-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Einspritzmotor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, bei dem Kraftstoff unter Verwendung einer Hochdruck-Einspritzvorrichtung direkt in einen Zylinder eingespritzt wird.
-
2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
-
Im allgemeinen ist ein Einspritzmotor mit Direkteinspritzung in der Lage, solche Parameter, wie einen Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt und eine Kraftstoff-Einspritzmenge, exakt zu steuern. Dadurch kann ein selektiver Umschaltvorgang zwischen homogener Verbrennung (vorgemischte homogene Verbrennung) und Schichtladungsverbrennung in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Motors in einfacher Weise ausgeführt werden.
-
Die Schichtladungsverbrennung kann zum Beispiel in einer schnellen Leerlaufperiode unmittelbar nach dem Starten des Motors durchgeführt werden. Somit kann der Zündzeitpunkt verzögert werden, ohne daß es zu einer Verminderung der Zündqualität kommt, und es kann eine große Menge an durch die Verbrennung erzeugter Wärmeenergie an eine Austrittsseite geliefert werden. Infolgedessen kann ein Katalysator rasch aktiviert werden.
-
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
JP-A-2002-155748 (die im folgenden als Patentdokument 1 bezeichnet wird) offenbart einen Einspritzmotor mit Direkteinspritzung dieses Typs, bei dem ein Hohlraum zum Führen von von einer Einspritzvorrichtung eingespritztem Kraftstoff zu einer Zündkerze an der Oberseite eines Kolbens vorgesehen ist, und eine Abschirmwand, die das Öffnen eines Teils einer Einlaßöffnung durch ein Einlaßventil verhindert, an der Einlaßöffnung vorgesehen ist. Ein Hubbewegungsausmaß des Einlaßventils wird in variabler Weise gesteuert, um selektiv zwischen homogener Verbrennung und Schichtladungsverbrennung umzuschalten.
-
Gemäß der in dem Patentdokument 1 beschriebenen Technik wird in einem Betriebsbereich, in dem eine Motordrehzahl und eine Motorlast beide relativ gering sind, eine maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen hohen Hub eingestellt, so daß die Einspritzströmungsrate vermindert wird. Der Hohlraum an der Oberseite des Kolbens tritt somit wirksam in Betrieb, so daß die Schichtladungsverbrennung erzielt werden kann.
-
Ferner wird in einem Betriebsbereich, in dem die Motordrehzahl und die Motorlast beide relativ hoch sind, die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf ein vorbestimmtes Hubbewegungsausmaß eingestellt, in dem das Einlaßventil nicht über die Abschirmwand hinaus bewegt wird, so daß die Einspritzströmungsrate erhöht wird. Somit wird eine starke Walzenströmung in dem Zylinder erzeugt, und es kann eine homogene Verbrennung erzielt werden.
-
In einem Betriebsbereich, in dem die Motordrehzahl und die Motorlast beide noch höher sind, wird die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen hohen Hub eingestellt (oder einen mittleren Hub, bei dem das Einlaßventil geringfügig über die Abschirmwand hinaus bewegt ist), so daß eine große Menge an Ansaugluft in den Zylinder eingesaugt wird. Dadurch kann ein gleichmäßig gemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt werden.
-
Wenn jedoch der Hohlraum für die Schichtbildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches an der Oberseite des Kolbens ausgebildet ist, wie beim Patentdokument 1, bewirkt der Hohlraum eine Verminderung der Beständigkeit der Walzenströmung. Infolgedessen besteht somit ein Risiko, daß der Wirkungsgrad des Kraftstoffverbrauchs während der homogenen Verbrennung beeinträchtigt wird.
-
Die Verminderung bei der Beständigkeit der Walzenströmung kann durch Verwendung solcher Vorrichtungen, wie etwa einer Öffnung mit starker Walzenbewegung oder einem Walzenbewegung erzeugenden Ventil (tumble-generating valve bzw. TGV) kompensiert werden. Diese Vorrichtungen können jedoch als Strömungspassagenwiderstand wirken, so daß es schwierig wird, die maximale Motorausgangsleistung zu erhöhen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In Anbetracht der vorstehend geschilderten Situation besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Einspritzmotors mit Direkteinspritzung, der in der Lage ist, die Schichtbildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches während der Schichtladungsverbrennung in angemessener Weise vorzunehmen, ohne daß eine Verminderung in der Beständigkeit der Walzenströmung der Ansaugluft während der homogenen Verbrennung entsteht.
-
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein Einspritzmotor mit Direkteinspritzung folgendes auf:
eine Zündkerze mit einem Zündbereich, der an einer Stelle zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung einem Innenraum eines Zylinders zugewandt ist, wobei die Einlaßöffnung durch ein Einlaßventil geöffnet und geschlossen wird und die Auslaßöffnung durch ein Auslaßventil geöffnet und geschlossen wird;
ein Kraftstoffeinspritzventil, das mit einer Einspritzöffnung versehen ist, die dem Innenraum des Zylinders an einer Stelle zugewandt gegenüberliegt, die von der Auslaßöffnung weiter entfernt ist als die Einlaßöffnung;
einen variablen Ventilmechanismus, der zum Schalten eines maximalen Hubs zumindest des Einlaßventils in jedem Verbrennungszyklus in der Lage ist;
einen Abschirmbereich, der an einem Teilbereich der Einlaßöffnung auf einer der Auslaßöffnung entgegengesetzten Seite derart vorgesehen ist, daß er in einer Richtung wegsteht, in der das Einlaßventil angehoben wird, wobei der Abschirmbereich das Öffnen eines Teils der Einlaßöffnung verhindert, wenn sich das Einlaßventil in einem Zustand mit geringem Hub befindet, in dem ein Hubbewegungsausmaß des Einlaßventils geringer als oder gleich einem vorgegebenen Hubbewegungsausmaß ist;
einen Kolben, der eine obere Oberfläche mit einer glatten Fläche in einem Bereich aufweist, der sich weiter innen befindet als eine Quetschzone; und
eine Steuereinrichtung, die den maximalen Hub des Einlaßventils für den variablen Ventilmechanismus als mittleren Hub vorgibt und einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzventils bei einem Verdichtungstakt vorgibt, wenn es sich bei einem Betriebsbereich des Motors um einen schnellen Leerlaufbereich handelt, der unmittelbar nach dem Start des Motors folgt, wobei es sich bei dem mittleren Hub um ein Hubbewegungsausmaß handelt, bei dem das Einlaßventil über den Abschirmbereich hinausbewegt wird und eine Strömungsrate der Ansaugluft in dem Teilbereich aufgrund des Abschirmbereichs relativ zu einer Strömungsrate der Ansaugluft in den übrigen Bereichen begrenzt ist.
-
Der Einspritzmotor mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Schichtladungsverbrennung in angemessener Weise einer Schichtbildung zu unterziehen, ohne daß die Beständigkeit der Walzenströmung der Ansaugluft während der homogenen Verbrennung vermindert wird.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Hauptteils eines Motors;
-
2 eine Schnittdarstellung eines Bereichs um eine Einlaßöffnung eines Zylinderkopfes;
-
3 eine Bodenansicht des Zylinderkopfes;
-
4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung einer Routine zum Vorgeben von Steuerparametern des Motors;
-
5 ein schematische Darstellung zur Erläuterung von Steuerzuständen, die jeweiligen Betriebsbereichen entsprechen;
-
6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Motordrehzahl, der Motorlast und den Betriebsbereichen;
-
7A eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Einlaßventil und einer Abschirmeinrichtung, wenn eine maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen niedrigen Hub eingestellt ist;
-
7B eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise, wie eine Walzenströmung erzeugt wird, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf den geringen Hub eingestellt ist;
-
8A eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Einlaßventil und der Abschirmeinrichtung, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen mittleren Hub eingestellt ist;
-
8B eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise, wie Walzenströmungen erzeugt werden, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf den mittleren Hub eingestellt ist;
-
9A eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Einlaßventil und der Abschirmeinrichtung, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen hohen Hub eingestellt ist; und
-
9B eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise, wie eine Walzenströmung erzeugt wird, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf den hohen Hub eingestellt ist.
-
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
-
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen veranschaulichen das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Hauptteils eines Motors. 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Bereichs um eine Einlaßöffnung eines Zylinderkopfes. 3 zeigt eine Bodenansicht des Zylinderkopfes. 4 zeigt ein Flußdiagramm einer Routine zum Vorgeben von Steuerparametern des Motors.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Steuerzuständen, die jeweiligen Betriebsbereichen entsprechen. 6 zeigt ein graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Motordrehzahl, der Motorlast und den Betriebsbereichen. 7A zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Einlaßventil und einer Abschirmeinrichtung, wenn eine maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen geringen Hub eingestellt ist. 7B zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise, in der eine Walzenströmung erzeugt wird, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf den geringen Hub eingestellt ist.
-
8A zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Einlaßventil und der Abschirmeinrichtung, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen mittleren Hub eingestellt ist. 8B zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise, in der Walzenströmungen erzeugt werden, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf den mittleren Hub eingestellt ist.
-
9A zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Einlaßventil und der Abschirmeinrichtung, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf einen hohen Hub eingestellt ist. 9B zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Art und Weise, in der eine Walzenströmung erzeugt wird, wenn die maximale Hubbewegungsstrecke des Einlaßventils auf den hohen Hub eingestellt ist.
-
Bei einem in 1 dargestellten Motor 1 handelt es sich um einen Einspritzmotor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Motor 1 um einen selbstansaugenden Vier-Zylinder-Benzinmotor mit einander horizontal gegenüberliegenden Zylindern. Der Motor 1 beinhaltet einen Zylinderblock 10, in dem ein Kolben 15 in jeden Zylinder 11 verschiebbar eingepaßt ist, der an seiner Oberseite offen ist. Eine Brennkammer 12 ist zwischen dem Kolben 15 und einem Zylinderkopf 20 gebildet.
-
Wie in den 1 und 3 dargestellt, ist zum Beispiel in einem Bereich, der einem jeweiligen Zylinder 11 entspricht, ein Paar von schräg verlaufenden Flächen 21 und 22 am Boden des Zylinderkopfes 20 derart gebildet, daß die schräg verlaufenden Flächen 21 und 22 sich von einem im wesentlichen zentralen Bereich des Zylinders 11 schräg nach unten erstrecken.
-
Jede Brennkammer 12 ist durch die schräg verlaufenden Flächen 21 und 22 mit einer sogenannten geneigten Dachform ausgebildet. Gerade Flächen 21a und 22a sind an den unteren Enden der schräg verlaufenden Flächen 21 bzw. 22 ausgebildet und erstrecken sich kontinuierlich von diesen weg. Bereiche in der Brennkammer 12, die den geraden Flächen 21a und 22a entsprechen, sind als Quetschzonen 12a vorgesehen.
-
In dem Paar der schräg verlaufenden Flächen 21 und 22 sind zwei Einlaßöffnungen 23 derart ausgebildet, daß sie sich in die schräg verlaufende Fläche 21 hinein öffnen, und zwei Auslaßöffnungen 24 sind derart ausgebildet, daß sie sich in die andere schräg verlaufende Fläche 22 hinein öffnen. Zusätzlich sind die Einlaßöffnungen 23 und die Auslaßöffnungen 24 mit Einlaßventilen 25 bzw. Auslaßventilen 26 versehen, um die Einlaßöffnungen 23 und die Auslaßöffnungen 24 zu öffnen und zu schließen.
-
Eine Zündkerze 30 ist von dem Zylinderkopf 20 festgehalten. Ein Zündbereich 30a, der an einem Ende der Zündkerze 30 gebildet wird, ist einem Innenraum des Zylinders 11 an einer Stelle zwischen den Einlaßöffnungen 23 und den Auslaßöffnungen 24 zugewandt angeordnet (bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem im wesentlichen zentralen Bereich des Zylinders 11, an dem obere Bereiche der schräg verlaufenden Flächen 21 und 22 miteinander in Verbindung stehen).
-
Eine Einspritzeinrichtung 31 (Kraftstoffeinspritzventil) ist ebenfalls von dem Zylinderkopf 20 festgehalten. Eine Einspritzöffnung 31a in der Einspritzeinrichtung 31 ist dem Innenraum des Zylinders 11 an einer Stelle zugewandt angeordnet, die weiter von den Auslaßöffnungen 24 als von den Einlaßöffnungen 23 entfernt ist (bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer Stelle zwischen den beiden Einlaßöffnungen 23). Die Einspritzöffnung 31a ist in einem vorbestimmten Neigungswinkel in Bezug auf die obere Oberfläche des Kolbens 15 angeordnet.
-
Wie in 1 gezeigt, weist die obere Oberfläche des Kolbens 15 beispielsweise eine im wesentlichen ebene, glatte Oberfläche in einem Bereich auf, der sich näher bei dem Zentrum befindet als die Quetschzonen 12a. Genauer gesagt, es weist die obere Oberfläche des Kolbens 15 eine glatte Oberfläche auf, die in dem Bereich, der sich näher bei dem Zentrum befindet als die Quetschzonen 12a, in Richtung auf das Zentrum sanft vertieft ausgebildet ist.
-
Wie ferner in den 2 und 3 dargestellt ist, besitzt jede Einlaßöffnung 23 einen Abschirmbereich 23a an einem offenen Ende, wobei der Abschirmbereich 23a in einem Teilbereich auf einer den Auslaßöffnungen 24 entgegengesetzten Seite angeordnet ist. In jeder Einlaßöffnung 23 hat der Abschirmbereich 23a die Funktion eines Strömungspassagenwiderstands gegen Eintrittsluft, die durch die jeweilige Einlaßöffnung 23 in den Zylinder 11 eingeführt wird.
-
Der Abschirmbereich 23a ist derart ausgebildet, daß er in einer Richtung wegsteht, in der das Einlaßventil 25 angehoben wird. Wenn sich das Einlaßventil 25 in einem geringen Hubzustand befindet, in dem der Hubbetrag des Einlaßventils 25 kleiner als oder gleich einem vorgegebenen Hubbetrag ist, verhindert der Abschirmbereich 23, daß ein Teil der Einlaßöffnung 23 geöffnet wird.
-
Insbesondere ist der Abschirmbereich 23a bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, daß er in einem im wesentlichen bogenförmigen Teilbereich jeder Einlaßöffnung 23 auf der den Auslaßöffnungen 24 entgegengesetzten Seite wegsteht.
-
Wenn zum Beispiel das Einlaßventil 25 sich in einem geringen Hubzustand befindet, in dem der Hubbetrag L einen Wert von 2 bis 3 mm oder weniger besitzt, führt ein Teil des Einlaßventils 25 eine Gleitbewegung entlang des Abschirmbereichs 23a aus, so daß der Abschirmbereich 23a ein Öffnen der Einlaßöffnung 23a in diesem Teilbereich verhindert.
-
Der Zylinderkopf 20 ist zum Beispiel mit elektrischen oder hydraulischen Betätigungseinrichtungen 35 und 36 als variablen Ventilmechanismus versehen, der zum Umschalten der Ventilöffnungszustände der Einlaßventile 25 und der Auslaßventile 26 in jedem Verbrennungszyklus in der Lage ist. Die Betätigungseinrichtungen 35 und 36 treiben die Einlaß- und Auslaßventile 25 und 26 mit beliebigen Hubbeträgen zu beliebigen Zeitpunkten an und werden von einer Motorsteuereinheit (ECU) 50 gesteuert, die im folgenden beschrieben wird und als Steuereinrichtung wirkt.
-
Die ECU 50 beinhaltet in erster Linie einen allgemein bekannten Mikrocomputer, der eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Festspeicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle aufweist. Verschiedene Sensoren und Schalter, wie zum Beispiel ein Ansaugluftmengensensor 51 und ein Motordrehzahlsensor 52, der eine Motordrehzahl auf der Basis der Rotation einer Kurbelwelle erfaßt, sind mit der ECU 50 auf einer Eingangsseite von dieser verbunden.
-
Die ECU 50 bestimmt den Betriebsbereich des Motors 1 auf der Basis von verschiedenen Eingangssignalen und gibt verschiedene Steuerparameter zum Erzielen einer homogenen Verbrennung oder einer Schichtladungsverbrennung auf der Basis des Bestimmungsresultats vor.
-
Insbesondere gibt die ECU 50 einen Ventilöffnungszeitpunkt und einen maximalen Hub Lmax in dem geöffneten Zustand für die Einlaßventile 25, einen Ventilöffnungszeitpunkt für die Auslaßventile 26 sowie einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von dem festgestellten Betriebsbereich des Motors 1 vor.
-
Wie zum Beispiel in 6 dargestellt ist, wird ein Kennfeld zum Bestimmen des Betriebsbereichs auf der Basis der Motordrehzahl und der Motorlast vorab in der ECU 50 gespeichert. Die ECU 50 wählt zum Beispiel einen Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last, in dem der Wirkungsgrad des Kraftstoffverbrauchs Priorität hat, einen Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last sowie einen Bereich C mit hoher Drehzahl und hoher Last, in dem die Ausgangsleistung Priorität hat, als Motorbetriebszustand aus.
-
Wenn jedoch die Zeit, die ab dem Start des Motors 1 verstrichen ist, innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer liegt (zum Beispiel innerhalb von mehreren bis 10 Sekunden), wählt die ECU 50 einen schnellen Leerlaufbereich I aus.
-
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gibt die ECU 50 in selektiver Weise zum Beispiel einen von drei Hubbeträgen, bei denen es sich um einen geringen Hub, einen mittleren Hub und einen hohen Hub handelt, als maximalen Hub Lmax der Einlaßventile 25 in dem geöffneten Zustand vor.
-
Bei dem geringen Hub handelt es sich um einen Hubbetrag innerhalb eines Bereichs, in dem das jeweilige Einlaßventil 25 nicht über den Abschirmbereich 23a hinaus bewegt wird und der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einen Wert im Bereich von zum Beispiel 2 bis 3 mm vorgegeben ist.
-
Bei dem mittleren Hub handelt es sich um einen Hubbetrag, bei dem das jeweilige Einlaßventil 25 über den Abschirmbereich 23a hinaus bewegt wird und bei dem eine Strömungsrate der Ansaugluft in dem dem Abschirmbereich 23a entsprechenden Teilbereich relativ dazu in dem anderen Bereich aufgrund des Einflusses des Abschirmbereichs 23a begrenzt ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der mittlere Hub zum Beispiel mit 5 bis 6 mm vorgegeben.
-
Bei dem hohen Hub handelt es sich um einen Hubbetrag, der größer ist als der mittlere Hub und bei dem der Einfluß des Abschirmbereichs 23a auf die Ansaugluft im wesentlichen ignoriert werden kann. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der hohe Hub zum Beispiel mit 10 bis 11 mm vorgegeben.
-
Im folgenden wird der von der ECU 50 ausgeführte Vorgang zum Vorgeben der Steuerparameter des Motors 1 unter Bezugnahme auf das in 4 dargestellte Flußdiagramm der Routine zum Vorgeben der Steuerparameter beschrieben. Diese Routine wird für jede vorgegebene Zeitdauer wiederholt ausgeführt.
-
Beim Start der Routine stellt die ECU 50 in einem Schritt S101 den Betriebszustand des Motors 1 fest. Insbesondere stellt die ECU 50 in dem Schritt S101 fest, ob die seit dem Start des Motors 1 verstrichene Zeit innerhalb einer vorgegebenen Zeit liegt oder nicht (zum Beispiel innerhalb von 10 Sekunden und mehreren Sekunden).
-
Wenn die ECU 50 feststellt, daß die verstrichene Zeit innerhalb der vorgegebenen Zeit liegt, wählt die ECU 50 den schnellen Leerlaufbereich I als Betriebsbereich des Motors 1 aus. Wenn die seit dem Start des Motors 1 verstrichene Zeit länger als oder gleich der vorgegebenen Zeitdauer ist, wählt die ECU 50 den Betriebsbereich des Motors 1 aus dem Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last, dem Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last sowie dem Bereich C mit hoher Drehzahl und hoher Last aus.
-
Der Betriebsbereich wird unter Verwendung des vorgegebenen Kennfeldes (vgl. 6) beispielsweise auf der Basis der Last des Motors 1, die anhand der von dem Ansaugluftmengensensor 51 erfaßten Ansaugluftmenge geschätzt wird, und der von dem Motordrehzahlsensor 52 erfaßten Motordrehzahl ausgewählt.
-
Anschließend fährt die ECU 50 von dem Schritt S101 mit einem Schritt S102 fort, in dem die ECU 50 feststellt, ob es sich bei dem aktuellen Betriebsbereich des Motors 1 um den schnellen Leerlaufbereich I handelt oder nicht. Die ECU 50 fährt mit einem Schritt S103 fort, wenn es sich bei dem Betriebsbereich des Motors 1 um den schnellen Leerlaufbereich I handelt, und fährt mit einem Schritt S106 fort, wenn es sich bei dem Betriebsbereich des Motors 1 um einen anderen Bereich als den schnellen Leerlaufbereich I handelt (d. h. den Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last, den Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last oder den Bereich C mit höher Drehzahl und hoher Last).
-
Wenn die ECU 50 von dem Schritt S102 mit dem Schritt S103 fortfährt, gibt die ECU 50 den maximalen Hub Lmax der Einlaßventile 25 in dem geöffneten Zustand als mittleren Hub vor (zum Beispiel 5 bis 6 mm) und gibt den Ventilöffnungszeitpunkt der Einlaßventile 25 als mittleren Winkel vor.
-
Anschließend fährt die ECU 50 mit einem Schritt S104 fort, in dem die ECU 50 den Ventilöffnungszeitpunkt der Auslaßventile 26 als mittleren Winkel vorgibt. Anschließend fährt die ECU 50 mit einem Schritt S105 fort, in dem die ECU 50 den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Einspritzeinrichtung 31 bei einem Verdichtungstakt vorgibt (siehe Teil (a) in 5). Danach endet die Routine.
-
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorgaben kann in dem schnellen Leerlaufbereich I des Motors 1 eine angemessene Schichtladungsverbrennung erzielt werden.
-
Insbesondere wird dann, wenn der maximale Hub Lmax der Einlaßventile 25 als mittlerer Hub vorgegeben ist, in der ersten Hälfte des Betriebs der Hubbewegung der Einlaßventile 25 die jeweilige Einlaßöffnung 23 nur in demjenigen Bereich geöffnet, in dem der Abschirmbereich 23a nicht vorhanden ist, d. h. in dem Bereich nahe den Auslaßöffnungen 24.
-
Die Ansaugluft wird durch diesen Bereich in die Brennkammer 12 hineingeführt und strömt entlang der oberen Oberfläche der Brennkammer 12 mit geneigter Dachform in Richtung zu den Auslaßventilen 26. Auf diese Weise wird eine Walzenströmung erzeugt. Die Walzenströmung in dieser Richtung wird als positive Walzenströmung bezeichnet.
-
In der zweiten Hälfte des Hubbewegungsvorgangs der Einlaßventile 25 wird die jeweilige Einlaßöffnung 23 in dem partiellen Bereich, der dem Abschirmbereich 23a entspricht, weiter geöffnet. Dadurch wird die Ansaugluft zusätzlich durch diesen Teilbereich hindurchgeführt, und zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen positiven Walzenströmung wird eine Walzenströmung in einer entgegengesetzten Richtung zu der positiven Walzenströmung in der Brennkammer 12 erzeugt. Die Walzenströmung in dieser Richtung wird im folgenden als umgekehrte Walzenströmung bezeichnet.
-
Aufgrund des Einflusses des Abschirmbereichs 23a liegt der Zeitpunkt, zu dem die jeweilige Einlaßöffnung 23 an dem Teilbereich geöffnet wird, später als der Zeitpunkt, zu dem die Einlaßöffnung 23 in dem Bereich nahe den Auslaßöffnungen 24 geöffnet wird. Somit wird die umgekehrte Walzenströmung zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt als dem Zeitpunkt, zu dem die positive Walzenströmung erzeugt wird.
-
Ferner ist aufgrund der Wirkung des Abschirmbereichs 23a die Strömungsrate der durch den Teilbereich der jeweiligen Einlaßöffnung 23 hindurchgeführten Ansaugluft geringer als die Strömungsrate der durch den Bereich in der Nähe der Auslaßöffnungen 24 hindurchgeführten Ansaugluft. Somit ist die umgekehrte Walzenströmung schwacher als die positive Walzenströmung.
-
Die positive Walzenströmung bewegt sich somit entlang einer großen Schleife in einem Bereich, in dem die Auslaßöffnungen 24 angeordnet sind, und trifft in einem im wesentlichen zentralen Bereich an der oberen Oberfläche des Kolbens 15 auf die umgekehrte Walzenströmung.
-
Da die umgekehrte Walzenströmung schwach ist, wird die positive Walzenströmung selbst dann nicht gestört, wenn die positive Walzenströmung auf die umgekehrte Walzenströmung trifft, und wird in Richtung zu der Zündkerze 30 geführt (siehe 8A und 8B).
-
In dem Verdichtungstakt wird dann Kraftstoff von der Einspritzöffnung 31a in der Einspritzeinrichtung 31 in Richtung auf die vorstehend beschriebene positive Walzenströmung in den Zylinder 11 eingespritzt. Dadurch wird der Kraftstoff in Richtung zu dem Zündbereich 30a geführt und einer angemessenen Schichtbildung unterzogen.
-
Da der Kraftstoff in einem Bereich nahe dem Zündbereich 30a einer Schichtbildung unterzogen wird, kann eine Zündverzögerungssteuerung ohne Verminderung der Zündqualität selbst in dem schnellen Leerlaufbereich I unmittelbar nach dem Starten des Motors ausgeführt werden. Dadurch kann eine große Menge der durch die Verbrennung erzeugten Wärmeenergie an eine Austrittsseite geliefert werden, und der Katalysator kann rasch aktiviert werden.
-
Wenn die ECU 50 von dem Schritt S102 mit dem Schritt S106 fortfährt, stellt die ECU 50 fest, ob es sich bei dem aktuellen Betriebszustand des Motors 1 um den Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last handelt. Die ECU 50 fährt mit einem Schritt S107 fort, wenn es sich bei dem Betriebsbereich des Motors 1 um den Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last handelt, und fährt mit einem Schritt S110 fort, wenn es sich bei dem Betriebsbereich des Motors 1 um einen anderen Bereich als den Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last handelt (d. h. um den Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last oder den Bereich C mit hoher Drehzahl und hoher Last).
-
Wenn die ECU 50 von dem Schritt S106 mit dem Schritt S107 fortfährt, gibt die ECU 50 den maximalen Hub Lmax der Einlaßventile 25 in dem geöffneten Zustand als den mittleren Hub vor (zum Beispiel 5 bis 6 mm) und gibt den Ventilöffnungszeitpunkt der Einlaßventile 25 bei einem mittleren Winkel vor.
-
Die ECU 50 fährt dann mit einem Schritt S108 fort, in dem die ECU 50 den Ventilöffnungszeitpunkt der Auslaßventile 26 als mittleren Winkel vorgibt. Danach fährt die ECU 50 mit einem Schritt S109 fort, in dem die ECU 50 den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Einspritzeinrichtung 31 bei einem Ansaugtakt vorgibt (siehe Teil (b) in 5). Danach endet die Routine.
-
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorgaben kann eine angemessene homogene Verbrennung in dem Bereich B des Motors 1 mit niedriger Drehzahl und hoher Last erzielt werden.
-
Insbesondere wird dann, wenn der maximale Hub Lmax der Einlaßventile 25 als mittlerer Hub vorgegeben ist, in der ersten Hälfte des Hubbewegungsvorgangs der Einlaßventile 25 die jeweilige Einlaßöffnung 23 nur in demjenigen Bereich geöffnet, in dem der Abschirmbereich 23a nicht vorgesehen ist, d. h. in dem Bereich nahe den Auslaßöffnungen 24.
-
Die Ansaugluft wird durch diesen Bereich in die Brennkammer 12 hineingeführt und strömt entlang der oberen Oberfläche der Brennkammer 12 mit der Form eines geneigten Dachs in Richtung auf die Auslaßventile 26. Auf diese Weise wird die positive Walzenströmung erzeugt.
-
In der zweiten Hälfte des Hubbewegungsvorgangs der Einlaßventile 25 wird dann die jeweilige Einlaßöffnung 23 in dem dem Abschirmbereich 23a entsprechenden Teilbereich weiter geöffnet. Somit wird die Ansaugluft zusätzlich durch diesen Teilbereich hindurchgeführt, und zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen positiven Walzenströmung wird in der Brennkammer 12 die umgekehrte Walzenströmung erzeugt.
-
Aufgrund des Einflusses des Abschirmbereichs 23a ist der Zeitpunkt, zu dem die jeweilige Einlaßöffnung 23 an dem Teilbereich geöffnet wird, später als der Zeitpunkt, zu dem die Einlaßöffnung 23 in dem Bereich nahe den Auslaßöffnungen 24 geöffnet wird. Somit wird die umgekehrte Walzenströmung zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt als die positive Walzenströmung.
-
Aufgrund der Wirkung des Abschirmbereichs 23a ist ferner die Strömungsrate der durch den Teilbereich von jeder Einlaßöffnung 23 hindurchgeführten Ansaugluft geringer als die Strömungsrate der Ansaugluft, die durch den Bereich nach den Auslaßöffnungen 24 hindurchgeführt wird. Dadurch ist die umgekehrte Walzenströmung schwächer als die positive Walzenströmung.
-
Die positive Walzenströmung bewegt sich somit in einer großen Schleife in einem Bereich, in dem die Auslaßöffnungen 24 angeordnet sind, und trifft in einem im wesentlichen zentralen Bereich an der oberen Oberfläche des Kolbens 15 auf die umgekehrte Walzenströmung.
-
Da die umgekehrte Walzenströmung schwach ist, wird die positive Walzenströmung selbst dann nicht gestört, wenn die positive Walzenströmung auf die umgekehrte Walzenströmung trifft, und wird in Richtung zu der Zündkerze 30 hin geführt (siehe 8A und 8B).
-
In dem Ansaugtakt wird dann Kraftstoff von der Einspritzöffnung 31a in der Einspritzeinrichtung 31 in Richtung auf die vorstehend beschriebene positive Walzenströmung in den Zylinder 11 eingespritzt. Somit strömt der Kraftstoff in erster Linie zusammen mit der positiven Walzenströmung und zirkuliert in der Brennkammer 12. Da die obere Oberfläche des Kolbens 15 als glatte Oberfläche ausgebildet ist, wird dabei die Beständigkeit der Walzenströmung auf einem hohen Niveau gehalten.
-
Wenn der Kolben 15 eine Position in der Nähe des oberen Totpunkts (TDC) erreicht, wird ferner die positive Walzenströmung durch die Wirkung der Quetschzonen 12a gestört. Dadurch wird die Ansaugluft in der Brennkammer 12 einer starken Störung ausgesetzt, und es wird ein äußerst gleichmäßiges Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt.
-
Wenn die ECU 50 von dem Schritt S106 mit dem Schritt S110 fortfährt, stellt die ECU 50 fest, ob es sich bei dem aktuellen Betriebszustand des Motors 1 um den Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last handelt.
-
Die ECU 50 fährt mit einem Schritt S111 fort, wenn es sich bei dem Betriebsbereich des Motors 1 um den Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last handelt, und fährt mit einem Schritt S114 fort, wenn es sich bei dem Betriebsbereich des Motors 1 um einen anderen Bereich handelt als den Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last (d. h. um den Bereich C mit hoher Drehzahl und hoher Last).
-
Wenn die ECU 50 von dem Schritt S110 mit dem Schritt S111 fortfährt, gibt die ECU 50 den maximalen Hub Lmax der Einlaßventile 25 in dem geöffneten Zustand als den geringen Hub (beispielsweise 2 mm bis 3 mm) vor und gibt den Ventilöffnungszeitpunkt der Einlaßventile 25 auf einen am weitesten in Richtung nach früh verstellten Winkel vor.
-
Die ECU 50 fährt dann mit einem Schritt S112 fort, in dem die ECU 50 den Ventilöffnungszeitpunkt der Auslaßventile 26 auf einen am weitesten in Richtung nach spät verstellten Winkel vorgibt. Anschließend fährt die ECU 50 mit einem Schritt S113 fort, in dem die ECU 50 den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Einspritzeinrichtung 31 bei einem Ansaugtakt vorgibt (siehe Teil (c) in 5). Anschließend endet die Routine.
-
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorgaben kann in dem Bereich A des Motors 1 mit niedriger Drehzahl und niedriger Last eine angemessene homogene Verbrennung erzielt werden.
-
Genauer gesagt, es wird dann, wenn der maximale Hub Lmax der Einlaßventile 25 als geringer Hub vorgegeben ist, die Einlaßöffnung 23 stets jeweils nur in demjenigen Bereich geöffnet, in dem der Abschirmbereich 23a nicht vorhanden ist, d. h. in dem Bereich nahe den Auslaßöffnungen 24, wobei dieser Bereich klein ist.
-
Die Ansaugluft, die durch diesen Bereich in die Brennkammer 12 hineingeführt worden ist, strömt somit entlang der oberen Oberfläche der Brennkammer 12 mit der Form eines geneigten Dachs mit einer hohen Strömungsrate zu den Auslaßventilen 26.
-
Die von der Einlaßöffnung 23 weggeführte Luft bildet somit eine starke positive Walzenströmung, die in dem gesamten Bereich der Brennkammer 12 zirkuliert, selbst wenn die Drehzahl des Motors 1 niedrig ist (siehe 7A und 7B).
-
In dem Ansaugtakt wird dann Kraftstoff von der Einspritzöffnung 31a in der Einspritzeinrichtung 31 in Richtung auf die vorstehend beschriebene positive Walzenströmung in dem Zylinder 11 eingespritzt. Somit fließt der Kraftstoff in erster Linie zusammen mit der positiven Walzenströmung und zirkuliert in dem gesamten Bereich der Brennkammer 12. Da die obere Oberfläche des Kolbens 15 als ebene Oberfläche ausgebildet ist, wird hierbei die Beständigkeit der positiven Walzenströmung auf einem hohen Niveau aufrechterhalten.
-
Wenn der Kolben 15 eine Position in der Nähe des oberen Totpunkts erreicht, wird ferner die positive Walzenströmung durch die Wirkung der Quetschzonen 12a gestört. Dadurch wird die Ansaugluft in der Brennkammer 12 einer starken Störung ausgesetzt, und es wird ein äußerst gleichmäßiges Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Infolgedessen kann in dem Bereich A mit niedriger Drehzahl und niedriger Last eine hohe Abgasrezirkulationsgrenze (EGR-Grenze) (Magergrenze) erzielt werden.
-
In dem Bereich B mit niedriger Drehzahl und hoher Last ist es in diesem Fall schwierig, einen ausreichenden dynamischen Effekt relativ zu der Ansaugluft zu schaffen, da die Motordrehzahl niedrig ist und der maximale Hub Lmax als niedriger Hub vorgegeben ist.
-
Es kann jedoch eine erforderliche und ausreichende Menge an Luft angesaugt werden, indem der Ventilöffnungszeitpunkt der Auslaßventile 26 (d. h. der Ventilschließzeitpunkt von diesen) auf einen am weitesten nach spät verstellten Winkel gesetzt wird und der Ventilschließzeitpunkt der Einlaßventile 25 auf einen am weitesten nach früh verstellten Winkel gesetzt wird, so daß die Einlaßventile 25 zu einem Zeitpunkt geschlossen werden, der einer Position in der Nähe des unteren Totpunkts (BDC) vor dem Verdichtungstakt entspricht.
-
Wenn die ECU 50 von dem Schritt S110 mit einem Schritt S114 fortfährt, gibt die ECU 50 den maximalen Hub Lmax der Einlaßventile 25 in dem geöffneten Zustand als hohen Hub vor (beispielsweise 10 bis 11 mm) und setzt den Ventilöffnungszeitpunkt der Einlaßventile 25 auf einen am weitesten nach spät verstellten Winkel.
-
Anschließend fährt die ECU 50 mit einem Schritt S115 fort, in dem die ECU 50 den Ventilöffnungszeitpunkt der Auslaßventile 26 auf einen am weitesten nach früh verstellten Winkel setzt. Anschließend fährt die ECU 50 mit einem Schritt S116 fort, in dem die ECU 50 den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt der Einspritzeinrichtung 31 bei einem Ansaugtakt vorgibt (siehe Teil (d) in 5). Anschließend endet die Routine.
-
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorgaben kann in dem Bereich C des Motors 1 mit hoher Drehzahl und hoher Last eine angemessene homogene Verbrennung erzielt werden.
-
In dem Fall, in dem der maximale Hub Lmax der Einlaßventile 25 als hoher Hub vorgegeben ist, hat der Abschirmbereich 23a einen vorübergehenden beeinträchtigenden Einfluß auf die Ansaugluft in der ersten Hälfte des Hubbewegungsvorgangs der Einlaßventile 25. Anschließend dient der Abschirmbereich 23a nur noch als kleiner Strömungspassagenwiderstand ohne nennenswerten Einfluß auf die Ansaugluft.
-
In dem Bereich C mit hoher Drehzahl und hoher Last wird durch die Ansaugluft in der Brennkammer 12 eine schwache positive Walzenströmung erzeugt (siehe 9A und 9B). Wenn jedoch die Drehzahl des Motors 1 hoch ist, ist die Gasströmung der Ansaugluft von Anfang an stark.
-
In dem Ansaugtakt wird dann Kraftstoff von der Einspritzöffnung 31a in der Einspritzeinrichtung 31 in Richtung auf die Ansaugluft in den Zylinder 11 eingespritzt. Somit wird der Kraftstoff in geeigneter Weise mit der Ansaugluft gemischt, und es wird ein sehr gleichmäßiges Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt.
-
In dem Bereich C des Motors 1 mit hoher Drehzahl und höher Last ist der Ventilöffnungszeitpunkt der Auslaßventile 26 auf den am weitesten nach früh verstellten Winkel vorgegeben, so daß der Ausstoßvorgang rasch abgeschlossen ist. Ferner wird der Ventilöffnungszeitpunkt der Einlaßventile 25 auf den am weitesten nach spät verstellten Winkel gesetzt, so daß ein Luftansaugvorgang unter Nutzung der Trägheit selbst dann fortgesetzt wird, nachdem der Kolben 15 den unteren Totpunkt erreicht hat. Somit kann eine ausreichende Luftmenge angesaugt werden, wie diese zum Erzielen einer hohen Ausgangsleistung erforderlich ist.
-
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Schichtladungsverbrennung erzielt werden, ohne daß ein Hohlraum oder dergleichen in der oberen Oberfläche des Kolbens 15 gebildet ist. Die Beständigkeit der während der homogenen Verbrennung erzeugten Walzenströmung kann somit auf einem hohen Niveau aufrechterhalten werden, und es kann ein sehr gleichmäßiges Kraftstoff-Luft-Gemisch durch maximale Nutzung der Walzenströmung gebildet werden.
-
Infolgedessen können sowohl die Schichtladungsverbrennung als auch die homogene Verbrennung auf einem hohen Niveau erzielt werden. Da ferner kein eine Walzenströmung erzeugendes Ventil, das als hoher Ansaugwiderstand wirken kann, oder dergleichen erforderlich ist, kann die Ansaugluft-Ladeeffizienz gesteigert werden. Dadurch kann die Ausgangsleistung des Motors 1 auf ein hohes Niveau gesteigert werden.
-
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist einvariabler Ventilmechanismus exemplarisch erläutert worden, der zum Steuern des Öffnungszustands von jedem der Einlaßventile 25 und der Auslaßventile 26 in der Lage ist.
-
Der variable Ventilmechanismus ist jedoch nicht hierauf beschränkt, solange der maximale Hub der Einlaßventile 25 in jedem Verbrennungszyklus geschaltet bzw. gewechselt werden kann. Ferner ist der variable Ventilmechanismus nicht auf solche Mechanismen beschränkt, die elektromagnetische oder hydraulische Betätigungseinrichtungen beinhalten, sondern er kann statt dessen auch eine Konstruktion beispielsweise vom Nocken-Typ aufweisen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Motor
- 10
- Zylinderblock
- 11
- Zylinder
- 12
- Brennkammer
- 12a
- Quetschzonen
- 15
- Kolben
- 20
- Zylinderkopf
- 21
- schräg verlaufende Fläche
- 21a
- gerade Fläche
- 22
- schräg verlaufende Fläche
- 22a
- gerade Fläche
- 23
- Einlaßöffnung
- 23a
- Abschirmbereich
- 24
- Auslaßöffnung
- 25
- Einlaßventil
- 26
- Auslaßventil
- 30
- Zündkerze
- 30a
- Zündbereich
- 31
- Einspritzeinrichtung
- 31a
- Einspritzöffnung
- 35
- Betätigungseinrichtung
- 36
- Betätigungseinrichtung
- 50
- Motorsteuereinheit (ECU)
- 51
- Ansaugluftmengensensor
- 52
- Motordrehzahlsensor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
