DE102012219685B4

DE102012219685B4 - Brennkraftmaschine mit interner und externer AGR, die im homogenen Kompressionsmodus betreibbar ist

Info

Publication number: DE102012219685B4
Application number: DE102012219685.4A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Inoue
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: CN103089489A; JP2013096302A; US20130104840A1; DE102012219685A1; JP5845817B2; CN103089489B; US9062598B2

Abstract

Brennkraftmaschine (10), die dazu ausgestaltet ist, in einem homogenen Kompressionszündungsmodus zu arbeiten, in dem ein Kolben (12) zur Verdichtung von Kraftstoff-Luft-Gemischen in einer Verbrennungskammer (14) in einem Zylinder (11) verwendet wird, um die Kompressionszündung darin zu starten, wobei die Brennkraftmaschine umfasst:
eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (19), um Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer (14) einzuspritzen,
Einlassventile (16A, 16B), die betreibbar sind für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen von Öffnungen (15a, 15a) eines Einlasses (15), welche jeweils zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Einlassdurchgang (41) und der Verbrennungskammer (14) vorgesehen sind,
Auslassventile (18A, 18B), die betreibbar sind für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen von Öffnungen (17a, 17a) eines Auslasses (17), welche jeweils zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Auslassdurchgang (42) und der Verbrennungskammer (14) vorgesehen sind,
Ventilbetätigungsmechanismen (40A, 40B), die steuerbar sind, um jeweils die Einlassventile (16A, 16B) und die Auslassventile (18A, 18B) zu betätigen, und
ein Abgas-Kühlungs- und Rückführungssystem (50), das einen Rückführungsdurchgang (51) umfasst, um Abgasströme von dem Auslassdurchgang (42) zu dem Einlassdurchgang (41) unter Umgehung der Verbrennungskammer (14) zurückzuführen,
wobei die Einlassventile (16A, 16B) umfassen: ein Paar aus
einem ersten Einlassventil (16A), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen ersten Öffnung (15a) von den Öffnungen (15a, 15a) des Einlasses (15), und
einem zweiten Einlassventil (16B), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen zweiten Öffnung (15a) von den Öffnungen (15a, 15a) des Einlasses (15),
wobei die Auslassventile (18A, 18B) umfassen: ein Paar aus
einem ersten Auslassventil (18A), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen ersten Öffnung (17a) von den Öffnungen (17a, 17a) des Auslasses (17), und
einem zweiten Auslassventil (18B), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen zweiten Öffnung (17a) von den Öffnungen (17a, 17a) des Auslasses (17),
wobei die erste Öffnung (15a) des Einlasses (15) und die erste Öffnung (17a) des Auslasses (17) einander gegenüberliegen und sich die Verbrennungskammer (14) dazwischen befindet,
wobei die zweite Öffnung (15a) des Einlasses (15) und die zweite Öffnung (17a) des Auslasses (17) einander gegenüberliegen und sich die Verbrennungskammer (14) dazwischen befindet, dadurch gekennzeichnet, dass
das Abgas-Kühlungs- und Rückführungssystem (50) einen Kühler (52) zum Kühlen von Abgasströmen in dem Rückführungsdurchgang (51) umfasst,
der Rückführungsdurchgang (51) ein Verbindungsstück (51A) zu dem Einlassdurchgang (41) aufweist,
wobei das Verbindungsstück (51A) in einer Position für Abgasströme angeordnet ist, welche in dem Rückführungsdurchgang (51) durch den Kühler (52) gekühlt werden und vom dem Rückführungsdurchgang (51) durch das Verbindungsstück (51A) in den Einlassdurchgang (41) geleitet werden, um mit Frischluftströmen (a) gemischt zu werden, welche in dem Einlassdurchgang (41) fließen, um hin zu der ersten Öffnung (15a) des Einlasses (15) zu gelangen, und
die Ventilbetätigungsmechanismen (40A, 40B) derart gesteuert werden, dass:
in einem Ausstoßtakt der Brennkraftmaschine (10) in dem homogenen Kompressionszündungsmodus das erste Auslassventil (18A) oder das erste und zweite Auslassventil (18A, 18B) betätigt werden, um die erste Öffnung (17a) oder die erste und zweite Öffnung (17a, 17a) des Auslasses (17) zu öffnen und danach zu schließen, wodurch Abgasströme mit hoher Temperatur von der Verbrennungskammer (14) in den Auslassdurchgang (42) ausgelassen werden und Abgasströme von dem Auslassdurchgang (42) zu dem Rückführungsdurchgang (51) zurückgeführt werden; und
in einem Ansaugtakt, der auf den Ausstoßtakt der Brennkraftmaschine (10) in dem homogenen Kompressionszündungsmodus folgt, das erste und zweite Einlassventil (16A, 16B) betätigt werden, um die erste und zweite Öffnung (15a, 15a) des Einlasses (15) zu öffnen, während das zweite Auslassventil (18B) betätigt wird, um die zweite Öffnung (17a) des Auslasses (17) zu öffnen, wodurch
die Verbrennungskammer (14) aufweist:
Frischluftströme (a), welche mit Abgas gemischt sind, das durch den Kühler (52) gekühlt ist, und von dem Einlassdurchgang (41) durch die erste Öffnung (15a) des Einlasses (15) eingeführt werden,
Frischluftströme (a), welche von dem Einlassdurchgang (41) durch die zweite Öffnung (15a) des Einlasses (15) eingeführt werden, und
Abgasströme mit hoher Temperatur, welche von dem Auslassdurchgang (42) durch die zweite Öffnung (17a) des Auslasses (17) zurückgeführt werden,
so dass in der Verbrennungskammer (14) eine Temperaturverteilung erzeugt wird, welche geschichtet ist mit
Strömen von Niedertemperatur-Gemischen umfassend Frischluft (a) und gekühltes Abgas, und
Strömen von Hochtemperatur-Gemischen, umfassend Frischluft (a) und Abgas mit hoher Temperatur.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen und insbesondere solche Brennkraftmaschinen, die dazu in der Lage sind, entsprechend ihren Betriebsbereichen in Bezug auf Motordrehzahl und - last umschaltbar in einem Funkenzündungsmodus und einem homogenen Kompressionszündungsmodus zu arbeiten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es sind Brennkraftmaschinen vorgeschlagen worden, welche die homogene Kompressionszündung (homogeneous-charge compression ignition - HCCI) zusätzlich zu der Funkenzündung (spark ignition - SI) verwenden. Die HCCI ist eine Form der internen Verbrennung, bei der eine homogene Ladung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einer Verbrennungskammer verdichtet wird, um die Zündung zu beginnen, und die SI ist eine Form der internen Verbrennung, bei der die Verbrennung beginnt, wenn ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Verbrennungskammer durch einen Funken gezündet wird. Bei der HCCI ereignet sich die Verbrennung, im Vergleich zur Funkenzündung, bei einer niedrigeren Temperatur, was zu niedrigen Stickstoffoxid- (NO_x-) Emissionen führt. Die HCCI hat eine andere Charakteristik eines hohen thermischen Wirkungsgrades, die äußerst niedrige Niveaus der CO₂-Emissionen erreicht. Bei der HCCI wird, weil sich die Selbstzündung ohne externe Steuerungsmittel für den Zündzeitpunkt, wie z.B. Zündkerzen, ereignet, der Zündzeitpunkt auf der Grundlage eines komplizierten Selbstzündungsvorgangs bestimmt. Folglich ist es bei der HCCI schwierig, den Zündzeitpunkt zu steuern. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die in einem HCCI-Modus mit hoher Last betrieben werden, kann eine abrupte Zunahme des Drucks in ihren Verbrennungskammern auf Grund von Klopfen oder plötzlicher Druckzunahme Lärm verursachen. Folglich sind die Betriebsbereiche von bekannten Brennkraftmaschinen in Bezug auf die Last in dem HCCI-Modus bei hoher Last begrenzt.
Ein Typ von bekannten Brennkraftmaschinen mit einer HCCI-Funktion ist dafür ausgelegt, eine interne AGR (Abgasrückführung) zu verwenden. Dieser Typ von Brennkraftmaschinen steuert die Einlass- und Auslassventil-Überschneidung, während der Abgas mit einer hohen Temperatur über den Auslass in die Verbrennungskammer zurückgeführt wird, so dass in der Verbrennungskammer eine Schichtung von frischer Ansaugluft und dem zurückgeführten Abgas erzeugt wird. Ein anderer Typ von bekannten Brennkraftmaschinen mit einer HCCI-Funktion ist dafür ausgelegt, eine externe AGR (Abgasrückführung) zu verwenden. Dieser Typ von Brennkraftmaschinen ist mit einem externen Rohr ausgestattet, das den Auslass mit dem Einlass verbindet, wovon ein Beispiel in dem Dokument JP 2001214741 A offenbart wird. Eine Brennkraftmaschine auf der Grundlage der externen AGR ist dafür ausgelegt, Abgas mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur durch das externe Rohr über den Einlass zurück in die Verbrennungskammer einzuspeisen, so dass in der Verbrennungskammer eine Schichtung von frischer Ansaugluft und dem zurückgeführten Abgas erzeugt wird. Bei diesen Brennkraftmaschinen mit interner oder externer AGR erleichtert die Schichtung von Ansaugluft und dem zurückgeführten Abgas die Verringerung der Kraftstoff-Brenngeschwindigkeit.
Die Druckschrift DE 600 24 545 T2 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung eines selbstgezündeten Benzinmotors mit externer und interner AGR. Die Vorrichtung kann eine Verbrennungsart des Motors zwischen einer Selbstzündungsverbrennung und einer Funkenzündungsverbrennung entsprechend einem Betriebszustand des Motors ändern.
Die Druckschrift DE 600 19 392 T2 offenbart eine Motorbrennkraftmaschine mit Selbstzündung. Die Brennkraftmaschine umfasst ein Paar von Einlassöffnungen und Auslassöffnungen und zugehörige Einlass- und Auslassventile für jeden Zylinder. Ferner ist ein AbgasRückführungssystem vorgesehen. Mittels einer elektronischen Steuereinheit wird festgelegt, ob eine Kompressions-Selbstentzündungsverbrennung oder eine Fremdzündungs-Verbrennung durchgeführt wird. Ferner wird mit der Steuereinheit die Abgasrückführung sowie der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt gesteuert.
KURZDARSTELLUNG
Wie oben beschrieben, verwenden Brennkraftmaschinen, die in dem HCCI-Modus arbeiten, die interne AGR oder die externe AGR, um eine Schichtung von frischer Ansaugluft und zurückgeführtem Abgas in der Verbrennungskammer zu erzeugen, was zu einer Grenze für eine Zunahme der Brenngeschwindigkeit des Kraftstoffgemischs führt.
Jedoch kann bei diesen Brennkraftmaschinen der Bereich des zurückgeführten Abgases in der Verbrennungskammer bei einer hohen Temperatur bleiben, was zu einem hohen Niveau der Zündfähigkeit in dem Bereich des zurückgeführten Abgases in der Verbrennungskammer führt. Eine große Menge an Sauerstoff in dem Einlassbereich, das heißt dem Frischluftbereich, in der Verbrennungskammer kann zu einem hohen Niveau der Zündfähigkeit in dem Einlassbereich in der Verbrennungskammer führen Die hohe Zündfähigkeit in der Verbrennungskammer kann die Verlangsamung bei der Verbrennung des Kraftstoffgemischs stören. Außerdem kann bei bekannten Brennkraftmaschinen das Abgas, welches mit einer hohen Temperatur zurück in die Verbrennungskammer geführt wird, die Verbrennungstemperatur einer verhältnismäßig konzentrierten Ladung, das heißt eines verhältnismäßig fetten Kraftstoff-Luft-Gemischs, steigern, was zu Erzeugung und Ausstoß von NO_x-Emissionen führt. Folglich können diese bekannten Brennkraftmaschinen einen der wichtigsten Vorteile, den die HCCI-Funktion erzielen kann, nämlich geringe NO_x-Emissionen, nicht erreichen.
Angesichts der oben dargelegten Umstände versucht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung Brennkraftmaschinen bereitzustellen, die wenigstens eines der oben dargelegten Probleme behandelt.
Im Einzelnen zielt ein alternativer Aspekt der vorliegenden Erfindung darauf, solche Brennkraftmaschinen bereitzustellen, die zu wenigstens einem von Folgendem in der Lage sind: Ausdehnung ihrer Betriebsbereiche im HCCI-Modus in ihre gesamten Betriebsbereiche, um die Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit zu verbessern, Absenken der Verbrennungstemperatur, um Erzeugung und Ausstoß von NO_x-Emissionen zu verringern, und Verhindern einer schnellen Verbrennung, von Klopfen und der Erzeugung von Verbrennungslärm auf Grund derselben.
Nach einem typischen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die in einem homogenen Kompressionszündungsmodus betrieben werden kann, in dem eine homogene Ladung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs durch einen Kolben in einer Verbrennungskammer eines Zylinders verdichtet wird, um die Zündung zu starten. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, die Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer einspritzt, ein Einlassventilelement, das, wenn es betätigt wird, einen Einlass öffnet oder schließt, durch den ein Gas-Einlassdurchgang mit der Verbrennungskammer verbunden ist, und ein Auslassventilelement, das, wenn es betätigt wird, einen Auslass öffnet oder schließt, durch den ein Gas-Auslassdurchgang mit der Verbrennungskammer verbunden ist. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Ventilbetätigungsmechanismus zum Betätigen des Einlassventilelements und des Auslassventilelements und ein Kühlungs- und Rückführungssystem, das einen Rückführungsdurchgang aufweist, der eine Verbindung zwischen dem Gas-Einlassdurchgang und dem Gas-Auslassdurchgang herstellt, während er die Verbrennungskammer umgeht. Während eines Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine betätigt der Ventilbetätigungsmechanismus das Einlassventilelement, um den Einlass zu öffnen, sowie das Auslassventilelement, um den Auslass zu öffnen, was zu einer Rückführung eines ersten Teils des in dem Gas-Auslassdurchgang ausgelassenen Abgases in die Verbrennungskammer über den Auslass führt, wobei der erste Teil des Abgases eine hohe Temperatur hat und in dem Gas-Auslassdurchgang bleibt, so dass ein Hochtemperatur-Gemisch aus über den Einlass in die Verbrennungskammer eingeleiteter erster Frischluft und dem ersten Teil des Abgases mit der hohen Temperatur in der Verbrennungskammer erzeugt wird. Das Kühlungs- und Rückführungssystem führt einen zweiten Teil des in dem Gas-Auslassdurchgang ausgelassenen Abgases, der aus dem Gas-Auslassdurchgang in den Rückführungsdurchgang strömt, über den Rückführungsdurchgang in den Gas-Einlassdurchgang zurück, während der zweite Teil des Abgases gekühlt wird, so dass ein Niedertemperatur-Gemisch aus in dem Gas-Einlassdurchgang strömender zweiter Frischluft und dem zweiten Teil des Abgases mit einer niedrigen Temperatur in dem Gas-Einlassdurchgang erzeugt wird, wobei das Niedertemperatur-Gemisch aus dem zweiten Teil der zweiten Frischluft und dem zweiten Teil des Abgases mit einer niedrigen Temperatur über den Einlass in die Verbrennungskammer eingeleitet wird, wodurch in der Verbrennungskammer eine geschichtete Temperaturverteilung des Hochtemperatur-Gemischs aus der ersten Frischluft und dem ersten Teil des Abgases mit der hohen Temperatur und des Niedertemperatur-Gemischs aus der zweiten Frischluft und dem zweiten Teil des Abgases mit der niedrigen Temperatur erzeugt wird.
In einer ersten Ausführungsform des typischen Aspekts besteht das Einlassventilelement aus einem Paar aus einem ersten und einem zweiten Einlassventil, die vorgesehen sind, den Einlass zu öffnen oder zu schließen, wenn sie betätigt werden, das Auslassventilelement besteht aus einem Paar aus einem ersten und einem zweiten Auslassventil, die vorgesehen sind, den Auslass zu öffnen oder zu schließen, wenn sie betätigt werden, das erste Einlassventil und das erste Auslassventil sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, das zweite Einlassventil und das zweite Auslassventil sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, der Rückführungsdurchgang ist mit dem Gas-Einlassdurchgang derart verbindbar, dass es eine verbundene Stellung des Rückführungsdurchgangs mit dem Gas-Einlassdurchgang ermöglicht, dass der zweite Teil des Abgases in das erste Einlassventil eingeleitet wird, wobei der erste Teil des Abgases, der in die Verbrennungskammer zurückgeführt werden soll, dafür vorgesehen ist, durch das zweite Auslassventil hindurchzugehen.
Bei einer zweiten Ausführungsform des typischen Aspekts ist das Kühlungs- und Rückführungssystem dafür konfiguriert, den zweiten Teil des Abgases über den Rückführungsdurchgang zurückzuführen, während sich ein Parameter auf der Grundlage einer geforderten Last für die Brennkraftmaschine und eines Wertes einer Drehzahl der Brennkraftkraftmaschine innerhalb einer vorbestimmten Region in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine befindet.
Bei einer dritten Ausführungsform des typischen Aspekts ist die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung dafür konfiguriert, während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine, die in dem homogenen Kompressionszündungsmodus arbeitet, Kraftstoff direkt einzuspritzen.
Bei einer vierten Ausführungsform des typischen Aspekts besteht das Einlassventilelement aus einem Paar aus einem ersten und einem zweiten Einlassventil, die vorgesehen sind, den Einlass zu öffnen oder zu schließen, wenn sie betätigt werden, das Auslassventilelement besteht aus einem Paar aus einem ersten und einem zweiten Auslassventil, die vorgesehen sind, den Auslass zu öffnen oder zu schließen, wenn sie betätigt werden, das erste Einlassventil und das erste Auslassventil sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, das zweite Einlassventil und das zweite Auslassventil sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, der Rückführungsdurchgang ist mit dem Gas-Einlassdurchgang derart verbindbar, dass es eine verbundene Stellung des Rückführungsdurchgangs mit dem Gas-Einlassdurchgang ermöglicht, dass der zweite Teil des Abgases in das erste Einlassventil eingeleitet wird, wobei der erste Teil des Abgases, der in die Verbrennungskammer zurückgeführt werden soll, dafür vorgesehen ist, durch das zweite Auslassventil hindurchzugehen. Die Brennkraftmaschine umfasst ferner eine Trennwand ein, die den Einlass und einen Teil des mit demselben verbundenen Gas-Einlassdurchgangs abtrennt, wobei die Trennwand wenigstens stromabwärts von einer weiteren Position in dem Gas-Einlassdurchgang angeordnet ist, wo der durch das Kühlungs- und Rückführungssystem gekühlte zweite Teil des Abgases eingeleitet wird.
Die Brennkraftmaschine nach dem typischen Aspekt der vorliegenden Erfindung führt zu Folgendem: einer Ausdehnung von deren Betriebsbereich in dem homogenen Kompressionszündungsmodus in ihren gesamten Betriebsbereich, einen Abfall der Verbrennungstemperatur, um Erzeugung und Ausstoß von NO_x-Emissionen zu verringern, und die Verhinderung von schneller Verbrennung, Klopfen und Erzeugung von Verbrennungslärm auf Grund derselben.
Figurenliste
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 eine Ansicht ist, die schematisch den Hauptteil einer Brennkraftmaschine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert,
2 eine Seitenansicht eines Einlassventils, eines Auslassventils und eines Paares von Ventilbetätigungsmechanismen der Brennkraftmaschine ist,
3 eine perspektivische Ansicht ist, die schematisch die Anordnung einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, eines Paares von Einlassventilen und des Paares von Ventilbetätigungsmechanismen der Brennkraftmaschine illustriert,
4 eine Ansicht ist, die schematisch illustriert: das Paar von Einlassventilen für jeden Zylinder, ein Paar von Auslassventilen für jeden Zylinder und ein Abgas-Kühlungs- und -Rückführungssystem der Brennkraftmaschine, gesehen von den entsprechenden Kolbenseiten aus,
5 eine graphische Darstellung ist, die schematisch ein Beispiel des Hubs jedes des Paars von Einlassventilen und des Paares von Auslassventilen in Bezug auf den Kurbelwinkel illustriert, während die Brennkraftmaschine in einem homogenen Zündungsmodus arbeitet, illustriert,
6 eine graphische Darstellung ist, die schematisch ein Beispiel des Betriebsbereichs der Brennkraftmaschine in Bezug auf Motordrehzahl und -last illustriert,
7 eine Ansicht ist, die schematisch eine Verbrennungskammer eines Zylinders der Brennkraftmaschine illustriert, in dem eine Gasschichtung erzeugt wird, während die Brennkraftmaschine in dem homogenen Zündungsmodus arbeitet,
8 eine graphische Darstellung ist, die schematisch den Innendruck des Zylinders in Bezug auf den Kurbelwinkel in der Brennkraftmaschine illustriert,
9 eine Ansicht ist, die schematisch illustriert: ein Paar von Einlassventilen für jeden Zylinder, ein Paar von Auslassventilen für jeden Zylinder und ein Abgas-Kühlungs- und -Rückführungssystem einer Brennkraftmaschine gemäß einer Modifikation der Ausführungsform, gesehen von den entsprechenden Kolbenseiten aus,
10 eine graphische Darstellung ist, die schematisch ein Beispiel des Hubs jedes eines Paares von Einlassventilen und eines Paares von Auslassventilen in Bezug auf den Kurbelwinkel bei einer Brennkraftmaschine gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, und
11 eine graphische Darstellung ist, die schematisch ein Beispiel des Hubs jedes des Paars von Einlassventilen und des Paars von Auslassventilen in Bezug auf den Kurbelwinkel bei einer Brennkraftmaschine gemäß einer anderen modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden werden Brennkraftmaschinen nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Zeichnungen, und daher müssen die Abmessungen von in den Zeichnungen illustrierten Elementen nicht identisch sein mit denen von entsprechenden tatsächlichen. Ähnlich müssen die Verhältnisse zwischen den Abmessungen der illustrierten Elemente nicht identisch sein mit denen zwischen den Abmessungen von entsprechenden tatsächlichen, und die Formen der illustrierten Elemente müssen nicht identisch sein mit denen von entsprechenden tatsächlichen. Die Abmessungen von einem oder mehreren in einer Zeichnung illustrierten Element(en) müssen nicht identisch sein mit den in einer anderen Zeichnung illustrierten derselben. Ähnlich müssen die Verhältnisse zwischen den Abmessungen von einem oder mehreren in einer Zeichnung illustrierten Element(en) nicht identisch sein mit denen zwischen den in einer anderen Zeichnung illustrierten Abmessungen derselben, und die Formen von einem oder mehreren in einer Zeichnung illustrierten Element(en) müssen nicht identisch sein mit den in einer anderen Zeichnung illustrierten derselben.
Eine Brennkraftmaschine 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dafür ausgelegt, umschaltbar in einem Funkenzündungsmodus und einem homogenen Kompressionszündungs-modus, im Folgenden als HCCI-Modus bezeichnet, zu arbeiten, und zwar in einem vorbestimmten gesamten Betriebsbereich in Bezug auf Drehzahl und Last. In dem HCCI-Modus wird eine homogene Ladung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs durch einen Kolben in einer Verbrennungskammer eines Zylinders verdichtet, um die Zündung zu starten.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Brennkraftmaschine 10, einfach als die Maschine 10 bezeichnet, nach dieser Ausführungsform einen Zylinderblock 11A und einen Zylinderkopf 11B, der oben auf dem Zylinderblock 11A angebracht ist. In dem Zylinderblock 11A sind mehrere Zylinder 11 geformt. Bei dieser Ausführungsform sind in dem Zylinderblock A vier Zylinder 11 geformt, die in einer Reihe angeordnet sind (siehe 4). Der Zylinderkopf 11B hat eine Bodenfläche 11a, die für jeden Zylinder 11 geformt ist. In jedem der Zylinder 11 ist ein Kolben 12 angeordnet, um hin- und herzugehen, wobei der Raum zwischen dem Kopf 12a des Kolbens 12 und der Bodenfläche 11a des entsprechenden Zylinders 11 eine Verbrennungskammer 14 definiert. Die Verbrennungskammer 14 jedes Zylinders 11 ist über einen Einlass 15 mit einem Ansaugkrümmer, d.h. der Baugruppe von Ansaugrohren, 41 verbunden, der als ein Gas-Einlassdurchgang dient, und ist über einen Auslass 17 mit einem Auspuffkrümmer, d.h. der Baugruppe von Auspuffrohren, 42 verbunden, der als ein Gas-Auslassdurchgang dient. Der Einlass 15 und der Auslass 17 sind symmetrisch in Bezug auf die Längsachse eines entsprechenden Zylinders 11. Für jeden Zylinder 11 ist in dem Zylinderkopf 11B eine Zündkerze 20 für eine direkte Verbindung mit der Verbrennungskammer 14 angeordnet. Die Zündkerze 20 wird so gesteuert, dass sie einen Funken in der Verbrennungskammer 14 erzeugt, um die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in derselben zu starten, während die Brennkraftmaschine 10 in dem Funkenzündungsmodus arbeitet.
Die Maschine 10 umfasst für jeden Zylinder 11 eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, einfach als Einspritzvorrichtung bezeichnet, 19, ein Paar von Einlassventilen 16A und 16B, ein Paar von Auslassventilen 18A und 18B und ein Paar von Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B ein. Die Maschine 10 umfasst ebenfalls ein Abgas-Kühlungs- und - Rückführungssystem, einfach als Kühlungs- und Rückführungssystem bezeichnet, 50.
Die Einspritzvorrichtung 19 ist so in dem Zylinderkopf 11B angeordnet, dass sie direkt mit der Verbrennungskammer 14 eines entsprechenden Zylinders 11 verbunden ist und dafür ausgelegt, unter Hochdruck gesetzten Kraftstoff zum Beispiel von einer Kraftstoffzufuhr (nicht gezeigt) für eine direkte Einspritzung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 14 aufzunehmen. Die Einlassventile 16A und 16B sind in dem Zylinderkopf 11B angeordnet und werden so gesteuert, dass sie den Einlass 15 eines entsprechenden Zylinders 11 öffnen oder schließen, um zu ermöglichen, dass Frischluft über den Einlass 15 in die Verbrennungskammer 14 eingeleitet wird. Die Auslassventile 18A und 18B sind so in dem Zylinderkopf 11B angeordnet, dass sie symmetrisch in Bezug auf die Längsachse eines entsprechenden Zylinders 11 sind. Die Auslassventile 18A und 18B werden so gesteuert, dass sie den Auslass 17 eines entsprechenden Zylinders 11 öffnen oder schließen, um zu ermöglichen, dass Abgas auf Grund der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 über den Auslass 17 aus der Verbrennungskammer 14 in den Auspuffkrümmer 42 abgegeben wird.
Der Ventilbetätigungsmechanismus 40A ist funktionsfähig, um die Einlassventile 16A und 16B zu jeweiligen individuellen Zeitpunkten zu betätigen, um den Einlass 15 zu öffnen oder zu schließen, und der Ventilbetätigungsmechanismus 40B ist funktionsfähig, um die Auslassventile 18A und 18B zu jeweiligen individuellen Zeitpunkten zu betätigen, um den Auslass 17 zu öffnen oder zu schließen.
Das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 ist außerhalb der Verbrennungskammern 14 (der Zylinder 11) angeordnet und dafür konfiguriert, den Auspuffkrümmer 42 durch Rohre mit dem Ansaugkrümmer 41 zu verbinden, um das Abgas, das in dem Auspuffkrümmer 42 passiert in den Ansaugkrümmer 41 zurückzuführen, während es gekühlt wird.
Im Einzelnen werden während eines Ansaugtaktes der Maschine 10, die in dem HCCI-Modus arbeitet, die Einlassventile 16A und 16B durch den Ventilbetätigungsmechanismus 40A gesteuert, um den Einlass 15 zu öffnen, und das Auslassventil 18B wird durch den Ventilbetätigungsmechanismus 40B gesteuert, um den Auslass17 zu öffnen. Dies führt zu einer Rückgabe von Abgas mit einer hohen Temperatur aus dem Auslass 17 in die Verbrennungskammer 14. Außerdem wird während eines Ansaugtaktes der Kraftmaschine 10 Abgas, das aus dem Auspuffkrümmer 42 zurückgeführt worden ist, während es durch das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 gekühlt wird, so dass es eine niedrige Temperatur hat, zusammen mit Frischluft über das Einlassventil 16A in die Verbrennungskammer 14 eingeleitet.
Folglich sind in der Verbrennungskammer 14 ein Gemisch von zurückgeführtem Abgas mit einer niedrigen Temperatur und Frischluft und ein Gemisch von zurückgeführtem Abgas mit einer hohen Temperatur und Frischluft enthalten, so dass in der Verbrennungskammer 14 eine Schichtung des Gemischs von Frischluft und Abgas mit einer hohen Temperatur und des Gemischs von Frischluft und Abgas mit einer niedrigen Temperatur erzeugt wird. Mit anderen Worten, in der Verbrennungskammer 14 wird eine geschichtete Temperaturverteilung des Abgases erzeugt.
Zum Beispiel ist das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 nach dieser Ausführungsform vorgesehen, um eine Verbindung des Auspuffkrümmers 42, der mit dem Auslass 17 verbunden ist, mit dem Ansaugkrümmer 41, der mit dem Einlass 15 verbunden ist, herzustellen
Als Nächstes wird im Folgenden eine spezifische Struktur der Maschine 10 nach dieser Ausführungsform beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist der Kolben 12, der in einem entsprechenden Zylinder 11 hin- und hergeht, über eine Pleuelstange 13 an eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt. Dies ermöglicht die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 12 in die Drehbewegung der Kurbelwelle. Die Drehbewegung der Kurbelwelle dient als eine abgegebene Drehleistung der Maschine 10.
Die Maschine 10 umfasst Sensoren und ein Steuergerät (nicht gezeigt). Die Sensoren sind funktionsfähig, um Signale zu erzeugen, die Betriebsbedingungen oder Parameter der Maschine 10 anzeigen. Die Sensoren stehen in elektrischer Verbindung mit dem Steuergerät. Das Steuergerät steht in elektrischer Verbindung mit der Zündkerze 20, den Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B und dem Kühlungs- und Rückführungssystem 50.
Die Betriebsbedingungen oder Parameter der Maschine 10 umfassen zum Beispiel einen Parameter, der die Drehzahl der Maschine 10 anzeigt, einen Parameter, der einen Drehwinkel der Kurbelwelle anzeigt, eine geforderte Last für die Maschine 10, eine Maschinen-Kühlmitteltemperatur, eine Ansaugluftmenge/-temperatur und eine Abgastemperatur. Zum Beispiel ist ein Kurbelwinkelsensor unter den Sensoren funktionsfähig, um jedes Mal, wenn die Kurbelwelle um einen voreingestellten Winkel bewegt wird, an das Steuergerät einen Kurbelimpuls auszugeben. Das Zählen der Anzahl der von dem Kurbelwinkelsensor gesendeten Kurbelimpulse ermöglicht es, dass die Drehzahl der Maschine 10 gemessen wird.
Falls die Maschine 10 in einem Fahrzeug eingebaut ist, kann die geforderte Last zum Beispiel als der durch einen Fahrer betätigte (niedergedrückte) Hub eines vom Fahrer zu betätigenden Gaspedals des Fahrzeugs dargestellt werden, und der durch den Fahrer betätigte Hub des vom Fahrer zu betätigenden Gaspedals kann durch einen in der Maschine enthaltenen Gaspedalsensor gemessen werden.
Im Einzelnen ist die Maschine 10 derart konfiguriert, dass, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung 19, die Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B und/oder die Zündkerze 20 während eines Ansaugtaktes (einer Abwärtsbewegung des Kolbens 12) Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer 14 eines entsprechenden Zylinders ziehen, während eines Verdichtungstaktes (einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 12) ein Gemisch aus direkt zugeführtem Kraftstoff und Ansaugluft in der Verbrennungskammer 14 verdichten, eine Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemischs durch HCCI-Zündung oder Funkenzündung auslösen, was zu einer Abwärtsbewegung des Kolbens 12 als ein Arbeitshub führt, und während eines Ausstoßtaktes (einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 12) das Abgas aus der Verbrennungskammer 14 ausstoßen. Die Maschine 10 arbeitet in dem HCCI-Modus oder dem Funkenzündungsmodus, um die vier Takte für jeden Zylinder zu wiederholen.
Als Nächstes werden im Folgenden die Strukturen der Einlassventile 16A und 16B und diejenigen der Auslassventile 18A und 18B beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 hat der Einlass 15 an seinem einen Ende ein Paar von Öffnungen 15a in der Bodenfläche 11a des Zylinderkopfs 11B; die Öffnungen 15a sind parallel zu der Anordnungsrichtung der Zylinder 11 ausgerichtet. Ähnlich hat der Auslass 17 an seinem einen Ende ein Paar von Öffnungen 17a in der Bodenfläche 11a des Zylinderkopfs 11B; die Öffnungen 17a sind symmetrisch und parallel zu den Öffnungen 15a um eine virtuelle Ebene, die durch die Längsachse eines entsprechenden Zylinders 11 hindurchgeht und sich in der Anordnungsrichtung der Zylinder 11 erstreckt.
Jedes der Einlassventile 16A und 16B besteht aus einem Ventilschaft 21 und einem scheibenförmigen Teller 16a, der im Durchmesser größer ist als der Ventilschaft 21. Jedes der Einlassventile 16A und 16B ist beweglich in dem Einlass 15 eingebaut, um, mit dem Teller 16a, eine entsprechende der Öffnungen 15a zu öffnen und zu schließen. Ähnlich besteht jedes der Auslassventile 18A und 18B aus einem Ventilschaft 21 und einem scheibenförmigen Teller 18a, der so an einem Ende des Ventilschafts 21 geformt ist, dass er im Durchmesser größer ist als der Ventilschaft 21. Jedes der Auslassventile 18A und 18B ist beweglich in dem Auslass 17 eingebaut, um, mit dem Teller 18a, eine entsprechende der Öffnungen 17a zu öffnen und zu schließen.
Das heißt, wenn jedes der Einlassventile 16A und 16B an seinem Teller 16a auf der Bodenfläche 11a des Zylinderkopfes 11B aufsitzt, ist eine entsprechende der Öffnungen 15a geschlossen, so dass der Einlassschlitz 15 geschlossen ist. Wenn jedes der Einlassventile 16A und 16B, das auf der Bodenfläche 11a aufsitzt, angehoben wird, wird eine entsprechende der Öffnungen 15a geöffnet, was es ermöglicht, dass Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer 14 eingeleitet wird.
Ähnlich ist, wenn jedes der Auslassventile 18A und 18B an seinem Teller 18a auf der Bodenfläche 11a des Zylinderkopfes 11B aufsitzt, eine entsprechende der Öffnungen 17a geschlossen, so dass der Auslass 17 geschlossen ist. Wenn jedes der Auslassventile 18A und 18B, das auf der Bodenfläche 11a aufsitzt, angehoben wird, wird eine entsprechende der Öffnungen 17a geöffnet, was es ermöglicht, dass das Abgas in der Verbrennungskammer 14 aus derselben ausgestoßen wird.
Unter Bezugnahme auf 4 sind die Einlassventile 16A und 16B parallel zu der Anordnungsrichtung (Pfeil A in 4) der Zylinder 11 ausgerichtet, und die Auslassventile 18A und 18B sind in der Anordnungsrichtung A der Zylinder 11 ausgerichtet, so dass sie den Einlassventilen 16A und 16B gegenüberliegen. Mit anderen Worten, ein erstes Paar aus dem Einlassventil 16A und dem Auslassventil 18A und ein zweites Paar aus dem Einlassventil 16B und dem Auslassventil 18B sind einander gegenüberliegend angeordnet.
Als Nächstes werden im Folgenden die Strukturen und Operationen der Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 2 wird der Ventilschaft 21 jedes der Einlassventile 16A und 16B und der Auslassventile 18A und 18B durch eine Feder angetrieben, um eine entsprechende Öffnung zu schließen, d.h., den Hub eines entsprechenden Ventils aufzuheben. Diese Einlassventile 16A und 16B und die Auslassventile 18A und 18B werden zu individuellen Zeitpunkten durch die Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B betätigt, um einen entsprechenden Einlass 15 oder Auslass 17 zu öffnen oder zu schließen. Jeder von den Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B besteht aus einem Zapfen 23, einem Kipphebel 24, einer Steuerwelle 25, einem Schwenkelement 25a, einer Rolle 26, einem Paar von Steuerungselementen, d.h., Schwenknocken 27, einer Schwenkrolle, d.h., einem Kurvenroller 28, einer Nockenwelle 29 und einem Antriebsnocken 30.
Der Zapfen 23 trägt schwenkbar den Kipphebel 24, wobei sein eines axiales Ende ein Widerlager an dem einen Ende des Kipphebels 24 ist. An dem anderen Ende des Kipphebels 24 befindet sich das andere Ende (in 2 das obere Ende) des Ventilschafts 21 in Widerlager durch die Vorspannkraft der Feder 22. Der Kipphebel 24 ist in seiner Mitte mit der Rolle 26 ausgebildet, die durch einen Haltestift 26a drehbar gehalten wird. Der Kipphebel 24 ist dafür eingerichtet, zu schwenken, um dem Schwenken der Steuerungselemente 27 um die Mittelachse der Steuerwelle 25 zu folgen, wobei sich die Rolle 26 in Widerlager an den Steuerungselementen 27 befindet.
Jedes der Steuerungselemente 27 ist über ein Gewinde an einer vorbestimmten Position des Außenumfangs der Steuerwelle 25 befestigt, die dem Hubzeitpunkt eines entsprechenden, später beschriebenen, Ventils entspricht. Das Schwenkelement 25A hat ein erstes und ein zweites Ende, die einander in seiner Längsrichtung gegenüberliegen. Das erste Ende des Schwenkelements 25A ist an der Steuerwelle 25 angebracht. Die Schwenkrolle 28 wird durch einen Haltestift 28a an dem zweiten Ende des Schwenkelements 25A gehalten. Jedes der Steuerungselemente 27 ist dafür eingerichtet, den Hub eines entsprechenden Ventiltellers 16a oder 18a an dem einen Ende des Ventilschafts 21 zu begrenzen, entsprechend einer Druckberührungsposition zwischen einem entsprechenden der Steuerungselemente 27 und der Rolle 26 in der Mitte des Kipphebels 24.
Unter Bezugnahme auf 2 wird die Schwenkrolle 28 durch ein Vorspannelement (nicht gezeigt) im Uhrzeigersinn um die Steuerwelle 25 vorgespannt. Die Nockenwelle 29 ist so an die Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt, dass sie synchron mit der Drehung der Kurbelwelle gedreht wird. Der Antriebsnocken 30, der einen Vorsprung und an seinem Außenumfang eine Nockenfläche 30a hat, ist an dem Außenumfang einer vorbestimmten Position der Nockenwelle 29 befestigt. Der Außenumfang der im Uhrzeigersinn um die Steuerwelle 25 vorgespannten Schwenkrolle 28 ist in Widerlager an der Nockenfläche 30a gebracht.
Mit der Konfiguration jedes der Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B schiebt der Vorsprung des Antriebsnockens 30 die Schwenkrolle 28, die sich in Druckwiderlager an der Nockenfläche 30a befindet, um die Schwenkrolle 28 während der Drehung der Kurbelwelle 29 zu schwenken, so dass der Kipphebel 24 über die Rolle 26 schwenkt, die sich in Druckwiderlager an dem Steuerungselement 27 befindet, das mit dem Schwenkelement 25A integriert ist, an dem die Schwenkrolle 28 getragen wird. Dies bewirkt, dass sich ein entsprechendes der Ventile 16A, 16B, 18A und 18B nach unten bewegt, d.h., in Axialrichtung nach unten verschiebt, gegen die Vorspannkraft der Feder 22, was es ermöglicht, dass sich ein entsprechender der Ventilteller 16a und 18a von einer entsprechenden der Öffnungen 15a und 17a abhebt. Der Hub des Ventiltellers 16a ermöglicht es, dass Luft über den Einlass 15 in die Verbrennungskammer 14 eingeleitet wird, und der Hub des Ventiltellers 18a ermöglicht es, dass Abgas über den Auslass 17 aus der Verbrennungskammer ausgestoßen wird.
Im Gegensatz dazu bewirkt, wenn den Vorsprung des Antriebsnockens 30 von der Schwenkrolle 28, die sich in Druckwiderlager an der Nockenfläche 30a befindet, um die Schwenkrolle 28 während der Drehung der Kurbelwelle 29 zu schwenken, getrennt ist, die Vorspannkraft der Feder 22, dass sich ein entsprechender der Ventilteller 16a und 18a nach oben bewegt, d.h. sich in Axialrichtung nach oben verschiebt. Dies führt zu einem engen Kontakt eines der Ventilteller 16a und 18a an einer entsprechenden der Öffnungen 15a und 17a, was folglich einen entsprechenden des Einlasses 15 und Auslasses 17 schließt.
Unter Bezugnahme auf 3 sind die Steuerungselemente 27 benachbart auf beiden Seiten des Schwenkelements 25A in der Axialrichtung der Steuerwelle 25 angeordnet. Jedes der Steuerungselemente 27 hat eine Steuerungsfläche 27a (siehe 2), an der sich die Rolle 26 des Kipphebels 24 in Druckwiderlager befindet.
Jede der Steuerungsflächen 27a der Steuerungselemente 27 hat ein gemeinsames Profil, das derart geformt ist, dass sich die Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und einem entsprechenden Steuerungselement (Schwenknocken) 27 der Mittelachse der Steuerwelle 25 nähert/von derselben entfernt, wenn die Steuerungselemente 27 um die Mittelachse der Steuerwelle 25 schwenken. Folglich ermöglicht die Veränderung der Druckberührungsposition (der relativen Drehstellung) zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem Steuerungselement 27 eine Einstellung des Schwenkens des Kipphebels 24.
Bei dieser Ausführungsform besteht jeder der Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B aus einem Motor (nicht gezeigt), an den die Steuerwelle 25 gekoppelt ist, und der Motor ist verbindbar mit dem Steuergerät verbunden. Unter der Steuerung des Steuergerätes verändert eine fortlaufende Einstellung des Drehwinkels der Steuerwelle 25 die Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem Steuerungselement 27, was folglich den Hub eines entsprechenden Ventils verändert.
Außerdem aktiviert, unter Bezugnahme auf 5, unter der Steuerung des Steuergerätes nach dieser Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus 40B während des Ausstoßtaktes das Auslassventil 18A, um den Auslass 17 zu öffnen, während die anderen Ventile die entsprechenden Einlässe/Auslässe schließen, und zwar derart, dass der Hub, d.h., der Arbeitshub, des Auslassventils 18A wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird.
Unter Bezugnahme auf 5 aktivieren unter der Steuerung des Steuergerätes die beiden Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B während des Ansaugtaktes die Einlassventile 16A und 16B und das Auslassventil 18B, um den Einlass 15 und den Auslassschlitz 17 zu öffnen. Dies verändert den Hub jedes der Einlassventile 16A und 16B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude, während es den Hub des Auslassventils 18B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten kleinen Wert als deren Amplitude verändert.
Im Einzelnen wird, unter der Steuerung des Steuergerätes, jeder der Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B derart angetrieben, dass sich die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem Steuerungselement 27 mit derjenigen des Hubs eines entsprechenden der Einlass- und der Auslassventile 16A, 16B, 18A und 18B, wie in 5 illustriert, in Übereinstimmung befindet. Mit anderen Worten, jeder der Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B passt, die Veränderung der Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem Steuerungselement 27, daran an, wie der Hub eines entsprechenden der Einlass- und der Auslassventile 16A, 16B, 18A und 18B verändert wird.
Bei dieser Ausführungsform werden der Ventilöffnungszeitpunkt, der Ventilhubtakt und der Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils 18A für jeden Zylinder 11 so gesteuert, dass sie sich in Übereinstimmung miteinander befinden, und der Ventilöffnungszeitpunkt, der Ventilhubtakt und der Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils 18B für jeden Zylinder 11 werden so gesteuert, dass sie sich in Übereinstimmung miteinander befinden.
Die Einspritzvorrichtung 19 ist zwischen dem Paar von Einlassventilen 16A und 16B angeordnet (siehe 3). Unter Bezugnahme auf 1 ist die Einspritzvorrichtung 19 dafür konfiguriert, unter der Steuerung des Steuergerätes zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, zum Beispiel während des Ansaugtaktes oder des Verdichtungstaktes, eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff in die Verbrennungskammer 14 einzuspritzen, wenn jedes der Einlassventile 16A und 16B hin- und hergeht, um die Öffnung 15a des Einlasses 15 zu öffnen und sie zu schließen, synchron mit der Bewegung des Kolbens 12, d.h. der Drehung der Kurbelwelle. Im Einzelnen ist die Einspritzvorrichtung 19 nach dieser Ausführungsform derart ausgelegt, dass die Richtung der Kraftstoffeinspritzung durch dieselbe zu einem Punkt in der Verbrennungskammer 14 hin festgesetzt ist; der Punkt ist die Mitte des Deckels 12a des Kolbens 12, wenn sich der Deckel 12a des Kolbens 12 am OT (oberen Totpunkt) befindet.
Als Nächstes werden im Folgenden die Struktur und die Operationen des Kühlungs- und Rückführungssystems 50 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 und 4 besteht das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 aus einem Rückführungsrohr 51, einem AGR-Kühler 52 und einer AGR-Ventileinrichtung 53. Das Rückführungsrohr 51 ist ein Rückführungsdurchgang, der eine Verbindung zwischen jedem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers 41 und zum Beispiel einem Auspuffrohr des Auspuffkrümmers 42, das einem Zylinder 11 entspricht, herstellt, während er die Verbrennungskammer 14 umgeht. Der AGR-Kühler 52 ist stromaufwärts von der AGR-Ventileinrichtung 53 an dem Rückführungsrohr 51 angeordnet und dafür eingerichtet, das Abgas zu kühlen, das aus dem Auspuffkrümmer 42 eingeleitet wird, und folglich das gekühlte Abgas zu dem Ansaugkrümmer 41 weiterzuleiten. Das AGR-Ventil 53 ist verbindbar mit dem Steuergerät verbunden. Die AGR-Ventileinrichtung 53 ist dafür eingerichtet, unter der Steuerung des Steuergerätes das Weiterleiten von Abgas von dem Auspuffkrümmer 42 zu dem Ansaugkrümmer 41 zu beginnen, die Weiterleitung von Abgas anzuhalten und die Menge an Abgas, die zu dem Ansaugkrümmer 41 weitergeleitet wird, zu regulieren. Der AGR-Kühler 52 kann aus einem Wasserkühlungssystem und/oder einem Luftkühlungssystem bestehen oder kann aus einem Rohr mit einer langen Länge bestehen, die erforderlich ist, um das Abgas ausreichend zu kühlen.
Im Einzelnen umfasst in dieser Ausführungsform das Rückführungsrohr 51 Verbindungsstücke 51A und ist, über die Verbindungsstücke 51A, verbindbar mit ein Ansaugrohren des Ansaugkrümmers 41 für die jeweiligen Zylinder 11 verbunden (siehe 4). Zu bemerken ist, dass jedes der Verbindungsstücke 51A stromaufwärts von einer Strömungsbahn von Frischluft, d.h. Verbrennungsluft, in das Einlassventil 16A für einen entsprechenden der Zylinder 11 angeordnet ist, was es ermöglicht, dass das durch den AGR-Kühler 52 gekühlte Abgas in das Einlassventil 16A für einen entsprechenden der Zylinder 11 eingeleitet wird. Im Einzelnen ist jedes der Verbindungsstücke 51A näher an dem Einlassventil 16A für einen entsprechenden der Zylinder 11 als an dem Einlassventil 16B für denselben angeordnet derart, dass das gekühlte Abgas zu dem Einlassventil 16A hin geleitet wird, ohne zu dem Einlassventil 16B hin geleitet zu werden.
Bei dieser Ausführungsform ist, um die Maschine 10 dazu zu veranlassen, in dem HCCI-Modus zu arbeiten, das Steuergerät so programmiert, dass es das Auslassventil 18B für jeden der Zylinder 11 zu dem Zeitpunkt und der Dauer, wie in 5 illustriert, während des Ansaugtaktes öffnet, was folglich veranlasst, dass das Abgas mit hoher Temperatur in dem Auspuffkrümmer 42 durch das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 über den Ansaugkrümmer 41 zurück in die Verbrennungskammer 14 eingespeist wird.
Als Nächstes werden im Folgenden die Operationen der Maschine 10 beschrieben.
6 illustriert schematisch eine Abbildung, wie beispielsweise eine Datentabelle und ein Programm, die ein Beispiel des Betriebsbereichs der Maschine 10 in Bezug auf Maschinendrehzahl und -last darstellt. Bei dieser Ausführungsform zeigt ein Parameter den Betriebsmodus der Maschine 10 in Abhängigkeit von der geforderten Last und der Maschinendrehzahl an. Die Abbildung ist zum Beispiel in dem Steuergerät gespeichert. Das heißt, das Steuergerät bestimmt, welcher von den Betriebsmodi, d.h. dem HCCI-Modus und dem Funkenzündungsmodus, in der Maschine 10 eingesetzt wird, unter Verwendung der Eingaben von geforderter Last und Maschinendrehzahl.
Im Einzelnen repräsentiert in 6 eine erste Region I des Betriebsbereichs, in der sowohl die geforderte Last als auch die Maschinendrehzahl verhältnismäßig niedrig sind, den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine 10, und eine dritte Region III, in der wenigstens einer der Parameter geforderte Last und Maschinendrehzahl verhältnismäßig hoch ist, repräsentiert den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine 10.
Im Gegensatz dazu repräsentiert jede von einer zweiten und einer vierten Region II und IV, in denen entweder die geforderte Last eine mittlere Last ist oder die Maschinendrehzahl eine mittlere Drehzahl ist, den HCCI-Modus als den Betriebsmodus der Maschine 10. Während des normalen Betriebs der Maschine 10 wird entweder die zweite oder die vierte Region II oder IV verwendet.
Im Einzelnen bestimmt, falls sich ein Wert des Parameters auf der Grundlage eines Eingangswertes der geforderten Last und eines Eingangswertes der Maschinendrehzahl innerhalb der ersten Region I befindet, das Steuergerät den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine 10. Folglich arbeiten, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung 19, die Einlassventile 16A und 16B über den Ventilbetätigungsmechanismus 40A, die Auslassventile 18A und 18B über den Ventilbetätigungsmechanismus 40B und der Zünder 21 für jeden Zylinder 11, um eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 jedes Zylinders auf der Grundlage eines durch die Zündkerze 20 erzeugten Funkens zu erzeugen.
Ähnlich bestimmt, falls sich ein Wert des Parameters auf der Grundlage eines Eingangswertes der geforderten Last und eines Eingangswertes der Maschinendrehzahl innerhalb der dritten Region III in 6 befindet, das Steuergerät den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine 10. Folglich arbeiten, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung 19, die Einlassventile 16A und 16B über den Ventilbetätigungsmechanismus 40A, die Auslassventile 18A und 18B über den Ventilbetätigungsmechanismus 40B und der Zünder 21 für jeden Zylinder 11, um eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 jedes Zylinders 11 auf der Grundlage eines durch die Zündkerze 20 erzeugten Funkens zu erzeugen.
Im Gegensatz dazu bestimmt, falls sich ein Wert des Parameters auf der Grundlage eines Eingangswertes der geforderten Last und eines Eingangswertes der Maschinendrehzahl innerhalb der zweiten Region II oder der vierten Region IV in 6 befindet, das Steuergerät den HCCI-Modus als den Betriebsmodus der Kraftmaschine 10. Folglich arbeiten, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung 19, die Einlassventile 16A und 16B über den Ventilbetätigungsmechanismus 40A, die Auslassventile 18A und 18B über den Ventilbetätigungsmechanismus 40B und die AGR-Ventileinrichtung 53 für jeden Zylinder 11, um eine Selbstzündung, d.h. Selbstverbrennung, des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 jedes Zylinders 11 zu erzeugen. Die HCCI-Verbrennung beseitigt die Notwendigkeit, einen Funken zu erzeugen, um dadurch den Energieverbrauch zu verringern, die Verbrennungstemperatur abzusenken, um die Erzeugung und den Ausstoß von NO_x-Emissionen zu verringern und eine schnelle Verbrennung, Klopfen und die Erzeugung von Verbrennungslärm auf Grund derselben zu verhindern.
Unter der Steuerung des Steuergerätes arbeitet die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform in dem HCCI-Modus, um den Strom von Abgas für eine HCCI-Verbrennung zu optimieren. Im Einzelnen stellt die Region II in 6 eine Region dar, in der die Maschine 10 in dem HCCI-Modus arbeiten könnte, selbst wenn das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 nicht in der Maschine 10 bereitgestellt wäre. Das heißt, die Summe der Region II und der Region IV stellt eine Region dar, in der die Maschine 10 unter Verwendung einer Schichtung des Abgases, erzeugt auf der Grundlage einer internen AGR, und des Abgases, erzeugt auf der Grundlage einer externen AGR nach dieser Ausführungsform, in dem HCCI-Modus arbeiten kann.
Im Einzelnen steuert, unter Bezugnahme auf 5, das Steuergerät die Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B und die AGR-Ventileinrichtung 53 während des Ansaugtaktes eines entsprechenden Zylinders 11 derart, dass: die Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B die Einlassventile 16A und 16B aktivieren, um den Einlass 15 mit einem großen Hubtakt derselben zu öffnen, der Ventilbetätigungsmechanismus 40B aktiviert das Auslassventil 18B, um den Auslass 17 mit einem kleinen Hubtakt desselben zu öffnen, und die AGR-Ventileinrichtung 53 veranlasst die Öffnung des Rückführungsrohrs 51.
Das Öffnen des Auslasses 17 leitet das aus der Verbrennungskammer 14 über den Auslass 17 abgegebene Abgas unter Verwendung der internen AGR wieder in die Verbrennungskammer 14 ein. Parallel dazu bewirkt die Öffnung des Rückführungsrohres 51 durch die AGR-Ventileinrichtung 53, dass das durch das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 gekühlte Abgas über das Einlassventil 16A in den Ansaugkrümmer 41 stromaufwärts von dem Einlassventil 16A eingeleitet wird. Außerdem spritzt, während des Ansaugtaktes, die Einspritzvorrichtung 19 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt direkt eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff in die Verbrennungskammer 14 ein. Das Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 14 während des Ansaugtaktes ermöglicht es, dass der eingespritzte Kraftstoff homogen in derselben verteilt wird.
Unter Bezugnahme auf 7 erzeugen die oben dargelegten Operationen der Maschine 10 ein erstes geschichtetes Gas, d.h. eine erste magere Gemischschicht, mit einer hohen Temperatur in einer Region in der Verbrennungskammer 14, die dem zweiten Paar aus dem Einlassventil 16B und dem Auslassventil 18B gegenüberliegt (siehe die rechte Hälfte der Verbrennungskammer 14 in 7); das erste geschichtete Gas besteht aus Abgas mit einer hohen Temperatur, auf der Grundlage der internen AGR eingeleitet über das Auslassventil 18B, und Frischluft „a“, eingeleitet über das Einlassventil 16B gegenüber dem Auslassventil 18B. Gleichzeitig erzeugen die oben dargelegten Operationen der Maschine 10 ein zweites geschichtetes Gas, d.h. ein zweites mageres Gemisch, mit einer niedrigen Temperatur in einer Region in der Verbrennungskammer 14, die dem ersten Paar aus dem Einlassventil 16A und dem Auslassventil 18A gegenüberliegt (siehe die linke Hälfte der Verbrennungskammer 14 in 7); das zweite geschichtete Gas besteht aus einem Gemisch von Frischluft „a“, eingeleitet über das Einlassventil 16A, und Abgas, auf der Grundlage der externen AGR gekühlt durch das Kühlungs- und Rückführungssystem 50.
Das heißt, die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform ist dafür ausgelegt, eine Schichtung der ersten mageren Gasschicht mit einer hohen Temperatur und der zweiten mageren Gasschicht mit einer niedrigen Temperatur in der Verbrennungskammer 14 zu erzeugen, um dadurch die Temperaturschichtung in der Verbrennungskammer 14 zu steigern, was zu einer Verlangsamung der Verbrennung des Kraftstoffgemischs führt. Folglich ist es möglich, die obere Lastgrenze des Betriebslastbereichs der Maschine 10 in dem HCCI-Modus auszudehnen, was es folglich ermöglicht, dass die Maschine 10 zusätzlich zu der Region 11 in der Region IV in dem HCCI-Modus arbeitet.
Im Einzelnen ist die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform derart ausgelegt, dass das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 das aus der Verbrennungskammer 14 ausgestoßene Abgas durch das außerhalb des Zylinderkopfs 11B angeordnete Rückführungsrohr 51 zurückführt, während es dasselbe abkühlt. Dies erzielt eine Temperaturschichtung mit einem Temperaturunterschied, der größer ist als der durch die bekannten Maschinen, die HCCI-Verbrennung verwenden, erreichte. Im Einzelnen erreicht die Kraftmaschine 10 nach dieser Ausführungsform, im Vergleich zu bekannten Maschinen, die HCCI-Verbrennung verwenden, eine ausreichende Verlangsamung der Verbrennung des Kraftstoffgemischs. Außerdem ist es der Maschine 10 möglich, eine vollständige Verbrennung des Abgases in der Verbrennungskammer zu erreichen, was folglich ihre Reinigungsleistung von Abgasemissionen verbessert.
Bei der Maschine 10 nach dieser Ausführungsform werden gekühltes Abgas und Frischluft mit einer niedrigen Temperatur während eines verhältnismäßig langen Zeitraums homogen vermischt, was zu einem gemäßigten sauerstoffarmen Gemisch aus gekühltem Abgas und Frischluft führt. Die Schichtung mit großem Temperaturgradienten aus dem oben dargelegten gekühlten Gasgemisch und dem Abgas mit einer hohen Temperatur, das von dem Auslassventil 18B auf der Grundlage der internen AGR in der Verbrennungskammer 14 zurückgespeist wird, führt zu einer verhältnismäßig kleinen Menge des gekühlten Gasgemischs. Dies bewirkt eine HCCI-Verbrennung in der Verbrennungskammer 14, während es die Verbrennungsgeschwindigkeit ausreichend verlangsamt.
Insbesondere ist die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform derart konfiguriert, dass ein Gemisch aus Abgas mit einer hohen Temperatur und gekühltem Abgas in der Verbrennungskammer 14 den Prozentsatz des Abgases in derselben steigert, was zu einer Unterdrückung der Zunahme der örtlichen Verbrennungsgeschwindigkeit führt, was folglich die Vibrationen und den Lärm, die durch die Maschine 10 erzeugt werden, verringert. Außerdem ist die Maschine 10 derart konfiguriert, dass Abgas mit einer hohen Temperatur in die Verbrennungskammer 14 eingeleitet wird. Diese Konfiguration trägt zu einer Steigerung der Temperatur innerhalb der Verbrennungskammer 14 (des entsprechenden Zylinders 11 bei, was folglich die Spitzenverbrennungstemperatur und den Spitzenverbrennungsdruck während der HCCI-Verbrennung verringert. Bei dieser Ausführungsform ist der Einlass 15, in den wenig gekühltes Abgas eingeleitet wird, so angeordnet, dass er dem Auslassventil 18B zum Zurückführen von Abgas mit einer hohen Temperatur gegenüberliegt. Diese Konfiguration verringert eine Menge an Frischluft, die in die Verbrennungskammer 14 einzuleiten ist, geringfügig, aber begrenzt die Zunahme des Unterdrucks innerhalb des entsprechenden Einlasses 15.
8 illustriert schematisch die technischen Effekte der Maschine 10 nach dieser Ausführungsform, im Vergleich zu denjenigen einer bekannten Maschine, die nicht die oben dargelegten Konfigurationen der Maschine 10 umfasst. In der Verbrennungskammer der bekannten Kraftmaschine, die in dem HCCI-Modus arbeitet, ereignet sich die Selbstzündung in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Verbrennungskammer gleichzeitig an vielen örtlichen Punkten in derselben. Dies schließt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem kurzen Zeitraum ab. Aus diesem Grund führen bei der bekannten Maschine Überlappungen von Zündungen des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 zu einem unmittelbaren Anstieg des Drucks P2 innerhalb des entsprechenden zündenden Zylinders bis zu einer vorbestimmten Obergrenze.
Im Gegensatz dazu wird in der Verbrennungskammer 14 der Maschine 10, die in dem HCCI-Modus arbeitet, eine große Temperaturschichtung der ersten mageren Gemischschicht mit einer hohen Temperatur und der zweiten mageren Gemischschicht mit einer niedrigen Temperatur in der Verbrennungskammer 14 erzeugt, wobei die Kraftstoffkonzentration von dem Mittelabschnitt der Verbrennungskammer 14, nahe der Zündkerze 20, bis zu ihrem Rand verteilt ist. Dies führt zu einer langsamen Verbrennung, wobei die Verbrennung automatisch an dem Mittelabschnitt der Verbrennungskammer 14 beginnt und sich danach allmählich zu ihrem Rand hin ausbreitet. Dies führt dazu, dass sich die Selbstzündung in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Verbrennungskammer 14 an vielen örtlichen Punkten zu unterschiedlichen Zeitpunkten ereignet, was folglich die Geschwindigkeit der Veränderung des Drucks P1 innerhalb des entsprechenden zündenden Zylinders im Vergleich mit dem Druck P2 verringert (siehe 8).
Folglich behält die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform die technischen Effekte der HCCI-Verbrennung bei, wie beispielsweise eine niedrige Verbrennungstemperatur und eine Verringerung bei Erzeugung und Ausstoß von NO_x-Emissionen. Außerdem verhindert die Maschine 10 eine schnelle Verbrennung, Klopfen und Verbrennungslärm auf Grund derselben.
Die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform ist dafür ausgelegt, eine geschichtete Konfiguration des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 zu erzeugen, um dadurch auf eine inhomogene Temperaturverteilung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer 14 zu bewirken, was es möglich macht, die Verbrennungsgeschwindigkeit zu unterdrücken. Im Einzelnen ist die Maschine 10 derart konfiguriert, dass Abgas mit einer niedrigen Temperatur, das durch das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 gekühlt wird, auf der Grundlage einer externen AGR mit der in die Verbrennungskammer 14 eingeleiteten Frischluft gemischt wird. Diese Konfiguration verringert den Prozentsatz von hochreiner Frischluft in der Verbrennungskammer 14, was folglich eine Zunahme der örtlichen Verbrennungsgeschwindigkeit in der Verbrennungskammer 14 beschränkt. Folglich verhindert die Maschine 10 angesichts der Beschränkung der Verbrennungsgeschwindigkeit schnelle Verbrennung, Klopfen und Verbrennungslärm auf Grund derselben.
Wegen der Beschränkung einer Zunahme der örtlichen Verbrennungsgeschwindigkeit in der Verbrennungskammer 14 ist es möglich, die obere Lastgrenze des Betriebslastbereichs der Maschine 10 in dem HCCI-Modus von einer mittleren Last zu einer höheren Last auszudehnen. Im Einzelnen kann, wie in 6 illustriert, die Maschine 10 zusätzlich zu der Region II, in der herkömmliche Kraftmaschinen arbeiten können, in der Region IV in dem HCCI-Modus arbeiten.
Die Maschine 10 nach dieser Ausführungsform ist dafür konfiguriert, nur die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem der Steuerungselemente 27, das eine Steuerungsfläche 27a mit einem gemeinsamen Profil hat, der Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B zu verändern, um dadurch den Hub eines entsprechenden der Einlass- und der Auslassventile 16A, 16B, 18A und 18B zu verändern. Mit anderen Worten ist es möglich, den Hub jedes der Einlass- und der Auslassventile 16A, 16B, 18A und 18B und die Hubzeitpunkte derselben zu steuern, was folglich die mit dem Hub jedes der Einlass- und der Auslassventile 16A, 16B, 18A und 18B verknüpften Steuerungsparameter vereinfacht.
9 ist eine Ansicht, die schematisch eine Brennkraftmaschine, einfach bezeichnet als eine Maschine, 10A nach einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, auf der Grundlage der Maschine 10, gesehen von den Kolbenseiten der entsprechenden Zylinder der Maschine 10A aus, illustriert. Unter Bezugnahme auf 9 besteht die Maschine 10A ferner aus Trennwänden 15A, die für die Ansaugrohre des Ansaugkrümmers 41 für die jeweiligen Zylinder 11 bereitgestellt werden. Die Trennwand 15A ist in dem Einlass 15 für jeden Zylinder 11 angeordnet, um den Einlass 15 und einen Teil des mit demselben verbundenen Ansaugrohres des Ansaugkrümmers 41 abzutrennen in einen ersten Kanal, der mit dem Einlassventil 16A verbunden ist, und einen zweiten Kanal, der mit dem Einlassventil 16B verbunden ist. Die Trennwand 15A erstreckt sich von einem Teil des Zylinderkopfes 11B, der zwischen den Einlassventilen 16A und 16B angeordnet ist, bis zu einer Position in dem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers 41, nahe dem zugeordneten Verbindungsstück 51A; die Position ist wenigstens stromabwärts von dem zugeordneten Verbindungsstück 51A angeordnet, das heißt, die Position kann stromaufwärts von dem zugeordneten Verbindungsstück 51A angeordnet sein.
Die Konfiguration der Maschine 10A ermöglicht es, dass durch das Kühlungs- und Rückführungssystem 50 gekühltes Abgas hauptsächlich in Frischluft eingeleitet wird, die durch den ersten Kanal in das Einlassventil 16A strömt. Das heißt, die Konfiguration der Maschine 10A leitet das Gemisch aus gekühltem Abgas und Frischluft mit einer niedrigen Temperatur in die Verbrennungskammer, während verhindert wird, dass gekühltes Abgas in das Einlassventil 16B eingeleitet wird. Dies führt zu einer größeren Temperaturschichtung des Gemischs aus gekühltem Abgas und Frischluft und des Gemischs aus Frischluft und Abgas mit einer hohen Temperatur, das von dem Auslassventil 18B zurückgespeist wird, was folglich die Verbrennungsgeschwindigkeit ausreichend verlangsamt.
Es ist die Kraftmaschine 10 nach dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, aber die Beschreibungen und Figuren derselben sind nicht auf die vorliegende Ausführungsform begrenzt. Fachleute auf dem Gebiet könnten aus den Beschreibungen und Figuren der Kraftmaschine 10 nach dieser Ausführungsform verschiedene alternative Ausführungsformen, andere Ausführungsformen und Betriebstechniken ableiten.
Zum Beispiel betätigt bei der Maschine 10 nach dieser Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus 40B das Auslassventil 18A, um den Auslass 17 zu öffnen derart, dass der Hub des Auslassventils 18A wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird, während der Ventilbetätigungsmechanismus 40B das Auslassventil 18B im Ausstoßtakt geschlossen hält, und der Ventilbetätigungsmechanismus 40B das Auslassventil 18B betätigt, um den Auslass 17 zu öffnen derart, dass der Hub des Auslassventils 18B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten kleinen Wert als deren Amplitude verändert wird.
10 illustriert schematisch, wie die Auslassventile 18A und 18B und die Einlassventile 16A und 16B nach einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu betätigen sind. Im Einzelnen betätigt bei dieser modifizierten Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus 40B, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Auslassventile 18A und 18B, um den Auslass 17 zu öffnen derart, dass in dem Ausstoßtakt sowohl der Hub des Auslassventils 18A als auch derjenige des Auslassventils 18B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird. Bei dieser modifizierten Ausführungsform betätigt in dem Ansaugtakt der Ventilbetätigungsmechanismus 40A, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einlassventile 16A und 16B, um den Einlass 15 zu öffnen derart, dass sowohl der Hub des Einlassventils 16A als auch derjenige des Einlassventils 16B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird. Außerdem ist bei dieser modifizierten Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus 40B mit einem Ventilantriebsmittel DM, wie beispielsweise einem Dekompressionsmittel, d.h. einem Dekompressionsmechanismus, und/oder einem mit dem Steuergerät 110 (siehe 10) verbindbaren Kraftmittel ausgestattet. Das Ventilantriebsmittel DM treibt zum Beispiel das Auslassventil 18B unter der Steuerung des Steuergerätes derart an, dass der Hub des Auslassventils 18B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten kleinen Wert als deren Amplitude verändert wird. Zum Beispiel ist das Ventilantriebsmittel DM dafür konfiguriert, das andere Ende des Kipphebels 24 hydraulisch nach unten zu drücken, was folglich den Auslass 17 öffnet.
11 illustriert schematisch, wie die Einlassventile 16A und 16B nach einer weiteren modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu betätigen sind. Bei dieser modifizierten Ausführungsform aktiviert der Ventilbetätigungsmechanismus 40A die Einlassventile 16A und 16B, um den Einlass15 zu öffnen derart, dass der Hub des Einlassventils 16A wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten ersten großen Wert als deren Amplitude verändert wird und der Hub des Einlassventils 16B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten zweiten großen Wert als deren Amplitude, der geringfügig kleiner ist als der erste große Wert, verändert wird. Dies steigert den Prozentsatz der Menge an Abgas, das über das Auslassventil 18B von dem Auslass 17 auf der Grundlage der internen AGR in die Verbrennungskammer 14 zurückgeführt wird, im Vergleich zu der Menge an Frischluft, die über das Einlassventil 16B in die Verbrennungskammer 14 eingeleitet wird.
Bei der Maschine 10 verändern die Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem der Steuerungselemente 27, die eine Steuerungsfläche mit einem gemeinsamen Profil haben, um dadurch den Hub eines entsprechenden Ventils zu verändern, aber die Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Im Einzelnen können die Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle 26 des Kipphebels 24 und jedem der Steuerungselemente 27, die eine Steuerungsfläche mit unterschiedlichen Profilen haben, verändern, um dadurch den Hub eines entsprechenden Ventils zu verändern.
In dieser Ausführungsform werden die wie in 2 und 3 konfigurierten Ventilbetätigungsmechanismen 40A und 40B dazu verwendet, die Einlass- und Auslassventile zu aktivieren, aber es können andere Ventilbetätigungsmechanismen, die so konfiguriert sind, dass sie sich von den in 2 und 3 illustrierten unterscheiden, dazu verwendet werden, die Einlass- und Auslassventile zu aktivieren.
In dieser Ausführungsform stellt bei dem Kühlungs- und Rückführungssystem 50 das Rückführungsrohr 51 eine Verbindung zwischen jedem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers 41 und einem Auspuffrohr des Auspuffkrümmers 42 her, das einem Zylinder 11 entspricht, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Im Einzelnen kann das Rückführungsrohr 51 eine Verbindung zwischen jedem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers 41 und wenigstens einigen Auspuffrohren des Auspuffkrümmers 42 herstellen. Die Maschine 10 ist nicht auf die Vierzylinder-Maschine 10 begrenzt.
Während hierin illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben worden sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die hierin beschriebene Ausführungsform begrenzt, sondern schließt alle und jegliche Ausführungsformen ein, die Modifikationen, Weglassungen, Kombinationen (z.B. von Aspekten durch verschiedene Ausführungsformen), Anpassungen und/oder Abänderungen aufweisen, wie sie für die Fachleute auf dem Gebiet auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung zu erkennen wären. Die Begrenzungen in den Ansprüchen sind auf der Grundlage der in den Ansprüchen eingesetzten Sprache weit auszulegen und nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung oder während der Weiterverfolgung der Anmeldung beschriebenen Beispiele begrenzt, wobei diese Beispiele als nichtausschließlich auszulegen sind.

Claims

Brennkraftmaschine (10), die dazu ausgestaltet ist, in einem homogenen Kompressionszündungsmodus zu arbeiten, in dem ein Kolben (12) zur Verdichtung von Kraftstoff-Luft-Gemischen in einer Verbrennungskammer (14) in einem Zylinder (11) verwendet wird, um die Kompressionszündung darin zu starten, wobei die Brennkraftmaschine umfasst: eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (19), um Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer (14) einzuspritzen, Einlassventile (16A, 16B), die betreibbar sind für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen von Öffnungen (15a, 15a) eines Einlasses (15), welche jeweils zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Einlassdurchgang (41) und der Verbrennungskammer (14) vorgesehen sind, Auslassventile (18A, 18B), die betreibbar sind für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen von Öffnungen (17a, 17a) eines Auslasses (17), welche jeweils zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Auslassdurchgang (42) und der Verbrennungskammer (14) vorgesehen sind, Ventilbetätigungsmechanismen (40A, 40B), die steuerbar sind, um jeweils die Einlassventile (16A, 16B) und die Auslassventile (18A, 18B) zu betätigen, und ein Abgas-Kühlungs- und Rückführungssystem (50), das einen Rückführungsdurchgang (51) umfasst, um Abgasströme von dem Auslassdurchgang (42) zu dem Einlassdurchgang (41) unter Umgehung der Verbrennungskammer (14) zurückzuführen, wobei die Einlassventile (16A, 16B) umfassen: ein Paar aus einem ersten Einlassventil (16A), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen ersten Öffnung (15a) von den Öffnungen (15a, 15a) des Einlasses (15), und einem zweiten Einlassventil (16B), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen zweiten Öffnung (15a) von den Öffnungen (15a, 15a) des Einlasses (15), wobei die Auslassventile (18A, 18B) umfassen: ein Paar aus einem ersten Auslassventil (18A), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen ersten Öffnung (17a) von den Öffnungen (17a, 17a) des Auslasses (17), und einem zweiten Auslassventil (18B), das betreibbar ist für Betätigungen zum Öffnen oder Schließen einer zugehörigen zweiten Öffnung (17a) von den Öffnungen (17a, 17a) des Auslasses (17), wobei die erste Öffnung (15a) des Einlasses (15) und die erste Öffnung (17a) des Auslasses (17) einander gegenüberliegen und sich die Verbrennungskammer (14) dazwischen befindet, wobei die zweite Öffnung (15a) des Einlasses (15) und die zweite Öffnung (17a) des Auslasses (17) einander gegenüberliegen und sich die Verbrennungskammer (14) dazwischen befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas-Kühlungs- und Rückführungssystem (50) einen Kühler (52) zum Kühlen von Abgasströmen in dem Rückführungsdurchgang (51) umfasst, der Rückführungsdurchgang (51) ein Verbindungsstück (51A) zu dem Einlassdurchgang (41) aufweist, wobei das Verbindungsstück (51A) in einer Position für Abgasströme angeordnet ist, welche in dem Rückführungsdurchgang (51) durch den Kühler (52) gekühlt werden und vom dem Rückführungsdurchgang (51) durch das Verbindungsstück (51A) in den Einlassdurchgang (41) geleitet werden, um mit Frischluftströmen (a) gemischt zu werden, welche in dem Einlassdurchgang (41) fließen, um hin zu der ersten Öffnung (15a) des Einlasses (15) zu gelangen, und die Ventilbetätigungsmechanismen (40A, 40B) derart gesteuert werden, dass: in einem Ausstoßtakt der Brennkraftmaschine (10) in dem homogenen Kompressionszündungsmodus das erste Auslassventil (18A) oder das erste und zweite Auslassventil (18A, 18B) betätigt werden, um die erste Öffnung (17a) oder die erste und zweite Öffnung (17a, 17a) des Auslasses (17) zu öffnen und danach zu schließen, wodurch Abgasströme mit hoher Temperatur von der Verbrennungskammer (14) in den Auslassdurchgang (42) ausgelassen werden und Abgasströme von dem Auslassdurchgang (42) zu dem Rückführungsdurchgang (51) zurückgeführt werden; und in einem Ansaugtakt, der auf den Ausstoßtakt der Brennkraftmaschine (10) in dem homogenen Kompressionszündungsmodus folgt, das erste und zweite Einlassventil (16A, 16B) betätigt werden, um die erste und zweite Öffnung (15a, 15a) des Einlasses (15) zu öffnen, während das zweite Auslassventil (18B) betätigt wird, um die zweite Öffnung (17a) des Auslasses (17) zu öffnen, wodurch die Verbrennungskammer (14) aufweist: Frischluftströme (a), welche mit Abgas gemischt sind, das durch den Kühler (52) gekühlt ist, und von dem Einlassdurchgang (41) durch die erste Öffnung (15a) des Einlasses (15) eingeführt werden, Frischluftströme (a), welche von dem Einlassdurchgang (41) durch die zweite Öffnung (15a) des Einlasses (15) eingeführt werden, und Abgasströme mit hoher Temperatur, welche von dem Auslassdurchgang (42) durch die zweite Öffnung (17a) des Auslasses (17) zurückgeführt werden, so dass in der Verbrennungskammer (14) eine Temperaturverteilung erzeugt wird, welche geschichtet ist mit Strömen von Niedertemperatur-Gemischen umfassend Frischluft (a) und gekühltes Abgas, und Strömen von Hochtemperatur-Gemischen, umfassend Frischluft (a) und Abgas mit hoher Temperatur.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das Abgas-Kühlungs- und Rückführungssystem (50) dafür konfiguriert ist, gekühltes Abgas über den Rückführungsdurchgang (51) zurückzuführen, während sich ein Parameter auf der Grundlage einer geforderten Last für die Brennkraftmaschine (10) und eines Wertes einer Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) innerhalb einer vorbestimmten Region in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (10) befindet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (19) dafür konfiguriert ist, während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine (10) in dem homogenen Kompressionszündungsmodus Kraftstoff direkt einzuspritzen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Trennwand (15A) zum Abtrennen des Einlasses (15) und eines Teil des mit demselben verbundenen Einlassdurchgangs (41), wobei die Trennwand (15A) wenigstens stromabwärts von einer Position in dem Einlassdurchgang (41) angeordnet ist, wo gekühltes Abgas von dem Abgas-Kühlungs- und Rückführungssystem (50) eingeleitet wird.