil und ein
Auslassventil. Ein variabler Einlassventilmechanismus ändert
einen Einlasshubbetrag, der ein Hubbetrag des Einlassventiles ist.
Der Einlasshubbetrag ist auf einen ersten Einlasshubbetrag in der
Funkenzündungsverbrennung und auf einen zweiten Einlasshubbetrag
in der HCCI-Verbrennung eingestellt. Der variable Einlassventilmechanismus ist
in der Lage, eine Einlassöffnungszeit zu steuern, die die Öffnungszeit
des Einlassventils ist. Ein variabler Auslassventilmechanismus ändert
den Auslasshubbetrag, der ein Hubbetrag des Auslassventils ist. Der
Auslasshubbetrag ist auf einen ersten Auslasshubbetrag in der Funkenzündungsverbrennung
und auf einen zweiten Auslasshubbetrag in der HCCI-Verbrennung eingestellt.
Der variable Auslassventilmechanismus ist in der Lage, eine Auslassschließzeit
zu steuern, die die Schließzeit des Auslassventils ist.
Eine Referenzauslassschließzeit, die in der HCCI-Verbrennung
zu verwenden ist, ist eingestellt. Ein Steuergerät steuert
den variablen Einlassventilmechanismus und den variablen Auslassventilmechanismus.
Das Steuergerät stellt eine interne AGR-Menge ein, die
den Betrag von verbranntem Gas umfasst, der in der Brennkammer zu
der Zeit der HCCI-Verbrennung verbleibt, durch ein Einstellen eines
negativen Ventilüberlappungszeitraums, während
dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil geschlossen
ist, so dass nicht das gesamte verbrannte Gas von der Brennkammer
abgegeben wird. Wenn die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, führt das Steuergerät
folgende Vorgänge a), b) und c) aus:
- a)
Umschalten des Einlasshubbetrags von dem ersten Einlasshubbetrag
zu dem zweiten Einlasshubbetrag, so dass die Einlassöffnungszeit
relativ zu dem oberen Totpunkt verzögert ist;
- b) Umschalten des Auslasshubbetrags von einem ersten Auslasshubbetrag
zu einem zweiten Auslasshubbetrag nach dem Vorgang a); und
- c) Verzögern der Auslassschließzeit relativ
zu der Referenzauslassschließzeit, so dass die interne AGR-Menge
erzeugt wird.
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Andere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
in Verbindung mit den angeführten Zeichnungen ersichtlich, welche
beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung, welche als neu angenommen werden,
sind in den angefügten Ansprüchen mit Genauigkeit
dargelegt. Die Erfindung, zusammen mit Aufgaben und Vorteilen daraus,
kann durch Bezug auf die folgende Beschreibung der derzeit bevorzugten
Ausführungsformen zusammen mit den angeführten
Zeichnungen bestens verstanden werden, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm einer HCCI-Maschine gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Graph ist, der eine Beziehung zwischen einer Maschinenlast und einer
Maschinengeschwindigkeit bzw. Maschinendrehzahl zeigt und der einen
Betriebsbereich der HCCI-Maschine von 1 in der
HCCI-Verbrennung und der Funkenzündungsverbrennung zeigt;
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3 ein
Zeitdiagramm ist, das (a) einen maximalen Einlasshubbetrag, (b)
einen Drosselöffnungsgrad, (c) eine Kraftstoffzufuhrmenge,
(d) einen maximalen Auslasshubbetrag, (e) eine interne AGR-Gasmenge
und (f) eine Drehmomentschwankung zeigt, wenn die Verbrennungsart
der HCCI-Maschine von 1 von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird;
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4A ein
Zeitdiagramm ist, das einen Einlasshubbetrag und einen Auslasshubbetrag
in der Funkenzündungsverbrennung an einem Zeitpunkt t0 in 3 zeigt;
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4B ein
Zeitdiagramm ist, das einen Zustand zeigt, in dem der Einlasshubbetrag
von dem in 4A gezeigten Zustand an einem
Zeitpunkt t1 verringert wird;
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5A ein
Zeitdiagramm ist, das einen Zustand zeigt, in dem der Auslasshubbetrag
von dem in 4B gezeigten Zustand an einem
Zeitpunkt t3 verringert wird;
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5B ein
Zeitdiagramm ist, das die HCCI-Verbrennung an einem Zeitpunkt t4
zeigt, in dem die Auslassschließzeit ETcls von dem in 5A gezeigten
Zustand vorversetzt wurde;
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6 ein
Graph ist, der den In-Zylinder-Druck P gemäß einem
zweiten Vergleichsbeispiel zeigt; und
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7 ein
Graph ist, der den indizierten mittleren Druck IMEP (indicated mean
effective pressure) des Beispiels (durchgezogene Linie, ausgefüllte Kreise),
des ersten Vergleichsbeispiels (gepunktete Linie, Dreiecke) und
des zweiten Vergleichsbeispiels (Linie mit abwechselnd langen und
kurzen Strichen, ausgefüllte Rauten) zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 bis 7 zeigen
eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt
eine HCCI-Maschine 1 nach einer Ausführungsform.
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Wie
in 1 gezeigt ist, hat die HCCI-Maschine 1 eine
Brennkammer 10, einen Einlassdurchgang 11p, ein
Einlassventil 11v, ein Auslassventil 12v, einen
Auslassdurchgang 12p und einen Kolben 20. Der
Einlassdurchgang 11p ist mit der Brennkammer 10 verbunden.
Der Betriebszustand der HCCI-Maschine 1 wird zwischen einer
HCCI-Verbrennung und einer Funkenzündungsverbrennung gemäß dem
Betriebszustand, wie zum Beispiel eine Maschinenlast und die Anzahl
der Umdrehungen der Maschine, umgeschaltet. Eine ECU (Elektronische Steuereinheit) 5 ist
ein Steuergerät, das den Betriebszustand der HCCI-Maschine 1 umschaltet. Folglich
wird je nach Bedarf die Verbrennungsart zwischen der HCCI-Verbrennung,
die einen Kraftstoffverbrauch verringert, und der Funkenzündungsverbrennung
umgeschaltet, die eine Ausgangsleistung erhöht.
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Ein
Mischabschnitt 4 ist an dem Einlassdurchgang 11p vorgesehen.
Kraftstoff wird von einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) durch eine
Kraftstoffzufuhrbahn 2p zu dem Mischabschnitt 4 zugeführt,
so dass Luft und der Kraftstoff in dem Mischabschnitt 4 vermischt
werden. Benzin oder ein Gaskraftstoff, wie zum Beispiel Stadtgas
oder LPG bzw. Autogas, kann als der Kraftstoff verwendet werden.
Der Mischabschnitt 4 ist ein Vergaser. Falls das Gas als der
Kraftstoff verwendet wird, kann der Mischabschnitt 4 ein
Mixer sein.
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Eine
Drossel 3 ist an dem Einlassdurchgang 11p zwischen
dem Mischabschnitt 4 und der Brennkammer 10 vorgesehen.
Ein Kraftstoffventil 2v ist an der Kraftstoffzufuhrbahn 2p vorgesehen.
Das Kraftstoffventil 2v funktioniert als eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung.
Die ECU 5 steuert Vorgänge des Kraftstoffventils 2v,
der Drossel 3, des Einlassventils 11v, einer Zündkerze 60c und
des Auslassventils 12v. Die Zündkerze 60c ist
ein Zündabschnitt, der zu der Zeit der Funkenzündungsverbrennung
verwendet wird. Die Zündkerze 60c kann verwendet
werden, wenn die Verbrennungsart von der HCCI-Verbrennung zu der
Funkenzündungsverbrennung umgeschaltet wird, um die Verbrennung
zu stabilisieren. Die ECU 5 steuert das Kraftstoffventil 2v,
die Drossel 3, das Einlassventil 11v, die Zündkerze 60c und
das Auslassventil 12v durch jeweilige Steuerkabel 5a bis 5e.
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Die
ECU 5 steuert einen Öffnungsgrad des Kraftstoffventils 2v,
um so die Kraftstoffzufuhrmenge F zu dem Einlassdurchgang 11p zu
steuern.
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Die
Drossel 3 hat eine Welle 3c, einen Flügel bzw.
Luftleitblech 3v und einen Schrittmotor (nicht gezeigt).
Der Flügel 3v wird um die Welle 3c herumgedreht.
Die ECU 5 steuert den Schrittmotor, um den Öffnungsgrad
des Flügels 3v zu steuern, das heißt, den
Drosselöffnungsgrad TA. Folglich wird die Einlass- bzw.
Ansaugzufuhrmenge zu der Brennkammer 10 von dem Einlassdurchgang 11p gesteuert.
In der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich die Einlassluft
bzw. Ansaugluft zu der Brennkammer 10 auf ein Luftkraftstoffgemisch,
das in dem Mischabschnitt 4 erzeugt wird.
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Die
ECU 5 steuert einen variablen Einlassventilmechanismus 11a und
einen variablen Auslassventilmechanismus 12a. Der variable
Einlassventilmechanismus 11a und der variable Auslassventilmechanismus 12a sind
variable Ventilmechanismen, die eine Ventileigenschaft bzw. Ventilcharakteristik ändern,
wie zum Beispiel den Hubbetrag und die Ventilöffnungs-/Schließzeit
des Einlassventils 11v und des Auslassventils 12v gemäß den
Betriebszuständen der HCCI-Maschine 1.
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Der
variable Einlassventilmechanismus 11a steuert den Hubbetrag
und die Öffnungs-/Schließzeit des Einlassventils 11v über
den Einlassnocken 11c. In dieser Ausführungsform
repräsentiert der Hubbetrag des Einlassbetriebs 11v eine
Einlassventilcharakteristik bzw. Einlassventilkennlinie. Ein maximaler Einlasshubbetrag
IL repräsentiert den Hubbetrag des Einlassventils 11v.
Ein Einlassöffnungszeitpunkt ITopn repräsentiert
den Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 11v.
Der Einlassöffnungszeitpunkt ITopn zum Ausführen
der HCCI-Verbrennung wird als ein Referenzeinlassöffnungszeitpunkt
ITopn0 referenziert. Das heißt, der Referenzeinlassöffnungszeitpunkt ITopn0
repräsentiert einen Einlassöffnungszeitpunkt ITopn,
der der Maschinenlast und der Maschinendrehzahl in der HCCI-Verbrennung
entspricht.
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Der
variable Auslassventilmechanismus 12a steuert den Hubbetrag
und die Öffnungs-/Schließzeit des Auslassventils 12v über
den Auslassnocken 12c. In dieser Ausführungsform
repräsentiert der Hubbetrag des Auslassventils 12v eine
Auslassventilkennlinie. Ein maximaler Auslasshubbetrag EL repräsentiert
den maximalen Hubbetrag des Auslassventils 12v. Ein Auslassschließzeitpunkt
ETcls repräsentiert die Schließzeitpunkt des Auslassventils 12v.
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Der
Auslassschließzeitpunkt ETcls zum Ausführen der
HCCI-Verbrennung wird als ein Referenzauslassschließzeitpunkt
ETcls0 referenziert. Das heißt, der Referenzauslassschließzeitpunkt
ETcls0 repräsentiert einen Auslassschließzeitpunkt
ETcls, der der Maschinenlast und der Maschinendrehzahl in der HCCI-Verbrennung
entspricht.
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Wie
in den
JP-A 05-106411 und
JP-A 10-018826 offenbart
ist, wird der Einlassnocken
11c zwischen einem Einlassnocken
mit niedrigem Hub und einem Einlassnocken mit hohem Hub umgeschaltet.
Die ECU
5 verwendet den Einlassnocken mit hohem Hub, wenn
der erste Einlasshubbetrag IL1 eingestellt ist, und verwendet den
Einlassnocken mit niedrigem Hub, wenn der zweite Einlasshubbetrag IL2
eingestellt ist. Der maximale Einlasshubbetrag ist auf den ersten
Einlasshubbetrag IL1 in der Funkenzündungsverbrennung eingestellt
und ist auf den zweiten Einlasshubbetrag IL2 in der HCCI-Verbrennung
eingestellt. Der erste Einlasshubbetrag IL1 ist größer
als der zweite Einlasshubbetrag IL2. Die ECU
5 schaltet
den Einlassnocken
11c zwischen dem Einlassnocken mit niedrigem
Hub und dem Einlassnocken mit hohem Hub gemäß den
Betriebsbedingungen bzw. Betriebszuständen der HCCI-Maschine
1 um.
Folglich wird der Einlasshubbetrag IL verändert.
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Ähnlich
wird der Auslassnocken 12c zwischen einem Auslassnocken
mit niedrigem Hub und einem Auslassnocken mit hohem Hub umgeschaltet. Die
ECU 5 verwendet den Auslassnocken mit hohem Hub, wenn der
erste Auslasshubbetrag EL1 eingestellt ist, und verwendet den Auslassnocken
mit niedrigem Hub, wenn der zweite Auslasshubbetrag EL2 eingestellt
ist. Der Auslasshubbetrag ist auf den ersten Auslasshubbetrag EL1
in der Funkenzündungsverbrennung eingestellt und ist auf
den zweiten Auslasshubbetrag EL2 in der HCCI-Verbrennung eingestellt.
Der erste Auslasshubbetrag EL1 ist größer als der
zweite Auslasshubbetrag EL2.
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Der
Einlassnocken 11c ist an einer Einlassnockenwelle (nicht
gezeigt) vorgesehen. Leistung, die in der Brennkammer 10 erzeugt
wird, wird über eine Kurbelwelle der HCCI-Maschine 1 an
die Einlassnockenwelle übertragen, um so den Einlassnocken 11c zu
drehen. Ein Einlassnockenzahnrad ist an einem Endabschnitt der Einlassnockenwelle
(nicht gezeigt) vorgesehen. Das Einlassnockenzahnrad überträgt
eine Antriebskraft der Kurbelwelle an die Einlassnockenwelle. Die
ECU 5 steuert eine Phasendifferenz zwischen dem Einlassnockenzahnrad
und der Einlassnockenwelle gemäß dem bekannten
Verfahren. In ähnlicher Weise ist der Auslassnocken 12c an
der Auslassnockenwelle (nicht gezeigt) vorgesehen. Leistung, die
in der Brennkammer 10 erzeugt wird, wird an die Auslassnockenwelle übertragen,
um so den Auslassnocken 12c zu drehen. Ein Auslassnockenzahnrad
ist an einem Endabschnitt der Auslassnockenwelle (nicht gezeigt)
vorgesehen. Das Auslassnockenzahnrad überträgt
eine Antriebskraft der Kurbelwelle an die Auslassnockenwelle. Die
ECU 5 steuert eine Phasendifferenz zwischen dem Auslassnockenzahnrad
und der Auslassnockenwelle gemäß dem bekannten
Verfahren.
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Die
ECU 5 steuert den variablen Einlassventilmechanismus 11a und
den variablen Auslassmechanismus 12a, um so eine negative
Ventilüberlappungszeitdauer zur Zeit der HCCI-Verbrennung
vorzusehen. Folglich wird ein internes AGR-Gas erzeugt und die HCCI-Verbrennung
wird ausgeführt. Der negative Ventilüberlappungszeitraum
ist ein Zeitraum, während dessen sowohl das Auslassventil 12v als auch
das Einlassventil 11v geschlossen sind, wenn sich der Kolben
in der Nähe des oberen Totpunktes TDC des Auslasstaktes
befindet. Der obere Totpunkt TDC des Auslasstaktes ist ein oberer
Totpunkt, wenn ein Auslasstakt einer Maschine endet.
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Während
der HCCI-Verbrennung stellt die ECU 5 den Auslassschließzeitpunkt
ETcls ein, um relativ zu dem oberen Totpunkt TDC des Auslasstaktes vorversetzt
zu werden. Da ein Teil von verbranntem Gas in der Brennkammer 10 verbleibt,
wird das interne AGR-Gas erzeugt. Die interne AGR-Menge Qegr repräsentiert
die Summe des verbrannten Gases, das in der Brennkammer 10 verbleibt,
ohne von dieser abgegeben zu werden, und des verbrannten Gases,
das zeitweilig von der Brennkammer 10 abgegeben wurde,
und dann von dem Auslassdurchgang 12p durch das Auslassventil 12v zu
der Brennkammer 10 zurückgekehrt ist, wenn das
Auslassventil 12v anschließend geöffnet
wird. Das heißt, die interne AGR-Menge Qegr umfasst die
Menge von verbranntem Gas, das in der Brennkammer 10 bis
zu dem nächsten Verbrennungszyklus verbleibt. Das interne
AGR-Gas wird bis zu dem nächsten Verbrennungszyklus in
der Brennkammer 10 übertragen. Das interne AGR-Gas
mit einer hohen Temperatur wird mit einem Luftkraftstoffgemisch
vermischt, welches erneut zu der Brennkammer 10 zugeführt
wird. Dies erhöht die Temperatur in der Brennkammer 10. Deshalb
wird die Zündfähigkeit des Luftkraftstoffgemisches
zu der Zeit einer HCCI-Verbrennung verbessert. Die ECU 5 steuert
eine Länge des negativen Ventilüberlappungszeitraums,
um so den Zündzeitpunkt der HCCI-Verbrennung in gewissem
Maße zu steuern. Die Temperatur der Brennkammer 10 repräsentiert
die In-Zylinder-Temperatur der HCCI-Maschine 1.
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2 zeigt
den Betriebsbereich von jeweils der HCCI-Verbrennung und der Funkenzündungsverbrennung
der HCCI-Maschine 1. Der Graph, der in 2 gezeigt
ist, hat eine vertikale Achse, die die Maschinenlast repräsentiert,
und eine horizontale Achse, die die Maschinendrehzahl repräsentiert.
Der Funkenzündungsverbrennungsbereich umgibt den HCCI-Verbrennungsbereich.
Die Pfeile, die in 2 gezeigt sind, repräsentieren
verschiedene Umschaltmuster von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung.
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Die
Umschaltformen bzw. -muster, die in 3 bis 5B gezeigt
sind, sind Beispiele von verschiedenen Verbrennungsartumschaltformen, welche
in 2 gezeigt sind.
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3 bis 5B zeigen
die Umschaltformen bzw. -muster von der HCCI-Verbrennung zu der Funkenzündungsverbrennung
gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
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Die
vertikale Achse in 3 zeigt:
- (a)
einen maximalen Einlasshubbetrag IL;
- (b) einen Drosselöffnungsgrad TA;
- (c) eine Kraftstoffzufuhrmenge F;
- (d) einen maximalen Auslasshubbetrag EL;
- (e) eine interne AGR-Menge Qegr in der Brennkammer 10;
und
- (f) ein Drehmoment T der HCCI-Maschine.
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Die
horizontale Achse in 3 repräsentiert die
Anzahl von Verbrennungszyklen. 3 zeigt:
- (A) einen stetigen Betriebszeitraum der Funkenzündungsverbrennung
(SI-Verbrennung);
- (B) einen Umschaltzeitraum von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung; und
- (C) einen stetigen Betriebszeitraum der HCCI-Verbrennung.
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Die
ECU 5 steuert den maximalen Einlasshubbetrag IL, den Drosselöffnungsgrad
TA, die Kraftstoffzufuhrmenge F und den Auslasshubbetrag EL, wodurch
die interne AGR-Menge Qegr und das Drehmoment T gesteuert wird.
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4A, 4B, 5A und 5B zeigen den
Einlasshubbetrag und den Auslasshubbetrag, wenn die Verbrennungsart
von der Funkenzündungsverbrennung zu der HCCI-Verbrennung
umgestaltet wird. 4A zeigt einen ersten Einlasshubbetrag und
einen ersten Auslasshubbetrag zu der Zeit des stetigen Betriebs
der Funkenzündungsverbrennung. Das heißt, 4A zeigt
ein Einlassnockenprofil des Einlassventils 11v und ein
Auslassnockenprofil des Auslassventils 12v an einem Zeitpunkt
t0 in 3. 5B zeigt einen zweiten Einlasshubbetrag
und einen zweiten Auslasshubbetrag zu der Zeit des stetigen Betriebs
der HCCI-Verbrennung. Das heißt, 5B zeigt
das Einlassnockenprofil des Einlassventils 11v und das
Auslassnockenprofil des Auslassventils 12v an einem Zeitpunkt
t4 in 3. Die horizontale Achse in 4A bis 5B zeigt
den Kurbelwinkel. Die vertikale Achse in 4A bis 5B zeigt
den Einlasshubbetrag und den Auslasshubbetrag.
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Wie
in 3(b) gezeigt ist, ist der Drosselöffnungsgrad
TA eingestellt, um der erste Drosselöffnungsgrad TA1 an
einem Zeitpunkt t0 zu der Zeit der Funkenzündungsverbrennung
zu sein, und ist eingestellt, um der zweite Drosselöffnungsgrad
TA2 bei einem Zeitpunkt t4 zu der Zeit der HCCI-Verbrennung zu sein.
Der erste Drosselöffnungsgrad TA1 ist kleiner als der zweite
Drosselöffnungsgrad TA2.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite Drosselöffnungsgrad
TA2 eingestellt, um ein vollkommen geöffneter Zustand der
Drosselöffnung 2 zu sein. Eine Druckdifferenz
wird in dem Einlassdurchgang 11p zwischen dem stromaufwärtigen
Abschnitt und dem stromabwärtigen Abschnitt mit Hinblick
auf die Drossel 3 verursacht. Der Einlassunterdruck wird
in dem Einlassdurchgang 11p an dem stromabwärtigen
Abschnitt mit Hinblick auf die Drossel 3 verursacht. Atmosphärendruck
ist in dem stromaufwärtigen Abschnitt des Einlassdurchgangs 11p mit
Hinblick auf das Drosselventil 3. Der zweite Drosselöffnungsgrad
TA2 wird vorzugsweise eingestellt, um ein vollständig geöffneter
Zustand der Drossel 3 zu sein, um so einen Pumpverlust durch
ein Einstellen des Einlassunterdrucks näher an den Atmosphärendruck
zu verringern. Der erste Drosselöffnungsgrad TA1 ist ein
Drosselöffnungsgrad, der für die Funkenzündungsverbrennung
notwendig ist, was von dem Betriebsbereich der HCCI-Maschine 1 abhängt.
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Wie
in 3(c) gezeigt ist, ist die Kraftstoffzufuhrmenge
F eingestellt, um eine erste Kraftstoffzufuhrmenge F1 bei einem
Zeitpunkt t0 zu der Zeit der Funkenzündungsverbrennung
zu sein, und ist eingestellt, um eine zweite Kraftstoffzufuhrmenge
F2 bei einem Zeitpunkt t4 zu der Zeit der HCCI-Verbrennung zu sein.
Die erste Kraftstoffzufuhrmenge F1 ist größer
als die zweite Kraftstoffzufuhrmenge F2. Die zweite Kraftstoffzufuhrmenge
F2 ist auf einen Betrag eingestellt, der für die HCCI-Verbrennung
in Abhängigkeit von dem Betriebsbereich der HCCI-Maschine 1 notwendig
ist.
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Wie
in 3(e) gezeigt ist, ist die interne AGR-Menge
Qegr auf Null bei einem Zeitpunkt t0 in der Funkenzündungsverbrennung
eingestellt, und ist auf die interne Referenz-AGR-Menge Qegr0 bei
einem Zeitpunkt t4 in der HCCI-Verbrennung eingestellt. Die interne
Referenz-AGR-Menge Qegr0 ist eine interne AGR-Menge, die für
die HCCI-Verbrennung in Abhängigkeit von dem Betriebsbereich
der HCCI-Maschine 1 notwendig ist.
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Durchgezogene
Linien in 4A repräsentieren den
ersten Einlasshubbetrag IL1 und den ersten Auslasshubbetrag EL1.
Strichlinien in 4A zeigen den zweiten Einlasshubbetrag
IL2 und den zweiten Auslasshubbetrag EL2. Das heißt, die
Strichlinien repräsentieren Vergleichsbeispiele in 4A bis 5B.
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Wie
in 3(a) gezeigt ist, schaltet die
ECU 5 den maximalen Einlasshubbetrag IL von dem ersten
Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 bei einem
Zeitpunkt t1 um. 4B zeigt einen Zustand unmittelbar
nachdem das Einlassventil 11v umgeschaltet ist oder unmittelbar
nach einem Zeitpunkt t1. Mit anderen Worten zeigt 4B einen
Zustand unmittelbar nachdem der maximale Einlasshubbetrag IL von
dem ersten Einlasshubbetrag IL1, der durch die Strichlinie repräsentiert
wird, zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet ist, der
durch die durchgezogene Linie repräsentiert wird. Der variable
Einlassventilmechanismus 11a schaltet den Einlassnocken 11c von
dem Einlassnocken mit geringem Hub zu dem Einlassnocken mit hohem
Hub um, um so den maximalen Einlasshubbetrag IL umzuschalten. Deshalb
ist der maximale Einlasshubbetrag IL verringert und die Ventildauer des
Einlassventils ist verringert. Eine Verringerung der Ventildauer
des Einlassventils ändert die Einlassventilöffnungs-/Schließzeit.
Mit anderen Worten ist der Einlassöffnungszeitpunkt ITopn
verzögert. Die ECU 5 schaltet den maximalen Einlasshubbetrag
IL von dem ersten Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag
IL2 um, so dass der Einlassöffnungszeitpunkt ITopn relativ
zu dem oberen Totpunkt TDC des Auslasstakts verzögert ist.
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Wie
in 3(d) gezeigt ist, schaltet die
ECU 5 den maximalen Auslasshubbetrag EL von dem ersten
Auslasshubbetrag EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 bei einem
Zeitpunkt t3 um. Das heißt, vor einem Umschalten von dem
ersten Auslasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag IL2
bei einem Zeitpunkt t3 schaltet die ECU 5 von dem ersten
Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 bei einem
Zeitpunkt t1 um.
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In
der vorliegenden Ausführungsform stellt die ECU 5 den
Einlassöffnungszeitpunkt ITopn auf dem Referenzeinlassöffnungszeitpunkt
ITopn0 bei einem Zeitpunkt t1 ein. Das heißt, der Einlassöffnungszeitpunkt
ITopn wird, unmittelbar nachdem der ersten Einlasshubbetrag IL1
zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet ist, auf den Referenzeinlassöffnungszeitpunkt
ITopn0 eingestellt.
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Wie
in 4B gezeigt ist, verzögert die ECU 5 den
Einlassöffnungszeitpunkt ITopn relativ zu dem oberen Totpunkt
TDC des Auslasshubes, wenn von dem ersten Einlasshubbetrag IL1 zu
dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet wird. Folglich wird
ein Einlass gestartet, während das Innere der Brennkammer 10 unter
einem Unterdruck steht. Dies veranlasst die Einlassluft, sich rasch
in die Brennkammer 10 zu bewegen. Entsprechend wird der
adiabatische Kompressionseffekt der Brennkammer 10 erhöht,
so dass die Temperatur der Brennkammer 10 effektiv erhöht
wird. Die Verzögerung des Einlassöffnungszeitpunktes
ITopn relativ zu dem oberen Totpunkt TDC des Auslasshubes wird als
ein verzögertes Öffnen des Einlassventils 11v referenziert.
Die HCCI-Verbrennung wird demnach in einer verlässlichen
Art und Weise ausgeführt, und eine Funkenzündung
durch die Zündkerze 60c ist nicht länger
notwendig. Die ECU 5 stoppt die Funkenzündung
durch die Zündkerze 60c zu derselben Zeit, wenn
von dem ersten Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag
IL2 umgeschaltet wird. Das heißt, die ECU 5 schaltet
die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung zu
der HCCI-Verbrennung zu derselben Zeit eines Umschaltens des Einlassventils 11v um.
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Der
adiabatische Kompressionseffekt aufgrund der Verzögerung
des Einlassöffnungszeitpunktes ITopn relativ zu dem oberen
Totpunkt TDC des Auslasshubes ermöglicht die HCCI-Verbrennung. Die
ECU 5 startet demzufolge ein Erzeugen der internen AGR-Menge
Qegr in der HCCI-Verbrennung. Folglich wird die ECU 5 abgehalten,
ein Erzeugen der internen AGR-Menge Qegr in einem Zustand zu starten,
in dem zum Beispiel die HCCI-Verbrennung schwierig ist. Das heißt,
die ECU 5 ist in der Lage, das Auftreten eines Zustands
zu verhindern, in dem die Funkenzündungsverbrennung und
die HCCI-Verbrennung simultan ausgeführt werden. Deshalb
wird, wie durch die durchgezogene Linie in 3(f) gezeigt
ist, das Drehmoment T der HCCI-Maschine 1 davon abgehalten,
sich abrupt zu ändern.
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Die
Strichlinie in 3(f) repräsentiert
eine Drehmomentkurve eines ersten Vergleichsbeispiels. Das erste
Vergleichsbeispiel bezieht sich auf einen Fall, in dem ein Umschalten
von dem ersten Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag
IL2 und ein Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag EL1 zu dem
zweiten Auslasshubbetrag EL2 simultan durchgeführt werden.
Das heißt, in dem ersten Vergleichsbeispiel, wenn von der
Funkenzündungsverbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet
wird, beginnt die interne AGR-Menge zu derselben Zeit erzeugt zu
werden, wie von dem ersten Auslasshubbetrag EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag
EL2 umgeschaltet wird. Das heißt, in dem ersten Vergleichsbeispiel
wird die interne AGR-Menge Qegr bei dem ersten Drosselöffnungsgrad
TA1 erzeugt. In dem ersten Vergleichsbeispiel wird das Drehmoment
abrupt geändert, da die Einlassluftmenge im Vergleich zu
der internen AGR-Menge Qegr klein ist. Das heißt, in dem
ersten Vergleichsbeispiel ist das Drehmoment T zeitweilig und signifikant
verringert, wie durch die Strichlinie in 3(f) gezeigt ist.
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Während
des Zeitraums von Zeitpunkt t2 zu Zeitpunkt t4 erhöht die
ECU 5 den Drosselöffnungsgrad von dem ersten Drosselöffnungsgrad
TA1 zu dem zweiten Drosselöffnungsgrad TA2, wie in 3(b) gezeigt ist, und verringert simultan
die Kraftstoffzufuhrmenge F von der ersten Kraftstoffzufuhrmenge
F1 zu der zweiten Kraftstoffzufuhrmenge F2, wie in 3(c) gezeigt
ist.
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Das
heißt, die ECU 5 schaltet an einem Zeitpunkt t1
von dem ersten Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag
IL2, wodurch die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung zu
der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird. Danach, an und nach einem
Zeitpunkt t2 steuert die ECU 5 den Drosselöffnungsgrad
TA und die Kraftstoffzufuhrmenge F. An einem Zeitpunkt t3 schaltet die
ECU 5 von dem ersten Auslasshubbetrag EL1 zu dem zweiten
Auslasshubbetrag EL2, so dass der Auslassschließzeitpunkt
ETcls relativ zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0
verzögert ist. Folglich ist eine negative Überlappung
geschaffen.
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6 zeigt
ein zweites Vergleichsbeispiel. In dem zweiten Vergleichsbeispiel
wird der erste Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2
in dem Verbrennungszyklus an dem Zeitpunkt t1 umgeschaltet. In dem
nächsten Verbrennungszyklus wird der Auslassschließzeitpunkt
ETcls zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0 umgeschaltet. Die
vertikale Achse von 6 repräsentiert den
Zylinderinnendruck bzw. In-Zylinder-Druck P oder den Druck in der
Verbrennungskammer bzw. Brennkammer, wenn solch eine negative Überlappung
geschaffen ist. Die horizontale Achse von 6 repräsentiert den
Kurbelwinkel. Null Grad des Kurbelwinkels repräsentieren
den oberen Totpunkt TDC des Auslasstaktes. In dem zweiten Vergleichsbeispiel
kann eine vorzeitige Zündung auftreten.
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6 zeigt
den Zylinderinnendruck bzw. In-Zylinder-Druck P in jeweils einem
letzten Funkenzündungsverbrennungszyklus, einem ersten
HCCI-Zyklus, einem zweiten HCCI-Zyklus, einem dritten HCCI-Zyklus
und einem vierten HCCI-Zyklus. Der letzte Funkenzündungsverbrennungszyklus
bezieht sich auf den letzten Verbrennungszyklus der Funkenzündung,
wenn die Funkenzündungsverbrennung zu der HCCI-Verbrennung
umgeschaltet wird. Der erste HCCI-Zyklus bezieht sich auf einen
Verbrennungszyklus, welcher auf den letzten Funkenzündungsverbrennungszyklus
folgt. Das heißt, der erste HCCI-Zyklus bezieht sich auf
den ersten Verbrennungszyklus der HCCI-Verbrennung, nachdem der
erste Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet
ist. Der zweite HCCI-Zyklus bezieht sich auf einen Verbrennungszyklus,
der auf den ersten HCCI-Verbrennungszyklus folgt. In dem zweiten Vergleichsbeispiel
wird der Auslassschließzeitpunkt ETcls während
des zweiten HCCI-Zyklus zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt
ETcls0 umgeschaltet. Das heißt, die interne Referenz-AGR-Menge
Qegr0 ist während des zweiten HCCI-Zyklus eingestellt.
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Wie
in 6 gezeigt ist, steigt der Zylinderinnendruck P
in der Nähe des oberen Totpunktes TDC des Auslasstaktes
in dem zweiten Vergleichsbeispiel kontinuierlich über den
letzten Funkenzündungsverbrennungszyklus, den ersten HCCI-Zyklus,
den zweiten HCCI-Zyklus, den dritten HCCI-Zyklus und den vierten
HCCI-Zyklus. Dem ist so, da der erste bis vierte HCCI-Zyklus ausgeführt
werden, wobei der Drosselöffnungsgrad TA bei dem ersten
Drosselöffnungsgrad TA1 beibehalten wird, wobei die Menge an
Einlassgas unzureichend wird. Dies senkt das Drehmoment. Das heißt,
in dem zweiten Vergleichsbeispiel, das in 6 gezeigt
ist, wird internes AGR-Gas, dessen Temperatur durch den adiabatischen
Kompressionseffekt aufgrund der HCCI-Verbrennung erhöht
wurde, in dem Verbrennungszyklus erzeugt, unmittelbar nachdem der
erste Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet
ist. Dem entsprechend, wie durch einen Bereich AA gezeigt ist, der
durch eine gepunktete Linie in 6 definiert
ist, steigt die Temperatur in der Brennkammer 10 in der
Nähe des oberen Totpunktes TDC des Auslasstaktes in dem
zweiten bis vierten HCCI-Zyklus übermäßig
an. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer vorzeitigen
Zündung und eines Klopfens.
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Um
das in 6 gezeigte Problem zu lösen, schaltet
die ECU 5 der vorliegenden Ausführungsform von
dem ersten Auslasshubbetrag EL1 nach einem Umschalten von dem ersten Einlasshubbetrag IL1
zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 zu dem zweiten Auslasshubbetrag
EL2 um, wodurch der Auslassschließzeitpunkt ETcls relativ
zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0 verzögert
wird. Folglich wird die interne AGR-Menge Qegr in einer verlässlichen
Art und Weise gesteuert. Dem entsprechend wird gemäß der
vorliegenden Ausführungsform die Temperatur in der Brennkammer 10 daran gehindert, übermäßig
erhöht zu werden, unmittelbar nachdem der erste Einlasshubbetrag
IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet ist. Ferner
wird die Kraftstoffzufuhrmenge F daran gehindert, unzureichend zu
werden.
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Während
dem Zeitraum von einem Zeitpunkt t2 zu einem Zeitpunkt t4 erhöht
die ECU 5 den Drosselöffnungsgrad von dem ersten
Drosselöffnungsgrad TA1 zu dem zweiten Drosselöffnungsgrad
TA2, wie in 3(b) gezeigt ist, und
verringert zeitgleich die Kraftstoffzufuhrmenge F von der ersten
Kraftstoffzufuhrmenge F1 zu der zweiten Kraftstoffzufuhrmenge F2,
wie in 3(c) gezeigt ist. Folglich
wird der Kraftstoff in der Brennkammer 10 allmählich
mager. Deshalb, während ein übermäßiger
Temperaturanstieg in der Brennkammer 10 nieder gehalten
wird, wird die Maschine 1 in den stetigen Betrieb der HCCI-Verbrennung
versetzt. Die Drehmomentschwankung in dem Zeitraum, in dem die Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung hin umgeschaltet wird, wird weiter unterdrückt.
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Wie
in 3(d) gezeigt ist, schaltet die
ECU 5 den maximalen Auslasshubbetrag EL von dem ersten
Auslasshubbetrag EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 bei einem
Zeitpunkt t3 um. In der vorliegenden Ausführungsform schaltet
die ECU 5 von dem ersten Auslasshubbetrag EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag
EL2 um, wie in 5A gezeigt ist, so dass der
Auslassschließzeitpunkt ETcls relativ zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt
ETcls0 verzögert ist.
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Folglich
wird eine interne AGR-Menge Qegr in der Brennkammer 10 erzeugt.
Dem entsprechend ist die interne AGR-Menge Qegr, die in der Brennkammer 10 unmittelbar
nach einem Zeitpunkt t3 vorhanden ist, kleiner als die interne Referenz-AGR-Menge
Qegr0. Dies unterdrückt einen übermäßigen
Anstieg der Temperatur in der Brennkammer 10.
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Die
Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen in 5A zeigt
den Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0. Der Referenzauslassschließzeitpunkt
ETcls0 wird relativ zu dem oberen Totpunkt TDC des Auslasstaktes
vorverschoben. Der Auslassschließzeitpunkt ETcls, der zu
dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 korrespondiert, wird relativ zu dem
oberen Totpunkt TDC des Auslasshubes vorverschoben. Deshalb bezieht
sich „Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag EL1 zu
dem zweiten Auslasshubbetrag EL2, so dass der Auslassschließzeitpunkt
ETcls relativ zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0
verzögert ist" auf ein Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag
EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2, so dass der Auslassschließzeitpunkt
ETcls zwischen dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0
und dem oberen Totpunkt TDC des Auslasstaktes ist.
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Während
der Zeitdauer von einem Zeitpunkt t3 zu einem Zeitpunkt t4 versetzt
die ECU 5 den Auslassschließzeitpunkt ETcls zu
dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0 vor, wie durch
einen Pfeil in 5A gezeigt ist. Das heißt,
der Auslassschließzeitpunkt ETcls wird von dem oberen Totpunkt
TDC des Auslasstaktes weg bewegt und näher an den Referenzauslassschließzeitpunkt
ETcls0 gebracht. Deshalb, wie in 3(e) gezeigt
ist, wird die interne AGR-Menge Qegr in Zeitraum von Zeitpunkt t3
zu Zeitpunkt t4 signifikant erhöht.
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In
Verbindung mit einem Vorverstellen des Auslassschließzeitpunkts
ETcls erhöht die ECU 5 den Drosselöffnungsgrad
TA, wie in 3(b) gezeigt ist, und verringert
die Kraftstoffzufuhrmenge F. 5B zeigt
den Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0. Die interne
AGR-Menge Qegr wird allmählich auf die interne Referenz-AGR-Menge
Qegr0 erhöht. Dem entsprechend, während eine Drehmomentschwankung
nieder gehalten wird, kann die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung
der HCCI-Verbrennung hin umgeschaltet werden.
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7 ist
ein Graph, der den indizierten Mitteldruck IMEP (indicated mean
effectiv pressure) der experimentellen Ergebnisse des Beispiels,
des ersten Vergleichsbeispiels und des zweiten Vergleichsbeispiels
zeigt. Der IMEP (indizierter Mitteldruck) ist ein Wert, der durch
ein Mitteln des sich immer ändernden Gasdruckes auf der
Annahme erhält, dass in dem Expansionstakt bzw. Arbeitstakt
der HCCI-Maschine 1 ein konstanter Gasdruck während
des Zeitraums erzeugt wird, in welchem sich der Kolben 20 von
dem oberen Totpunkt TDC zu dem unteren Totpunkt bewegt. Die horizontale
Achse in 7 repräsentiert die
Zahl der Verbrennungszyklen. In 7 ist der
erste HCCI-Zyklus als der nullte Verbrennungszyklus eingestellt.
-
In
7 repräsentiert
die durchgezogene Linie, die durch ein Verbinden der ausgefüllten
Kreise (•) das Beispiel. Die Strichlinie, die durch ein
Verbinden von ausgefüllten Dreiecken
ausgebildet
ist, repräsentiert das erste Vergleichsbeispiel. Die Linie von
abwechselnd langen und kurzen Strichen, die durch ein Verbinden
der gefüllten Rauten (♦) ausgebildet ist, repräsentiert
das zweite Vergleichsbeispiel. Das erste Vergleichsbeispiel bezieht
sich auf einen Fall, in dem in dem ersten HCCI-Zyklus ein Umschalten
von dem ersten Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag
IL2 und ein Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag EL1 zu dem
zweiten Auslasshubbetrag EL2 zeitgleich durchgeführt werden.
Das zweite Vergleichsbeispiel bezieht sich auf einen Fall, in dem
in dem ersten HCCI-Zyklus der erste Einlasshubbetrag IL1 zu dem
zweiten Einlasshubbetrag IL2 umgeschaltet wird und in dem zweiten HCCI-Zyklus
der erste Auslasshubbetrag EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2
umgeschaltet wird, so dass der Auslassschließzeitpunkt
ETcls der Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0 wird.
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Wie
in 7 gezeigt ist, ist der indizierte Mitteldruck
IMEP des Beispiels flach. Jedoch fällt der IMEP des ersten
Vergleichsbeispiels in dem ersten HCCI-Zyklus signifikant ab. Der
IMEP des zweiten Vergleichsbeispiels fällt in dem zweiten
HCCI-Zyklus signifikant ab. Deshalb, verglichen mit dem ersten und
dem zweiten Vergleichsbeispiel unterdrückt die vorige Ausführungsform
nachweislich abrupte Änderungen des Drehmoments.
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Die
vorliegende Ausführungsform hat die folgenden Vorteile:
- (1) Vor einem Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag
EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 schaltet die ECU5 den ersten
Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 an einem
Zeitpunkt t1 um, so dass der Einlassöffnungszeitpunkt ITopn
relativ zu dem oberen Totpunkt TDC des Auslasstaktes verzögert
ist. Deshalb, wenn die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, wird der Einlasshub der HCCI-Maschine 1 mit
dem Zylinderinnendruck P gestartet, der ein Unterdruck ist. Dies
veranlasst die Einlassluft, sich rasch in die Brennkammer 10 zu
bewegen. Entsprechend erlaubt der adiabatische Kompressionseffekt
der Brennkammer 10 der Temperatur der Brennkammer 10,
effizient erhöht zu werden. Folglich wird die HCCI-Verbrennung
in einer verlässlichen Art und Weise durchgeführt.
Ferner
schaltet die ECU 5 bei einem Zeitpunkt t3 den ersten Auslasshubbetrag
EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 um, so dass der Auslassschließzeitpunkt
ETcls relativ zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0
verzögert ist. Deshalb, unmittelbar nachdem der erste Auslasshubbetrag
EL1 zu dem Auslasshubbetrag EL2 umgeschaltet ist, ist die interne
AGR-Menge Qegr in der Brennkammer 10 geringer als die interne Referenz-AGR-Menge
Qegr0. Es ist möglich, das Auftreten eines Zustands, in
dem die Funkenzündungsverbrennung und die HCCI-Verbrennung
simultan bzw. zeitgleich ausgeführt werden, zu verhindern.
Eine abnormale Verbrennung, wie zum Beispiel eine vorzeitige Zündung,
kann deshalb verhindert werden, und abrupte Änderungen
des Drehmoments werden unterdrückt. Die vorliegende Erfindung
erfordert keine Schichtladeverbrennung zwischen der Funkenzündungsverbrennung und
der HCCI-Verbrennung. Dies beseitigt die Notwendigkeit von komplizierten
und kostspieligen Mechanismen, wie zum Beispiel einem In-Zylinder-Einspritzsystem.
Die Vorteile der HCCI-Verbrennung, nämlich die verbesserte
Kraftstoffökonomie und die Emissionsverringerung, werden maximiert.
- (2) Während des Zeitraums von einem Zeitpunkt t1 zu
einem Zeitpunkt t3 steuert die ECU 5 den Drosselöffnungsgrad
TA und die Kraftstoffzufuhrmenge F. Das heißt, die ECU 5 steuert
den Drosselöffnungsgrad TA und die Kraftstoffzufuhrmenge
F während des Zeitraums von einem Umschalten von dem ersten
Einlasshubbetrag IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 bei einem
Zeitpunkt t1 bis zu einem Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag
EL1 zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 bei einem Zeitpunkt t3.
Deshalb,
während des Zeitraums von einem Zeitpunkt t1 zu einem Zeitpunkt
t3 wird die Einlassluftmenge in die Brennkammer 10 durch
ein Steuern des Drosselöffnungsgrades TA gesteuert. Außerdem
wird der Verbrennungszustand der HCCI-Maschine 1 durch
ein Steuern der Kraftstoffzufuhrmenge F gesteuert. Es ist daher
möglich, die Funkenzündungsverbrennung zu der
HCCI-Verbrennung hin zu versetzen, während eine vorzeitige
Zündung und eine unerwartete Funkenlöschung verhindert
werden. Folglich wird eine Drehmomentschwankung in einem Umschaltzeitraum
weiter niedergehalten.
- (3) Während des Zeitraums von einem Zeitpunkt t1 zu
einem Zeitpunkt t3 verringert die ECU 5 die Kraftstoffzufuhrmenge
F, während der Drosselöffnungsgrad TA erhöht
wird. Eine vorzeitige Zündung und ein unerwartetes Funkenlöschen
werden verlässlich verhindert, und eine Drehmomentschwankung
wird weiter nieder gehalten.
- (4) Nach einem Umschalten von dem ersten Auslasshubbetrag EL1
zu dem zweiten Auslasshubbetrag EL2 bei einem Zeitpunkt t3 zieht
die ECU 5 den Auslassschließzeitpunkt ETcls zu
dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0 vor. Es ist
daher möglich, die interne AGR-Menge Qegr allmählich
zu erhöhen. Demzufolge, während eine Drehmomentschwankung
weiter niedergehalten wird, kann die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung hin umgeschaltet werden.
- (5) Der variable Einlassventilmechanismus 11a schaltet
den Einlassnocken 11c von dem Einlassnocken mit hohem Hub
zu dem Einlassnocken mit niedrigem Hub. Der variable Auslassventilmechanismus 12a schaltet
den Auslassnocken 12c von dem Auslassnocken mit hohem Hub
zu dem Auslassnocken mit niedrigem Hub um. Deshalb haben, anders
als komplizierte variable Ventilbetätigungsmechanismen,
wie zum Beispiel elektromagnetische Antriebsarten, der variable
Einlassventilmechanismus 11a und der variable Auslassventilmechanismus 12a jeweils
eine einfache Gestalt.
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Die
bevorzugte Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden.
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Wie
durch die Linie mit abwechselnd langen und kurzen Strichen in 4B gezeigt
ist, kann der Einlassöffnungszeitpunkt ITopn relativ zu
dem Referenzeinlassöffnungszeitpunkt ITopn0 vorversetzt werden,
unmittelbar nach einem Umschalten vor dem ersten Einlasshubbetrag
IL1 zu dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 bei einem Zeitpunkt t1.
Das heißt, während des Zeitraums von einem Zeitpunkt
t1 zu einem Zeitpunkt t3 kann die ECU 5 den Einlassöffnungszeitpunkt
ITopn relativ zu dem Referenzeinlassöffnungszeitpunkt ITopn0
zu derselben Zeit eines Steuerns des Drosselöffnungsgrades
TA und der Kraftstoffzufuhrmenge F vorversetzen. In diesem Fall,
da der Einlassöffnungszeitpunkt ITopn relativ zu dem oberen
Totpunkt TDC des Auslasstaktes verzögert wird, bezieht
sich „Vorversetzen des Einlassöffnungszeitpunktes
ITopn relativ zu dem Referenzeinlassöffnungszeitpunkt ITopn0"
auf ein Versetzen des Einlassöffnungszeitpunktes ITopn
von dem Referenzeinlassöffnungszeitpunkt ITopn0 in Richtung
des oberen Totpunktes TDC des Auslasstaktes.
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Die
ECU 5 bestimmt, ob der Einlassöffnungszeitpunkt
ITopn basierend auf dem Betriebszustand der HCCI-Maschine 1 in
der Funkenzündungsverbrennung vor zu verschieben ist. Das
heißt, falls die Verbrennung in der HCCI-Maschine 1 vorhergesehen
ist, an dem zweiten Einlasshubbetrag IL2 hoch zu werden, wird der
Einlassöffnungszeitpunkt ITopn vor versetzt. Folglich wird
in dem Einlasstakt der HCCI-Maschine 1 die Strömungsrate
der Einlassluft, die von dem Einlassdurchgang 11p in die
Brennkammer 10 strömt, verringert. Der adiabatische
Kompressionseffekt der Verbrennungskammer 10 wird nieder gehalten,
so dass die Temperatur in der Brennkammer 10 nicht übermäßig
erhöht wird. Folglich wird eine vorzeitige Zündung
leicht verhindert. Während dem Zeitraum von einem Zeitpunkt
t3 zu einem Zeitpunkt t4 verzögert die ECU 5 den
Einlassöffnungszeitpunkt ITopn zu dem Referenzeinlasszeitpunkt ITopn0
zu derselben Zeit eines Vorverschiebens des Auslassschließzeitpunkts
ETcls zu dem Referenzauslassschließzeitpunkt ETcls0.
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Die
Einlassventilcharakteristik, wie zum Beispiel der Ventilhubbetrag
und der Ventilöffnungs-/-schließzeitpunkt des
Einlassventils 11v kann durch einen elektromagnetischen
Antriebsmechanismus umgeschaltet werden. Gleichermaßen
kann die Auslassventilcharakteristik, wie zum Beispiel der Ventilhubbetrag
und der Ventilöffnungs-/-schließzeitpunkt des
Auslassventils 12v kann durch einen elektromagnetischen
Antriebsmechanismus umgeschaltet werden.
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Der
zweite Drosselöffnungsgrad TA2 kann kleiner als der vollkommen
geöffnete Zustand der Drossel 3 sein.
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Der
variable Einlassventilmechanismus 11a kann einen Mechanismus
zum Ändern des maximalen Einlasshubbetrags IL und einen
Mechanismus zum Ändern des Ventilöffnungs-/-schließzeitpunkts separat
aufweisen. Gleichermaßen kann der variable Auslassventilmechanismus 12a einen
Mechanismus zum Ändern eines maximalen Auslasshubbetrags
EL und einen Mechanismus zum Ändern des Ventilöffnungs-/-schließzeitpunkts
separat aufweisen.
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Wenn
die Funkenzündungsverbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet
wird, kann die Zündkerze 60c eine Funkenzündung
hilfsweise ausführen, um so die Verbrennung der HCCI-Maschine 1 zu
stabilisieren. Die ECU 5 ist in der Lage, die Funkenzündung
ungeachtet des Betriebs des variablen Einlassventilmechanismus 11a und
des variablen Ventilauslassmechanismus 12a zu steuern.
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Ein
Steuergerät (5) stellt einen negativen Ventilüberlappungszeitraum
ein, während dem sowohl ein Einlassventil (11v)
als auch ein Auslassventil (12v) geschlossen sind, so dass
nicht das gesamte verbrannte Gas von der Brennkammer (10)
abgegeben wird. Wenn die Verbrennungsart von der Funkenzündungsverbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, führt das Steuergerät
(5) folgende Vorgänge a), b) und c) aus:
- a): Umschalten (t1) des Einlasshubbetrags von
einem ersten Einlasshubbetrag (IL1) zu einem zweiten Einlasshubbetrag
(IL2), so dass ein Einlassöffnungszeitpunkt (ITopn) relativ
zu einem oberen Totpunkt (TDC) des Auslasstaktes verzögert
ist;
- b): Umschalten (t3) des Auslasshubbetrages von einem ersten
Auslasshubbetrag (EL1) zu einem zweiten Auslasshubbetrag (EL2) nach
dem Vorgang a); und
- c): Verzögern (t3) des Auslassschließzeitpunkts (ETcls)
relativ zu einem Referenzauslassschließzeitpunkt (ETcls0),
so dass die interne AGR-Menge (Qegr) erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2007-16685
A [0005]
- - JP 05-106411 A [0031]
- - JP 10-018826 A [0031]