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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine mit Kompressionszündung
mit homogener Ladung (HCCI-Maschine). In der HCCI-Maschine der vorliegenden
Erfindung kann die Verbrennungsbetriebsart zwischen einer Verbrennung
mit Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCI-Verbrennung)
und einer fremdgezündeten Verbrennung (SI-Verbrennung)
umgeschaltet werden.
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In
vergangenen Jahren haben Maschinen mit Kompressionszündung
mit homogener Ladung (HCCI) Aufmerksamkeit erregt, und es wurden
verschiedene Forschungsprojekte mit derartigen Maschinen durchgeführt.
Ein herausragender Kraftstoffverbrauch und thermischer Wirkungsgrad
und niedrige Emissionen können von HCCI-Maschinen erhalten
werden. In einigen Arten von HCCI-Maschinen wird Kraftstoff direkt
während eines Einlasstakts in eine Brennkammer eingespritzt.
Es wird nämlich nur Luft aus einem Einlassdurchtritt in
die Brennkammer eingespritzt, und Kraftstoff wird zum ersten Mal
in der Brennkammer mit der Luft vermischt. Jedoch wird in den meisten
HCCI-Maschinen der Kraftstoff in dem Einlassdurchtritt mit Luft
vermischt, um so ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch
wird aus dem Einlassdurchtritt der Brennkammer zugeführt.
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Die
Temperatur steigt und der Druck erhöht sich in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch,
das innerhalb der Brennkammer enthalten ist, wenn ein Kolben zur Zeit
des Verdichtungstakts der Maschine steigt, so dass das Gemisch spontan
zündet. Ein Hindernis, das bei der praktischen Anwendung
von HCCI-Maschinen zu überwinden ist, ist, dass der Maschinenbetriebsbereich,
der ermöglicht, dass eine Verbrennung mit Kompressionszündung
mit homogener Ladung (HCCI) stabil gesteuert wird, noch immer eng ist.
Um dieses Hindernis zu überwinden, besteht eine Bestrebung,
HCCI-Verbrennung in stationären Maschinen zu implementieren,
in denen der gewöhnlicherweise verwendete Betriebsbereich
relativ eng ist, zum Beispiel, Gasmaschinen für GHPs (Gaswärmepumpen).
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In
einem tatsächlichen Betrieb der HCCI-Maschinen werden häufig
Maschinenbereiche mit niedriger Drehzahl, mittlerer Drehzahl niedriger
Last und mittlerer Last verwendet. Es wurde vorgeschlagen, dass
die Verbrennungsbetriebsart zwischen dem HCCI-Verbrennungsbereich
und dem fremdgezündeten (SI) Verbrennungsbereich gemäß dem
Betriebszustand der Maschine umgeschaltet wird. Die fremdgezündete
(SI) Verbrennung wird in den Bereichen hoher Drehzahl, extrem niedriger
Last und hoher Last ausgeführt.
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Zum
Beispiel offenbart die
japanische
offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2003-106184 (
JP 2003-106184 A )
eine Anordnung, in der eine Drossel geschlossen ist, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
zurückzuführen, dass es stöchiometrisch
ist, wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung zu
der funkengezündeten Verbrennung umgeschaltet wird. Dann
wird die Hubmenge eines Auslassventils erhöht, um die interne
EGR-Menge zu reduzieren. Wenn die Verbrennungsbetriebsart nämlich
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
umgeschaltet wird, wird zuerst die Drossel geschlossen. Dies kann
eine unzureichende Einlassluft oder ein niedriges Moment bewirken,
und sorgt dafür, dass die Verbrennung schwierig wird. Deswegen
kann dies Schwankungen des Maschinenmoments oder das Auftreten von
abrupten Änderungen des Moments verursachen.
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Die
japanische offengelegte Patentveröffentlichung
Nr. 2004-150383 (
JP 2004-150383 A ) offenbart eine Anordnung,
in der die Verbrennungsbetriebsart zuerst von der HCCI-Verbrennung
zu der schichtweisen, fremdgezündeten Verbrennung und dann
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet wird. Deswegen
ist ein in dem Zylinder vorhandener Einspritzer in der Brennkammer
wesentlich. Wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet wird, wird
die Kraftstoffmenge in einem Zustand der schichtweisen, fremdgezündeten Verbrennung
allmählich erhöht. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf einen vorbestimmten Wert reduziert
wird, wird die Kraftstoffeinspritzzeit vorgezogen und der Drosselöffnungsgrad
wird reduziert. Entsprechend wird die Verbrennungsbetriebsart zu
der normalen fremdgezündeten Verbrennung in einem stöchiometrischen
Zustand umgeschaltet. Nachdem der Drosselöffnungsgrad nämlich erhöht
wurde, wird die Verbrennungsbetriebsart von der schichtweisen, fremdgezündeten Verbrennung
zu der normalen fremdgezündeten Verbrennung in einem stöchiometrischen
Zustand umgeschaltet. Falls der Drosselöffnungsgrad auf
diese Weise reduziert wird, können plötzliche Änderungen des
Moments auftreten.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Auftreten von plötzlichen Änderungen
des Moments der HCCI-Maschine zu unterdrücken, wenn die
Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung zu der funkengezündeten
Verbrennung umgeschaltet wird.
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Ein
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt eine Maschine mit
Kompressionszündung mit homogener Ladung (HCCI) bereit,
die ermöglicht, dass eine Verbrennungsbetriebsart zwischen
einer HCCI-Verbrennung und einer fremdgezündeten Verbrennung
umgeschaltet wird. Die HCCI-Maschine umfasst eine Brennkammer, ein
Einlassventil und ein Auslassventil. Ein variabler Einlassventilmechanismus ändert
eine Einlasshubmenge, die einer Hubmenge des Einlassventils entspricht.
Die Einlasshubmenge wird in der HCCI-Verbrennung auf eine erste Einlasshubmenge
eingestellt, und die Einlasshubmenge wird in der fremdgezündeten
Verbrennung auf eine zweite Einlasshubmenge eingestellt. Ein variabler
Auslassventilmechanismus ändert eine Auslasshubmenge, die
einer Hubmenge des Auslassventils entspricht. Die Auslasshubmenge
wird in der HCCI-Verbrennung auf eine erste Auslasshubmenge eingestellt,
und die Auslasshubmenge wird in der fremdgezündeten Verbrennung
auf eine zweite Auslasshubmenge eingestellt. Eine Steuereinrichtung steuert
den variablen Einlassventilmechanismus und den variablen Auslassventilmechanismus.
Die Steuereinrichtung stellt eine interne EGR-Menge ein, die die
Menge des verbrannten Gases enthält, das zu der Zeit der
HCCI-Verbrennung in der Brennkammer verbleibt und des verbrannten
Gases, das durch eine Auslassöffnung wieder in die Brennkammer
gezogen wird. Die Steuereinrichtung stellt einen negativen Ventilüberlappungszeitraum
ein, während dem sowohl das Einlassventil wie auch das
Auslassventil derart geschlossen sind, dass nicht das gesamte verbrannte
Gas aus der Brennkammer abgegeben wird. Wenn die Verbrennungsbetriebsart
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennungsbetriebsart
umgeschaltet wird, führt die Steuereinrichtung folgende
Vorgänge a) und b) durch, bevor die Einlasshubmenge von
der ersten Einlasshubmenge zu der zweiten Einlasshubmenge umgeschaltet
wird:
- a): Umschalten der Auslasshubmenge von
der ersten Auslasshubmenge zu der zweiten Auslasshubmenge, während
die interne EGR-Menge sichergestellt wird, und
- b): Verzögern einer Schließzeit des Auslassventils,
um die interne EGR-Menge zu reduzieren, nachdem die Auslasshubmenge
von der ersten Auslasshubmenge zu der zweiten Auslasshubmenge umgeschaltet
wurde.
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Andere
Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung deutlich werden, die in Zusammenhang mit den anhängenden
Zeichnungen zu berücksichtigen ist, und auf beispielhaftem
Weg die Grundlagen der Erfindung darstellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung, von denen geglaubt wird, dass
sie neu sind, sind insbesondere in den anhängenden Ansprüchen
ausgeführt. Die Erfindung kann zusammen mit ihren Aufgaben
und Vorteilen am besten durch Bezug auf die folgende Beschreibung
der derzeit bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit
den anhängenden Zeichnungen 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
Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen einer Maschinenlast
und einer Maschinendrehzahl zeigt, und einen Betriebsbereich der
HCCI-Maschine der 1 in der HCCI-Verbrennung und
der fremdgezündeten Verbrennung zeigt;
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3 ein
Zeitdiagramm ist, das (a) einen Drosselöffnungsgrad, (b)
eine maximale Auslasshubmenge, (c) eine maximale Einlasshubmenge,
(d) eine interne EGR-Gasmenge, und (e) eine Momentschwankung zeigt,
wenn die Verbrennungsbetriebsart der HCCI-Maschine der 1 von
der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
umgeschaltet wird;
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4A ein
Zeitdiagramm ist, das die Einlasshubmenge und die Auslasshubmenge
in der HCCI-Verbrennung zum Zeitpunkt t0 der 3 zeigt;
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4B ein
Zeitdiagramm ist, das die Einlasshubmenge und die Auslasshubmenge
in einem Zustand zeigt, in dem die Auslasshubmenge von dem Zustand
der 4A zu einem Zeitpunkt t1 erhöht wird;
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5A ein
Zeitdiagramm ist, das die Einlasshubmenge und die Auslasshubmenge
in einem Zustand zeigt, in dem die Auslasshubzeit von dem Zustand
der 4B zu einem Zeitpunkt t2 verzögert wird;
und
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5B ein
Zeitdiagramm ist, das die Einlasshubmenge und die Auslasshubmenge
in einem Zustand zeigt, in dem die Einlasshubmenge von dem Zustand
der 5A in der fremdgezündeten Verbrennung
zu einem Zeitpunkt t4 erhöht wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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1 bis 5B zeigen
eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt
eine HCCI-Maschine 1 gemäß einer Ausführungsform.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, weist die HCCI-Maschine 1 eine
Brennkammer 10, einen Einlassdurchtritt 11b, ein
Einlassventil 11v, ein Auslassventil 12v, einen
Auslassdurchtritt 12b und einen Kolben 20 auf.
Der Einlassdurchtritt 11b ist mit einer Brennkammer 10 verbunden.
Der Betriebszustand der HCCI-Maschine 1 wird gemäß dem
Betriebszustand wie zum Beispiel einer Maschinenlast und der Anzahl
der Umdrehungen der Maschine zwischen einer HCCI-Verbrennung und
einer fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet. Eine ECU
(elektronische Steuereinheit) 5 ist eine Steuereinrichtung,
die den Betriebszustand der HCCI-Maschine 1 umschaltet. Als
Ergebnis wird die Verbrennungsbetriebsart zwischen der HCCI-Verbrennung,
die den Kraftstoffverbrauch reduziert, und der fremdgezündeten
Verbrennung, die die Ausgangsleistung erhöht, umgeschaltet,
wie es notwendig ist.
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Ein
Mischabschnitt 4 ist an dem Einlassdurchtritt 11p angeordnet.
Kraftstoff wird von einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) durch
einen Kraftstoffzufuhrpfad 2p so zu dem Mischabschnitt 4 zugeführt,
dass Luft und Kraftstoff in dem Mischabschnitt 4 vermischt
werden. Benzin oder ein Gaskraftstoff wie zum Beispiel Stadtgas
oder LPG können als Kraftstoff verwendet werden. Der Mischabschnitt 4 ist ein
Vergaser. Falls das Gas als Kraftstoff verwendet wird, kann der
Mischabschnitt 4 ein Mischapparat sein.
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Eine
Drossel 3 ist an dem Einlassdurchtritt 11p zwischen
dem Mischabschnitt 4 und der Brennkammer 10 angeordnet.
Ein Kraftstoffventil 2v ist an dem Kraftstoffzufuhrpfad 2p angeordnet.
Das Kraftstoffventil 2v wirkt als Kraftstoffzufuhrvorrichtung.
Die ECU 5 steuert Betätigungen des Kraftstoffventils 2v, der
Drossel 3, des Einlassventils 11v, einer Zündkerze 60c und
des Auslassventils 12v. Die Zündkerze 60c ist
ein Zündabschnitt, die zu der Zeit der fremdgezündeten
Verbrennung verwendet wird. Die Zündkerze 60c kann
verwendet werden, wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung 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
entsprechende Steuerleitungen 5a bis 5e.
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Die
ECU 5 steuert einen Öffnungsgrad des Kraftstoffventils 2v,
um die Kraftstoffzufuhrmenge zu dem Einlassdurchtritt 11b zu
steuern.
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Die
Drossel 3 weist eine Welle 3c, einen Flügel 3v und
einen Schrittmotor (nicht dargestellt) auf. Der Flügel 3v wird
um die Welle 3c gedreht. Die ECU 5 steuert den
Schrittmotor, um den Öffnungsgrad des Flügels 3v zu
steuern, das heißt, den Drosselöffnungsgrad TA.
Als Ergebnis wird die Einlasszufuhrmenge zu der Brennkammer 10 gesteuert.
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Ein
variabler Einlassventilmechanismus 11a steuert eine Hubmenge
und eine Öffnungs-/Schließzeit des Einlassventils 11v über
den Einlassnocken 11c. In dieser Ausführungsform
stellt die Hubmenge des Einlassventils 11v Einlassventilcharakteristiken dar.
Eine maximale Hubmenge IL stellt die maximale Hubmenge des Einlassventils 11v dar.
Ein variabler Auslassmechanismus 12a steuert eine Hubmenge und
eine Öffnungs-/Schließzeit des Auslassventils 12v.
In dieser Ausführungsform stellt die Hubmenge des Auslassventils 12v eine
Auslassventilcharakteristik dar. Eine maximale Hubmenge EL stellt
eine maximale Hubmenge des Auslassventils 12v dar.
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Die
ECU 5 steuert den variablen Einlassventilmechanismus und
den variablen Auslassventilmechanismus 12a. Der variable
Einlassventilmechanismus 11a und der variable Auslassventilmechanismus 12a sind
variable Ventilmechanismen, die Ventilcharakteristiken wie zum Beispiel
die Hubmenge und die Ventilöffnungs-/-schließzeit
des Einlassventils 11v und des Auslassventils 12v gemäß den
Betriebszuständen der HCCI-Maschine 1 ändern.
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Wie
in den
japanischen offengelegten
Patentveröffentlichungen Nr. 5-106411 und
10-18826 (
JP 5-106411 A und
JP 10-18826 A )
offenbart ist, wird der Einlassnocken
11c zwischen einem
Nocken mit niedrigem Hub und einem Nocken mit hohem Hub umgeschaltet.
Die ECU
5 verwendet den Nocken mit niedrigem Hub, wenn
die erste Einlasshubmenge IL1 eingestellt wird, und verwendet den
Nocken mit hohem Hub, wenn die zweite Einlasshubmenge IL2 eingestellt
wird. Die maximale Einlasshubmenge IL wird in der HCCI-Verbrennung
auf die erste Einlasshubmenge IL1 eingestellt, und wird in der fremdgezündeten
Verbrennung auf die zweite Einlasshubmenge IL2 eingestellt. Die
erste Einlasshubmenge IL1 ist kleiner als die zweite Einlasshubmenge
IL2. Die ECU
5 schaltet den Einlassnocken
11c zwischen
dem Nocken mit niedrigem Hub und dem Nocken mit hohem Hub gemäß den
Betriebszuständen der HCCI-Maschine
1 um. Als
Ergebnis wird die Einlasshubmenge IL geändert.
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Ähnlich
wird der Auslassnocken 12c zwischen einem Nocken mit niedrigem
Hub und einem Nocken mit hohem Hub umgeschaltet. Die ECU 5 verwendet
den Nocken mit niedrigem Hub, wenn die erste Auslasshubmenge EL1
eingestellt wird, und verwendet den Nocken mit hohem Hub, wenn die zweite
Auslasshubmenge EL2 eingestellt ist. Die maximale Auslasshubmenge
wird in der HCCI-Verbrennung auf die erste Auslasshubmenge EL1 eingestellt, und
wird in der fremdgezündeten Verbrennung auf die zweite
Auslasshubmenge EL2 eingestellt. Die erste Auslasshubmenge EL1 ist
kleiner als die zweite Auslasshubmenge EL2.
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Der
Einlassnocken 11c ist an der Einlassnockenwelle (nicht
dargestellt) angeordnet. In der Brennkammer 10 erzeugte
Leistung wird über eine Kurbelwelle der HCCI-Maschine 1 zu
der Einlassnockenwelle übertragen, um den Einlassnocken 11c zu drehen.
Ein Einlassnockengetriebe ist an einem Endabschnitt der Einlassnockenwelle
(nicht dargestellt) angeordnet. Das Einlassnockengetriebe überträgt eine
Antriebskraft der Kurbelwelle zu der Einlassnockenwelle. Die ECU 5 steuert
einen Phasenunterschied zwischen dem Einlassnockengetriebe und der Einlassnockenwelle
gemäß einem bekannten Verfahren. Ähnlich
ist der Auslassnocken 12c an der Auslassnockenwelle (nicht
dargestellt) angeordnet. In der Brennkammer 10 erzeugte
Leistung wird ebenfalls zu der Auslassnockenwelle übertragen,
um den Auslassnocken 12c zu drehen. Ein Auslassnockengetriebe
ist an einem Endabschnitt der Auslassnockenwelle angeordnet (nicht
dargestellt). Das Auslassnockengetriebe überträgt
eine Antriebskraft von der Kurbelwelle zu der Auslassnockenwelle.
Die ECU 5 steuert einen Phasenunterschied zwischen dem
Auslassnockengetriebe 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 zu der Zeit der
HCCI-Verbrennung einen negativen Ventilüberlappungszeitraum bereitzustellen.
Als Ergebnis wird internes EGR-Gas erzeugt und die HCCI-Verbrennung
ausgeführt. Der negative Ventilüberlappungszeitraum
ist ein Zeitraum, in dem sowohl das Auslassventil 12v wie
auch das Einlassventil 11v geschlossen sind, wenn sich der
Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts TDC befindet. Der
obere Totpunkt TDC ist ein Totpunkt, wenn ein Auslasshub einer Maschine
endet. Die ECU 5 schließt das Auslassventil 12v zu
der Zeit, die von dem Auslasstotpunkt TDC vorgezogen ist. Da ein
Teil des verbrannten Gases in der Brennkammer 10 verbleibt,
wird das interne EGR-Gas erzeugt. Die interne EGR-Menge Qegr stellt
die Summe des verbrannten Gases, das in der Brennkammer 10 verbleibt,
ohne aus dieser abgegeben zu werden, und des verbrannten Gases,
das vorübergehend aus der Brennkammer 10 abgegeben
wurde, und dann aus dem Auslassdurchtritt 12p durch das
Auslassventil 12v in die Brennkammer 10 zurückgeführt
wurde, wenn das Auslassventil 12v darauffolgend geöffnet
wird, dar. Das interne EGR-Gas verbleibt bis zu dem nächsten Verbrennungszyklus
in der Brennkammer 10. Das interne EGR-Gas, das eine hohe
Temperatur aufweist, wird mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch vermischt,
das neu in die Brennkammer 10 zugeführt wird.
Dies erhöht die Temperatur in der Brennkammer 10.
Deswegen wird die Zündfähigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs
zur Zeit der HCCI-Verbrennung verbessert. Die ECU 5 steuert
eine Länge des negativen Ventilüberlappungszeitraums,
um die Zündzeit der HCCI-Verbrennung zu einem gewissen
Ausmaß zu steuern.
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2 zeigt
den Betriebsbereich von sowohl der HCCI-Verbrennung wie auch der
fremdgezündeten Verbrennung der HCCI-Maschine 1.
Das Diagramm der 2 weist eine vertikale Achse
auf, die die Maschinenlast darstellt, und eine horizontale Achse,
die die Maschinendrehzahl darstellt. Der fremdgezündete
Verbrennungsbereich umgibt den HCCI-Verbrennungsbereich. Die Pfeile,
die aus 2 ersichtlich sind, stellen
verschiedene Schaltmuster der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten
Verbrennung dar. Die in 3 bis 5 gezeigten Schaltmuster
sind Beispiele der verschiedenen Verbrennungsbetriebsartumschaltmuster,
die aus 2 ersichtlich sind.
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3 bis 5B zeigen
die Schaltmuster der HCCI-Verbrennung zur fremdgezündeten
Verbrennung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
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Die
vertikale Achse in 3 zeigt:
- (a)
Drosselöffnungsgrad TA;
- (b) maximale Auslasshubmenge EL;
- (c) maximale Einlasshubmenge IL;
- (d) interne EGR-Menge Qegr in der Brennkammer 10; und
- (e) Moment T der HCCI-Maschine.
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Die
horizontale Achse in 3 stellt die Anzahl der Verbrennungszyklen
dar. 3 zeigt:
- (A) gleichmäßiger
Betriebszeitraum der HCCI-Verbrennung;
- (B) Umschaltzeitraum von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten
Verbrennung; und
- (C) gleichmäßiger Betriebszeitraum der fremdgezündeten
Verbrennung (SI-Verbrennung).
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Die
ECU 5 steuert den Drosselöffnungsgrad TA, die
maximale Auslasshubmenge EL und die maximale Einlasshubmenge IL,
und steuert dabei die interne EGR-Menge Qegr und das Moment T.
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4A, 4B, 5A und 5B zeigen die
Einlasshubmenge und die Auslasshubmenge, wenn die Verbrennungsbetriebsart
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
umgeschaltet wird. 4A zeigt eine erste Einlasshubmenge
und eine erste Auslasshubmenge zu der Zeit des gleichmäßigen
Betriebs der HCCI-Verbrennung. 4A zeigt
nämlich ein Einlassnockenprofil des Einlassventils 11v und
ein Auslassnockenprofil des Auslassventils 12v zu dem Zeitpunkt
t0 in 3. 5B zeigt eine zweite Einlasshubmenge und
eine zweite Auslasshubmenge zu der Zeit des gleichmäßigen
Betriebs der fremdgezündeten Verbrennung. 5B zeigt
nämlich das Einlassnockenprofil des Einlassventils 11v und
das Auslassnockenprofil des Auslassventils 12v zu dem Zeitpunkt
t4 in 3. Die horizontale Achse in 4A bis 5B zeigt
den Kurbelwinkel. Die vertikale Achse in 4A bis 5B zeigt
die Einlasshubmenge und die Auslasshubmenge.
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Wie
aus 3(a) ersichtlich ist, wird der Drosselöffnungsgrad
TA eingestellt, um der erste Drosselöffnungsgrad TA1 zu
dem Zeitpunkt t0 zu der Zeit der HCCI-Verbrennung zu sein, und wird
eingestellt, der zweite Drosselöffnungsgrad TA2 zum Zeitpunkt
t4 zur Zeit der fremdgezündeten Verbrennung zu sein. Der
erste Drosselöffnungsgrad TA1 ist größer
als der zweite Drosselöffnungsgrad TA2.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Drosselöffnungsgrad
TA1 eingestellt, ein vollständig offener Zustand der Drossel 3 zu
sein. Ein Druckunterschied wird in dem Einlassdurchtritt 11p zwischen
dem stromaufwärtigen Abschnitt und dem stromabwärtigen
Abschnitt mit Bezug auf die Drossel 3 verursacht. Der Einlasssaugdruck
wird in dem Einlassdurchtritt 11p an dem stromabwärtigen
Abschnitt mit Bezug auf die Drossel 3 verursacht. In dem stromaufwärtigen
Abschnitt des Einlassdurchtritts 11p mit Bezug auf die
Drossel 3 befindet sich ein Umgebungsdruck. Der erste Drosselöffnungsgrad
TA1 wird bevorzugt so eingestellt, dass er ein vollständig geöffneter
Zustand der Drossel 3 ist, um einen Pumpverlust durch das
Einstellen des Einlasssaugdrucks näher an dem atmosphärischen
Druck zu reduzieren. Der zweite Drosselöffnungsgrad TA2
ist ein Drosselöffnungsgrad, der abhängig von
dem Betriebsbereich der HCCI-Maschine 1 für die
fremdgezündete Verbrennung notwendig ist.
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Eine
durchgehende Linie in 4A stellt die erste Einlasshubmenge
IL1 und die erste Auslasshubmenge EL1 dar. Eine punktierte Linie
in 4A zeigt die zweite Einlasshubmenge IL2 und die
zweite Auslasshubmenge EL2. Die punktierte Linie stellt ein Vergleichsbeispiel
in 4A bis 5B dar.
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Die
ECU 5 schaltet die maximale Auslasshubmenge EL von der
ersten Auslasshubmenge EL1 zu der zweiten Auslasshubmenge EL2 zu
dem Zeitpunkt t1 um. 4B zeigt einen Zustand direkt
nachdem das Auslassventil 12v umgeschaltet wurde, oder
direkt nach dem Zeitpunkt t1. Mit anderen Worten zeigt 4B einen
Zustand, direkt nachdem die maximale Auslasshubmenge EL von der
ersten Auslasshubmenge EL1, die durch die punktierte Linie dargestellt
ist, zu der zweiten Auslasshubmenge EL2 umgeschaltet wurde, die
durch die durchgehende Linie dargestellt ist. Der variable Auslassventilmechanismus 12a schaltet
den Auslassnocken 12c von dem Nocken mit niedrigem Hub
zu dem Nocken mit hohem Hub, um das Auslassventil 12v umzuschalten.
Deswegen wird die maximale Auslasshubmenge EL erhöht, und
die Ventilzeit des Auslassventils wird erhöht. Ein Anstieg
der Ventilzeit des Auslassventils ändert die Auslassventilöffnungs-/-schließzeit.
Mit anderen Worten wird die Auslassschließzeit ETcls, die
im Wesentlichen der Schließzeit des Auslassventils 12v entspricht,
geringfügig verzögert.
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Die
ECU 5 stellt die Auslassschließzeit ETcls zum
Zeitpunkt t1 derart ein, dass die HCCI-Verbrennung ohne das Ausführen
der Fremdzündung beibehalten wird, und die interne EGR-Menge
sichergestellt ist. Wie aus 4B ersichtlich
ist, wird die Auslassschließzeit ETcls vor dem Auslasstotpunkt
TDC eingestellt. Wenn die Auslassschließzeit ETcls verzögert
wird, nähert sich die Auslassschließzeit ETcls dem
Auslasstotpunkt TDC.
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Die
ECU 5 schaltet die maximale Einlasshubmenge IL von der
ersten Einlasshubmenge IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge IL2 zu
dem Zeitpunkt t3 um. Mit anderen Worten schaltet die ECU 5 das Auslassventil 12v zu
dem Zeitpunkt t1 um, um den Zustand beizubehalten, in dem das interne
EGR-Gas vorhanden ist, bevor das Einlassventil 11v zu dem Zeitpunkt
t3 umgeschaltet wird. Wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet wird, schaltet
die ECU 5 nämlich das Auslassventil 12v um,
während das interne EGR-Gas sichergestellt ist, bevor das
Einlassventil 11v umgeschaltet wird.
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Da
die Auslassschließzeit ETcls geringfügig zwischen
dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 verzögert ist, wird
die interne EGR-Menge Qegr zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt
t2 verzögert, wie aus 3(d) ersichtlich
ist. Zu dem Zeitpunkt t2 ist der Drosselöffnungsgrad TA
noch immer dem ersten Drosselöffnungsgrad TA1 gleich, der vollständig
geöffnet ist. Ein Absinken der internen EGR-Menge Qegr
bedeutet einen Anstieg der Einlassluftmenge von dem Einlassdurchtritt 11p zu
der Brennkammer 10. Da jedoch die ECU 5 die maximale Auslasshubmenge
EL von der ersten Auslasshubmenge EL1 zur zweiten Auslasshubmenge
El2 umschaltet, um die interne EGR-Menge Qegr sicherzustellen, ist
die Schwankung der Einlassluftmenge moderat. Daher erhöht
sich das Moment T, das von der HCCI-Maschine 1 verursacht
wird, um eine kleine Menge, jedoch wird verhindert, dass das Moment
T stark ansteigt. Dies unterdrückt das Auftreten der plötzlichen Änderungen
des Moments T der HCCI-Maschine 1.
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Eine
punktierte Linie in 3(e) zeigt eine Momentkurve
eines Vergleichsbeispiels. Gemäß dem Vergleichsbeispiel
wird zum Beispiel die maximale Auslasshubmenge EL von der ersten
Auslasshubmenge EL1 zu der gleichen Zeit zu der zweiten Auslasshubmenge
EL2 umgeschaltet, wenn die maximale Einlasshubmenge IL von der ersten
Einlasshubmenge IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge IL2 umgeschaltet
wird. In dem Fall des Vergleichsbeispiels wird die Einlassluftmenge
plötzlich geändert, und das Moment T wird stark
erhöht, da kein internes EGR-Gas vorhanden ist. Mit anderen
Worten ausgedrückt, wird gemäß dem Vergleichsbeispiel
die Einlassluftmenge zu der Brennkammer 10 plötzlich
geändert, bevor und nachdem die Verbrennungsbetriebsart
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
umgeschaltet wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist die Schwankung des Moments T verglichen mit einem Fall moderat,
in dem zuerst der Drosselöffnungsgrad TA kleiner gemacht
wird, wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet wird.
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Nach
dem Zeitpunkt t2 verzögert die ECU 5 die Auslassschließzeit
ETcls, um die interne EGR-Menge Qegr zu reduzieren, wie aus 3(d) ersichtlich ist. Entsprechend steuert
die ECU 5 die Auslassschließzeit ETcls, um die
Einlassluftmenge in die Brennkammer 10 zu steuern. In der
vorliegenden Ausführungsform bedeutet die Einlassluft in
die Brennkammer 10 das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das bei
dem Mischabschnitt 4 erzeugt wird. 5A zeigt einen
Zustand zwischen den Zeitpunkten t2 und t3. Die Auslassschließzeit
ETcls in 5A wird von der Auslassschließzeit
ETcls in 4B verzögert. Deswegen
verzögert die ECU 5 die Auslassschließzeit ETcls,
um die interne EGR-Menge Qegr allmählich zu reduzieren.
Als Ergebnis wird unterdrückt, dass sich die Einlassluftmenge
in die Brennkammer 10 plötzlich ändert.
Dies unterdrückt das Auftreten der plötzlichen Änderungen
des Moments T, wie durch die durchgehende Linie in 3(e) dargestellt
ist.
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Während
eines Zeitraums zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 verzögert
die ECU 5 die Auslassschließzeit ETcls, um die
interne EGR-Menge Qegr zu reduzieren, wie aus 3(d) ersichtlich
ist, und reduziert den Drosselöffnungsgrad TA, wie aus 3(a) ersichtlich ist. Das Verringern der
internen EGR-Menge Qegr, das aus 3(d) ersichtlich
ist, bedeutet einen Anstieg der Einlassluftmenge in die Brennkammer 10.
Andererseits bedeutet das Verringern des Drosselöffnungsgrads
TA, das aus 3(a) ersichtlich ist,
das Verringern der Einlassluftmenge in die Brennkammer 10.
Deswegen unterdrückt während des Zeitraums zwischen
dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 die gleichzeitige Betätigung
des Reduzierens des Drosselöffnungsgrads TA und des Reduzierens
der internen EGR-Menge Qegr weiter die plötzliche Schwankung der
Einlassluftmenge in die Brennkammer 10. Mit anderen Worten
wird die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung zu der
fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet, während
das Auftreten der plötzlichen Änderungen des Moments
T weiter unterdrückt wird.
-
Zu
dem Zeitpunkt t3 wird der Drosselöffnungsgrad TA auf den
zweiten Drosselöffnungsgrad TA2 reduziert. Die interne
EGR-Menge Qegr, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass die
HCCI-Verbrennung abhängig von dem Betriebsbereich der HCCI-Maschine 1 schwierig
wird, wird als kritische EGR-Menge Qegr0 bezeichnet. Der Zustand,
in dem die HCCI-Verbrennung schwierig ist, betrifft einen Zustand,
in dem die interne EGR-Menge Qegr reduziert ist, so dass die Temperatur
in dem Zylinder der HCCI-Maschine 1 nicht ausreichend ansteigt,
und die Zündfähigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs
in der HCCI-Verbrennung bemerkenswert verschlechtert ist. In der
vorliegenden Ausführungsform ist die interne EGR-Menge
Qegr zu dem Zeitpunkt t3 größer als die kritische
EGR-Menge Qegr0. Deswegen schaltet die ECU 5 zu dem Zeitpunkt
t3 die maximale Einlasshubmenge EL von der ersten Einlasshubmenge
EL1 zu der zweiten Einlasshubmenge EL2 um.
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Falls
die interne EGR-Menge Qegr, die erhalten wird, wenn der Drosselöffnungsgrad
TA auf den zweiten Drosselöffnungsgrad TA2 reduziert wird,
kleiner wird als die kritische EGR-Menge Qegr0, schaltet die ECU 5 die
maximale Einlasshubmenge IL von der ersten Einlasshubmenge IL1 zu
der zweiten Einlasshubmenge IL2 um, wenn die interne EGR-Menge Qegr
größer als die kritische EGR-Menge Qegr0 ist. Mit
anderen Worten kann die ECU 5 die maximale Einlasshubmenge
IL von der ersten Einlasshubmenge IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge
IL2 vor dem Zeitpunkt t3 umschalten. Falls die HCCI-Verbrennung
schwierig auszuführen sein wird, bevor der Drosselöffnungsgrad
TA auf den zweiten Drosselöffnungsgrad TA2 reduziert wird, schaltet
die ECU 5 die maximale Einlasshubmenge IL von der ersten
Einlasshubmenge IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge IL2 vor einem
Zeitpunkt um, zu dem die HCCI-Verbrennung schwierig auszuführen
sein wird.
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Zu
dem Zeitpunkt t3 schaltet die ECU 5 die maximale Einlasshubmenge
IL von der ersten Einlasshubmenge IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge IL2
um. Mit anderen Worten schaltet der variable Ventilmechanismus 11a den
Einlassnocken 11c von dem Nocken mit niedrigem Hub zu dem
Nocken mit hohem Hub um. Deswegen wird die maximale Einlasshubmenge
IL von der ersten Einlasshubmenge IL1, die aus 5A ersichtlich
ist, zu der zweiten Einlasshubmenge IL2 umgeschaltet, die aus 5B ersichtlich
ist. Die maximale Einlasshubmenge IL und die Ventildauer des Einlassventils
steigen nämlich. Wie aus 5B ersichtlich
ist, wird die Öffnungszeit des Einlassventils 11v von
dem Totpunkt vorgezogen, da der Lufteinlassvorgang in die Brennkammer 10 geringfügig
nach dem Zeitpunkt begonnen wird, zu dem das Einlassventil 11v geöffnet
wird.
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Wenn
die interne EGR-Menge Qegr zu dem Zeitpunkt t4 0 ist, beginnt die
ECU 5 den gleichmäßigen Betrieb der Fremdzündung
durch die Zündkerze 60c. Die Einlassluftmenge
in die Brennkammer 10 wird wegen des Umschaltens von der
ersten Einlasshubmenge IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge IL2 erhöht.
Da jedoch der Drosselöffnungsgrad TA auf den zweiten Drosselöffnungsgrad
reduziert wurde, ist die Schwankung der Einlassluftmenge nicht groß. Deswegen
ist die Schwankung des Moments T unterdrückt, um klein
zu sein. Entsprechend schaltet die ECU 5 die Verbrennungsbetriebsart
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
um.
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Die
vorliegende Ausführungsform weist folgende Vorteile auf.
- 1) Wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet wird, führt
die ECU 5 die folgenden Vorgänge a) und b) aus,
bevor die maximale Einlasshubmenge IL von der ersten Einlasshubmenge
IL1 zu der zweiten Einlasshubmenge IL2 umgeschaltet wird:
a):
Umschalten der maximalen Auslasshubmenge EL von der ersten Auslasshubmenge
EL1 zu der zweiten Auslasshubmenge EL2, während die interne
EGR-Menge Qegr sichergestellt ist; und
b): Verzögern
der Auslassschließzeit ETcls, um die interne EGR-Menge
Qegr nach dem Umschalten der maximalen Auslasshubmenge EL von der ersten
Auslasshubmenge EL1 zu der zweiten Auslasshubmenge EL2 zu reduzieren.
-
Deswegen
ist die interne EGR-Menge Qegr direkt nachdem die maximale Auslasshubmenge
EL von der ersten Auslasshubmenge EL1 zu der zweiten Auslasshubmenge
EL2 umgeschaltet wurde, sichergestellt. Dies unterdrückt
die plötzliche Änderung der Einlassluftmenge von
dem Einlassdurchtritt 11p in die Brennkammer 10 während
eines Zeitraums zwischen bevor und nachdem die maximale Auslasshubmenge
EL von der ersten Auslasshubmenge EL1 zu der zweiten Auslasshubmenge
EL2 umgeschaltet wird. Außerdem verzögert die
ECU 5 die Auslassschließzeit ETcls, um die interne
EGR-Menge Qegr nach dem Umschalten der maximalen Auslasshubmenge
EL zu reduzieren. Entsprechend wird die Verbrennungsbetriebsart
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet, da die
Einlassluftmenge allmählich geändert wird. Mit
anderen Worten wird die auf die Fähigkeit der Einlassluftmenge folgende Änderung
an einer Verschlechterung verhindert, wenn die Auslassschließzeit
ETcls verzögert wird. Dies unterdrückt die plötzliche Änderung
der Einlassluftmenge, wenn die Verbrennungsbetriebsart von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung umgeschaltet wird. Entsprechend
wird das Auftreten der plötzlichen Änderungen
des Moments T unterdrückt. Außerdem sind eine
frühe Zündung oder ein übermäßiges
Verbrennungsgeräusch der HCCI-Maschine 1 verhindert.
- (2) Nach dem Umschalten auf die zweite Einlasshubmenge
EL2
b): verzögert die ECU 5 die Auslassschließzeit ETcls
und reduziert gleichzeitig den Drosselöffnungsgrad TA.
Mit anderen Worten wird während eines Zeitraums von dem
Zeitpunkt t2 zu dem Zeitpunkt t3 die Einlassluftmenge wegen der
Verringerung des Drosselöffnungsgrads TA reduziert und
die Einlassluftmenge wegen der Verringerung der internen EGR-Menge
Qegr gleichzeitig erhöht. Entsprechend wird die Verbrennungsbetriebsart
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
umgeschaltet, während die Einlassluftmenge allmählich
während eines Zeitraums von dem Zeitpunkt t2 zu dem Zeitpunkt t3
geändert wird.
- (3) Der variable Einlassmechanismus 11a schaltet den
Einlassnocken 11c von dem Nocken mit niedrigem Hub zu dem
Nocken mit hohem Hub um. Der variable Auslassventilmechanismus 12a schaltet
den Auslassnocken 12c von dem Nocken mit niedrigem Hub
zu dem Nocken mit hohem Hub um. Deswegen weisen sowohl der Einlassventilmechanismus 11a wie
auch der Auslassventilmechanismus 12a im Gegensatz zum
komplizierten variablen Ventilmechanismus einer elektromagnetisch
angetriebenen Bauart eine einfache Konstruktion auf.
- (4) Nachdem damit begonnen wird, das interne EGR-Gas zu reduzieren,
schaltet die ECU 5 das Einlassventil 11v zu einer
Zeit um, die früher als die Zeit ist, wenn der Drosselöffnungsgrad
TA verringert wird, um den Öffnungsgrad, der für
die fremdgezündete Verbrennung erforderlich ist, und früher
als die Zeit, die vor dem Zeitpunkt liegt, wenn die HCCI-Verbrennung
schwierig auszuführen sein wird. Als Ergebnis schaltet
die ECU 5 zuverlässig die Verbrennungsbetriebsart
von der HCCI-Verbrennung zu der fremdgezündeten Verbrennung
um. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird
die Verbrennungsbetriebsart zuverlässig von der HCCI-Verbrennung
zu der fremdgezündeten Verbrennung sogar umgeschaltet,
falls die HCCI-Maschine 1 nicht mit einem in dem Zylinder
eingebauten Einspritzer angeordnet ist.
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Die
folgende Ausführungsform kann abgeändert werden
wie folgt.
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Die
Einlassventilcharakteristiken wie zum Beispiel die Einlasshubmenge
und die Ventilöffnungs-/-schließzeit des Einlassventils 11v kann durch
einen elektromagnetischen Antriebsmechanismus umgeschaltet werden. Ähnlich
können die Auslassventilcharakteristiken EL wie zum Beispiel
die Ventilhubmenge und die Ventilöffnungs-/-schließzeit des
Auslassventils 12v durch einen elektromagnetischen Antriebsmechanismus
umgeschaltet werden.
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Der
erste Drosselöffnungsgrad TA1 kann kleiner als der vollständig
geöffnete Zustand der Drossel 3 sein.
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Der
variable Einlassventilmechanismus 11a kann einen Mechanismus
aufweisen, um die maximale Einlasshubmenge IL zu ändern,
und einen Mechanismus, um die Ventilöffnungs-/-schließzeit
getrennt zu ändern. Ähnlich kann der variable Auslassventilmechanismus 12a einen
Mechanismus aufweisen, um die maximale Auslasshubmenge EL zu ändern
und einen Mechanismus, um die Ventilöffnungs-/-schließzeit
getrennt zu ändern.
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Wenn
die maximale Auslasshubmenge EL von der ersten Auslasshubmenge EL1
zu der zweiten Auslasshubmenge EL2 umgeschaltet wird, kann das interne
EGR-Gas reduziert werden, und die Zündfähigkeit
der HCCI-Maschine 1 kann verschlechtert werden. In einem
derartigen Fall kann die Zündkerze 60c die Maschine
zusätzlich zünden. Die ECU 5 ist in der
Lage, die Fremdzündung unabhängig von dem Betrieb
des variablen Einlassmechanismus 11a und des variablen
Auslassmechanismus 12a zu steuern.
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Nach
dem Zeitpunkt t2 kann die ECU 5 die Maschine mit der Zündkerze 60c hilfsweise
zünden, um die Verbrennung der HCCI-Maschine 1 zu
stabilisieren, während die interne EGR-Menge Qegr stabilisiert
wird.
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Eine
ECU (5) schaltet eine Verbrennungsbetriebsart einer HCCI-Maschine
(1) von einer HCCI-Verbrennung zu einer fremdgezündeten
Verbrennung um. Die ECU (5) führt die folgenden
Vorgänge (a) und (b) durch, bevor eine Einlasshubmenge
von einer ersten Einlasshubmenge (IL1) zu einer zweiten Einlasshubmenge
(IL2) umgeschaltet wird (t3):
- a) Umschalten
(t1) einer Auslasshubmenge von einer ersten Auslasshubmenge (EL1)
zu einer zweiten Auslasshubmenge (EL2), während eine interne
EGR-Menge (Qegr) sichergestellt ist, und
- b) Verzögern (t2 bis t3) einer Schließzeit
(ETcls) eines Auslassventils (12v), um die interne EGR-Menge
(Qegr) nach dem Umschalten der Auslasshubmenge von der ersten Auslasshubmenge
(EL1) zu der zweiten Auslasshubmenge (EL2) zu reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-106184 [0005]
- - JP 2003-106184 A [0005]
- - JP 2004-150383 [0006]
- - JP 2004-150383 A [0006]
- - JP 5-106411 [0026]
- - JP 10-18826 [0026]
- - JP 5-106411 A [0026]
- - JP 10-18826 A [0026]