DE102012219685B4 - Brennkraftmaschine mit interner und externer AGR, die im homogenen Kompressionsmodus betreibbar ist - Google Patents
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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.
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- (NOx-) 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 - 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 NOx-Emissionen führt. Folglich können diese bekannten Brennkraftmaschinen einen der wichtigsten Vorteile, den die HCCI-Funktion erzielen kann, nämlich geringe NOx-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 NOx-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 NOx-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 Brennkraftmaschine10 , einfach als die Maschine10 bezeichnet, nach dieser Ausführungsform einen Zylinderblock11A und einen Zylinderkopf11B , der oben auf dem Zylinderblock11A angebracht ist. In dem Zylinderblock11A sind mehrere Zylinder11 geformt. Bei dieser Ausführungsform sind in dem Zylinderblock A vier Zylinder11 geformt, die in einer Reihe angeordnet sind (siehe4 ). Der Zylinderkopf11B hat eine Bodenfläche11a , die für jeden Zylinder11 geformt ist. In jedem der Zylinder11 ist ein Kolben12 angeordnet, um hin- und herzugehen, wobei der Raum zwischen dem Kopf12a des Kolbens12 und der Bodenfläche11a des entsprechenden Zylinders11 eine Verbrennungskammer14 definiert. Die Verbrennungskammer14 jedes Zylinders11 ist über einen Einlass15 mit einem Ansaugkrümmer, d.h. der Baugruppe von Ansaugrohren,41 verbunden, der als ein Gas-Einlassdurchgang dient, und ist über einen Auslass17 mit einem Auspuffkrümmer, d.h. der Baugruppe von Auspuffrohren,42 verbunden, der als ein Gas-Auslassdurchgang dient. Der Einlass15 und der Auslass17 sind symmetrisch in Bezug auf die Längsachse eines entsprechenden Zylinders11 . Für jeden Zylinder11 ist in dem Zylinderkopf11B eine Zündkerze20 für eine direkte Verbindung mit der Verbrennungskammer14 angeordnet. Die Zündkerze20 wird so gesteuert, dass sie einen Funken in der Verbrennungskammer14 erzeugt, um die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in derselben zu starten, während die Brennkraftmaschine10 in dem Funkenzündungsmodus arbeitet. - Die Maschine
10 umfasst für jeden Zylinder11 eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, einfach als Einspritzvorrichtung bezeichnet,19 , ein Paar von Einlassventilen16A und16B , ein Paar von Auslassventilen18A und18B und ein Paar von Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B ein. Die Maschine10 umfasst ebenfalls ein Abgas-Kühlungs- und - Rückführungssystem, einfach als Kühlungs- und Rückführungssystem bezeichnet,50 . - Die Einspritzvorrichtung
19 ist so in dem Zylinderkopf11B angeordnet, dass sie direkt mit der Verbrennungskammer14 eines entsprechenden Zylinders11 verbunden ist und dafür ausgelegt, unter Hochdruck gesetzten Kraftstoff zum Beispiel von einer Kraftstoffzufuhr (nicht gezeigt) für eine direkte Einspritzung von Kraftstoff in die Verbrennungskammer14 aufzunehmen. Die Einlassventile16A und16B sind in dem Zylinderkopf11B angeordnet und werden so gesteuert, dass sie den Einlass15 eines entsprechenden Zylinders11 öffnen oder schließen, um zu ermöglichen, dass Frischluft über den Einlass15 in die Verbrennungskammer14 eingeleitet wird. Die Auslassventile18A und18B sind so in dem Zylinderkopf11B angeordnet, dass sie symmetrisch in Bezug auf die Längsachse eines entsprechenden Zylinders11 sind. Die Auslassventile18A und18B werden so gesteuert, dass sie den Auslass17 eines entsprechenden Zylinders11 öffnen oder schließen, um zu ermöglichen, dass Abgas auf Grund der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer14 über den Auslass17 aus der Verbrennungskammer14 in den Auspuffkrümmer42 abgegeben wird. - Der Ventilbetätigungsmechanismus
40A ist funktionsfähig, um die Einlassventile16A und16B zu jeweiligen individuellen Zeitpunkten zu betätigen, um den Einlass15 zu öffnen oder zu schließen, und der Ventilbetätigungsmechanismus40B ist funktionsfähig, um die Auslassventile18A und18B zu jeweiligen individuellen Zeitpunkten zu betätigen, um den Auslass17 zu öffnen oder zu schließen. - Das Kühlungs- und Rückführungssystem
50 ist außerhalb der Verbrennungskammern14 (der Zylinder11 ) angeordnet und dafür konfiguriert, den Auspuffkrümmer42 durch Rohre mit dem Ansaugkrümmer41 zu verbinden, um das Abgas, das in dem Auspuffkrümmer42 passiert in den Ansaugkrümmer41 zurückzuführen, während es gekühlt wird. - Im Einzelnen werden während eines Ansaugtaktes der Maschine
10 , die in dem HCCI-Modus arbeitet, die Einlassventile16A und16B durch den Ventilbetätigungsmechanismus40A gesteuert, um den Einlass15 zu öffnen, und das Auslassventil18B wird durch den Ventilbetätigungsmechanismus40B gesteuert, um den Auslass17 zu öffnen. Dies führt zu einer Rückgabe von Abgas mit einer hohen Temperatur aus dem Auslass17 in die Verbrennungskammer14 . Außerdem wird während eines Ansaugtaktes der Kraftmaschine10 Abgas, das aus dem Auspuffkrümmer42 zurückgeführt worden ist, während es durch das Kühlungs- und Rückführungssystem50 gekühlt wird, so dass es eine niedrige Temperatur hat, zusammen mit Frischluft über das Einlassventil16A in die Verbrennungskammer14 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 Verbrennungskammer14 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 Verbrennungskammer14 wird eine geschichtete Temperaturverteilung des Abgases erzeugt. - Zum Beispiel ist das Kühlungs- und Rückführungssystem
50 nach dieser Ausführungsform vorgesehen, um eine Verbindung des Auspuffkrümmers42 , der mit dem Auslass17 verbunden ist, mit dem Ansaugkrümmer41 , der mit dem Einlass15 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 Kolben12 , der in einem entsprechenden Zylinder11 hin- und hergeht, über eine Pleuelstange13 an eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt. Dies ermöglicht die Umwandlung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens12 in die Drehbewegung der Kurbelwelle. Die Drehbewegung der Kurbelwelle dient als eine abgegebene Drehleistung der Maschine10 . - Die Maschine
10 umfasst Sensoren und ein Steuergerät (nicht gezeigt). Die Sensoren sind funktionsfähig, um Signale zu erzeugen, die Betriebsbedingungen oder Parameter der Maschine10 anzeigen. Die Sensoren stehen in elektrischer Verbindung mit dem Steuergerät. Das Steuergerät steht in elektrischer Verbindung mit der Zündkerze20 , den Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B und dem Kühlungs- und Rückführungssystem50 . - Die Betriebsbedingungen oder Parameter der Maschine
10 umfassen zum Beispiel einen Parameter, der die Drehzahl der Maschine10 anzeigt, einen Parameter, der einen Drehwinkel der Kurbelwelle anzeigt, eine geforderte Last für die Maschine10 , 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 Maschine10 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 Einspritzvorrichtung19 , die Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B und/oder die Zündkerze20 während eines Ansaugtaktes (einer Abwärtsbewegung des Kolbens12 ) Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer14 eines entsprechenden Zylinders ziehen, während eines Verdichtungstaktes (einer Aufwärtsbewegung des Kolbens12 ) ein Gemisch aus direkt zugeführtem Kraftstoff und Ansaugluft in der Verbrennungskammer14 verdichten, eine Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemischs durch HCCI-Zündung oder Funkenzündung auslösen, was zu einer Abwärtsbewegung des Kolbens12 als ein Arbeitshub führt, und während eines Ausstoßtaktes (einer Aufwärtsbewegung des Kolbens12 ) das Abgas aus der Verbrennungskammer14 ausstoßen. Die Maschine10 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 und16B und diejenigen der Auslassventile18A und18B beschrieben. - Unter Bezugnahme auf
1 hat der Einlass15 an seinem einen Ende ein Paar von Öffnungen15a in der Bodenfläche11a des Zylinderkopfs11B ; die Öffnungen15a sind parallel zu der Anordnungsrichtung der Zylinder11 ausgerichtet. Ähnlich hat der Auslass17 an seinem einen Ende ein Paar von Öffnungen17a in der Bodenfläche11a des Zylinderkopfs11B ; die Öffnungen17a sind symmetrisch und parallel zu den Öffnungen15a um eine virtuelle Ebene, die durch die Längsachse eines entsprechenden Zylinders11 hindurchgeht und sich in der Anordnungsrichtung der Zylinder11 erstreckt. - Jedes der Einlassventile
16A und16B besteht aus einem Ventilschaft21 und einem scheibenförmigen Teller16a , der im Durchmesser größer ist als der Ventilschaft21 . Jedes der Einlassventile16A und16B ist beweglich in dem Einlass15 eingebaut, um, mit dem Teller16a , eine entsprechende der Öffnungen15a zu öffnen und zu schließen. Ähnlich besteht jedes der Auslassventile18A und18B aus einem Ventilschaft21 und einem scheibenförmigen Teller18a , der so an einem Ende des Ventilschafts21 geformt ist, dass er im Durchmesser größer ist als der Ventilschaft21 . Jedes der Auslassventile18A und18B ist beweglich in dem Auslass17 eingebaut, um, mit dem Teller18a , eine entsprechende der Öffnungen17a zu öffnen und zu schließen. - Das heißt, wenn jedes der Einlassventile
16A und16B an seinem Teller16a auf der Bodenfläche11a des Zylinderkopfes11B aufsitzt, ist eine entsprechende der Öffnungen15a geschlossen, so dass der Einlassschlitz15 geschlossen ist. Wenn jedes der Einlassventile16A und16B , das auf der Bodenfläche11a aufsitzt, angehoben wird, wird eine entsprechende der Öffnungen15a geöffnet, was es ermöglicht, dass Verbrennungsluft in die Verbrennungskammer14 eingeleitet wird. - Ähnlich ist, wenn jedes der Auslassventile
18A und18B an seinem Teller18a auf der Bodenfläche11a des Zylinderkopfes11B aufsitzt, eine entsprechende der Öffnungen17a geschlossen, so dass der Auslass17 geschlossen ist. Wenn jedes der Auslassventile18A und18B , das auf der Bodenfläche11a aufsitzt, angehoben wird, wird eine entsprechende der Öffnungen17a geöffnet, was es ermöglicht, dass das Abgas in der Verbrennungskammer14 aus derselben ausgestoßen wird. - Unter Bezugnahme auf
4 sind die Einlassventile16A und16B parallel zu der Anordnungsrichtung (Pfeil A in4 ) der Zylinder11 ausgerichtet, und die Auslassventile18A und18B sind in der Anordnungsrichtung A der Zylinder11 ausgerichtet, so dass sie den Einlassventilen16A und16B gegenüberliegen. Mit anderen Worten, ein erstes Paar aus dem Einlassventil16A und dem Auslassventil18A und ein zweites Paar aus dem Einlassventil16B und dem Auslassventil18B sind einander gegenüberliegend angeordnet. - Als Nächstes werden im Folgenden die Strukturen und Operationen der Ventilbetätigungsmechanismen
40A und40B unter Bezugnahme auf2 und3 beschrieben werden. - Unter Bezugnahme auf
2 wird der Ventilschaft21 jedes der Einlassventile16A und16B und der Auslassventile18A und18B durch eine Feder angetrieben, um eine entsprechende Öffnung zu schließen, d.h., den Hub eines entsprechenden Ventils aufzuheben. Diese Einlassventile16A und16B und die Auslassventile18A und18B werden zu individuellen Zeitpunkten durch die Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B betätigt, um einen entsprechenden Einlass15 oder Auslass17 zu öffnen oder zu schließen. Jeder von den Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B besteht aus einem Zapfen23 , einem Kipphebel24 , einer Steuerwelle25 , einem Schwenkelement25a , einer Rolle26 , einem Paar von Steuerungselementen, d.h., Schwenknocken27 , einer Schwenkrolle, d.h., einem Kurvenroller28 , einer Nockenwelle29 und einem Antriebsnocken30 . - Der Zapfen
23 trägt schwenkbar den Kipphebel24 , wobei sein eines axiales Ende ein Widerlager an dem einen Ende des Kipphebels24 ist. An dem anderen Ende des Kipphebels24 befindet sich das andere Ende (in2 das obere Ende) des Ventilschafts21 in Widerlager durch die Vorspannkraft der Feder22 . Der Kipphebel24 ist in seiner Mitte mit der Rolle26 ausgebildet, die durch einen Haltestift26a drehbar gehalten wird. Der Kipphebel24 ist dafür eingerichtet, zu schwenken, um dem Schwenken der Steuerungselemente27 um die Mittelachse der Steuerwelle25 zu folgen, wobei sich die Rolle26 in Widerlager an den Steuerungselementen27 befindet. - Jedes der Steuerungselemente
27 ist über ein Gewinde an einer vorbestimmten Position des Außenumfangs der Steuerwelle25 befestigt, die dem Hubzeitpunkt eines entsprechenden, später beschriebenen, Ventils entspricht. Das Schwenkelement25A hat ein erstes und ein zweites Ende, die einander in seiner Längsrichtung gegenüberliegen. Das erste Ende des Schwenkelements25A ist an der Steuerwelle25 angebracht. Die Schwenkrolle28 wird durch einen Haltestift28a an dem zweiten Ende des Schwenkelements25A gehalten. Jedes der Steuerungselemente27 ist dafür eingerichtet, den Hub eines entsprechenden Ventiltellers16a oder18a an dem einen Ende des Ventilschafts21 zu begrenzen, entsprechend einer Druckberührungsposition zwischen einem entsprechenden der Steuerungselemente27 und der Rolle26 in der Mitte des Kipphebels24 . - Unter Bezugnahme auf
2 wird die Schwenkrolle28 durch ein Vorspannelement (nicht gezeigt) im Uhrzeigersinn um die Steuerwelle25 vorgespannt. Die Nockenwelle29 ist so an die Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt, dass sie synchron mit der Drehung der Kurbelwelle gedreht wird. Der Antriebsnocken30 , der einen Vorsprung und an seinem Außenumfang eine Nockenfläche30a hat, ist an dem Außenumfang einer vorbestimmten Position der Nockenwelle29 befestigt. Der Außenumfang der im Uhrzeigersinn um die Steuerwelle25 vorgespannten Schwenkrolle28 ist in Widerlager an der Nockenfläche30a gebracht. - Mit der Konfiguration jedes der Ventilbetätigungsmechanismen
40A und40B schiebt der Vorsprung des Antriebsnockens30 die Schwenkrolle28 , die sich in Druckwiderlager an der Nockenfläche30a befindet, um die Schwenkrolle28 während der Drehung der Kurbelwelle29 zu schwenken, so dass der Kipphebel24 über die Rolle26 schwenkt, die sich in Druckwiderlager an dem Steuerungselement27 befindet, das mit dem Schwenkelement25A integriert ist, an dem die Schwenkrolle28 getragen wird. Dies bewirkt, dass sich ein entsprechendes der Ventile16A ,16B ,18A und18B nach unten bewegt, d.h., in Axialrichtung nach unten verschiebt, gegen die Vorspannkraft der Feder22 , was es ermöglicht, dass sich ein entsprechender der Ventilteller16a und18a von einer entsprechenden der Öffnungen15a und17a abhebt. Der Hub des Ventiltellers16a ermöglicht es, dass Luft über den Einlass15 in die Verbrennungskammer14 eingeleitet wird, und der Hub des Ventiltellers18a ermöglicht es, dass Abgas über den Auslass17 aus der Verbrennungskammer ausgestoßen wird. - Im Gegensatz dazu bewirkt, wenn den Vorsprung des Antriebsnockens
30 von der Schwenkrolle28 , die sich in Druckwiderlager an der Nockenfläche30a befindet, um die Schwenkrolle28 während der Drehung der Kurbelwelle29 zu schwenken, getrennt ist, die Vorspannkraft der Feder22 , dass sich ein entsprechender der Ventilteller16a und18a nach oben bewegt, d.h. sich in Axialrichtung nach oben verschiebt. Dies führt zu einem engen Kontakt eines der Ventilteller16a und18a an einer entsprechenden der Öffnungen15a und17a , was folglich einen entsprechenden des Einlasses15 und Auslasses17 schließt. - Unter Bezugnahme auf
3 sind die Steuerungselemente27 benachbart auf beiden Seiten des Schwenkelements25A in der Axialrichtung der Steuerwelle25 angeordnet. Jedes der Steuerungselemente27 hat eine Steuerungsfläche27a (siehe2 ), an der sich die Rolle26 des Kipphebels24 in Druckwiderlager befindet. - Jede der Steuerungsflächen
27a der Steuerungselemente27 hat ein gemeinsames Profil, das derart geformt ist, dass sich die Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und einem entsprechenden Steuerungselement (Schwenknocken)27 der Mittelachse der Steuerwelle25 nähert/von derselben entfernt, wenn die Steuerungselemente27 um die Mittelachse der Steuerwelle25 schwenken. Folglich ermöglicht die Veränderung der Druckberührungsposition (der relativen Drehstellung) zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem Steuerungselement27 eine Einstellung des Schwenkens des Kipphebels24 . - Bei dieser Ausführungsform besteht jeder der Ventilbetätigungsmechanismen
40A und40B aus einem Motor (nicht gezeigt), an den die Steuerwelle25 gekoppelt ist, und der Motor ist verbindbar mit dem Steuergerät verbunden. Unter der Steuerung des Steuergerätes verändert eine fortlaufende Einstellung des Drehwinkels der Steuerwelle25 die Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem Steuerungselement27 , was folglich den Hub eines entsprechenden Ventils verändert. - Außerdem aktiviert, unter Bezugnahme auf
5 , unter der Steuerung des Steuergerätes nach dieser Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus40B während des Ausstoßtaktes das Auslassventil18A , um den Auslass17 zu öffnen, während die anderen Ventile die entsprechenden Einlässe/Auslässe schließen, und zwar derart, dass der Hub, d.h., der Arbeitshub, des Auslassventils18A 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 Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B während des Ansaugtaktes die Einlassventile16A und16B und das Auslassventil18B , um den Einlass15 und den Auslassschlitz17 zu öffnen. Dies verändert den Hub jedes der Einlassventile16A und16B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude, während es den Hub des Auslassventils18B 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 und40B derart angetrieben, dass sich die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem Steuerungselement27 mit derjenigen des Hubs eines entsprechenden der Einlass- und der Auslassventile16A ,16B ,18A und18B , wie in5 illustriert, in Übereinstimmung befindet. Mit anderen Worten, jeder der Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B passt, die Veränderung der Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem Steuerungselement27 , daran an, wie der Hub eines entsprechenden der Einlass- und der Auslassventile16A ,16B ,18A und18B verändert wird. - Bei dieser Ausführungsform werden der Ventilöffnungszeitpunkt, der Ventilhubtakt und der Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils
18A für jeden Zylinder11 so gesteuert, dass sie sich in Übereinstimmung miteinander befinden, und der Ventilöffnungszeitpunkt, der Ventilhubtakt und der Ventilöffnungszeitraum des Auslassventils18B für jeden Zylinder11 werden so gesteuert, dass sie sich in Übereinstimmung miteinander befinden. - Die Einspritzvorrichtung
19 ist zwischen dem Paar von Einlassventilen16A und16B angeordnet (siehe3 ). Unter Bezugnahme auf1 ist die Einspritzvorrichtung19 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 Verbrennungskammer14 einzuspritzen, wenn jedes der Einlassventile16A und16B hin- und hergeht, um die Öffnung15a des Einlasses15 zu öffnen und sie zu schließen, synchron mit der Bewegung des Kolbens12 , d.h. der Drehung der Kurbelwelle. Im Einzelnen ist die Einspritzvorrichtung19 nach dieser Ausführungsform derart ausgelegt, dass die Richtung der Kraftstoffeinspritzung durch dieselbe zu einem Punkt in der Verbrennungskammer14 hin festgesetzt ist; der Punkt ist die Mitte des Deckels12a des Kolbens12 , wenn sich der Deckel12a des Kolbens12 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 und4 besteht das Kühlungs- und Rückführungssystem50 aus einem Rückführungsrohr51 , einem AGR-Kühler52 und einer AGR-Ventileinrichtung53 . Das Rückführungsrohr51 ist ein Rückführungsdurchgang, der eine Verbindung zwischen jedem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers41 und zum Beispiel einem Auspuffrohr des Auspuffkrümmers42 , das einem Zylinder11 entspricht, herstellt, während er die Verbrennungskammer14 umgeht. Der AGR-Kühler52 ist stromaufwärts von der AGR-Ventileinrichtung53 an dem Rückführungsrohr51 angeordnet und dafür eingerichtet, das Abgas zu kühlen, das aus dem Auspuffkrümmer42 eingeleitet wird, und folglich das gekühlte Abgas zu dem Ansaugkrümmer41 weiterzuleiten. Das AGR-Ventil53 ist verbindbar mit dem Steuergerät verbunden. Die AGR-Ventileinrichtung53 ist dafür eingerichtet, unter der Steuerung des Steuergerätes das Weiterleiten von Abgas von dem Auspuffkrümmer42 zu dem Ansaugkrümmer41 zu beginnen, die Weiterleitung von Abgas anzuhalten und die Menge an Abgas, die zu dem Ansaugkrümmer41 weitergeleitet wird, zu regulieren. Der AGR-Kühler52 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 Verbindungsstücke51A und ist, über die Verbindungsstücke51A , verbindbar mit ein Ansaugrohren des Ansaugkrümmers41 für die jeweiligen Zylinder11 verbunden (siehe4 ). Zu bemerken ist, dass jedes der Verbindungsstücke51A stromaufwärts von einer Strömungsbahn von Frischluft, d.h. Verbrennungsluft, in das Einlassventil16A für einen entsprechenden der Zylinder11 angeordnet ist, was es ermöglicht, dass das durch den AGR-Kühler52 gekühlte Abgas in das Einlassventil16A für einen entsprechenden der Zylinder11 eingeleitet wird. Im Einzelnen ist jedes der Verbindungsstücke51A näher an dem Einlassventil16A für einen entsprechenden der Zylinder11 als an dem Einlassventil16B für denselben angeordnet derart, dass das gekühlte Abgas zu dem Einlassventil16A hin geleitet wird, ohne zu dem Einlassventil16B 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 Auslassventil18B für jeden der Zylinder11 zu dem Zeitpunkt und der Dauer, wie in5 illustriert, während des Ansaugtaktes öffnet, was folglich veranlasst, dass das Abgas mit hoher Temperatur in dem Auspuffkrümmer42 durch das Kühlungs- und Rückführungssystem50 über den Ansaugkrümmer41 zurück in die Verbrennungskammer14 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 Maschine10 in Bezug auf Maschinendrehzahl und -last darstellt. Bei dieser Ausführungsform zeigt ein Parameter den Betriebsmodus der Maschine10 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 Maschine10 eingesetzt wird, unter Verwendung der Eingaben von geforderter Last und Maschinendrehzahl. - Im Einzelnen repräsentiert in
6 eine erste RegionI des Betriebsbereichs, in der sowohl die geforderte Last als auch die Maschinendrehzahl verhältnismäßig niedrig sind, den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine10 , und eine dritte RegionIII , in der wenigstens einer der Parameter geforderte Last und Maschinendrehzahl verhältnismäßig hoch ist, repräsentiert den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine10 . - Im Gegensatz dazu repräsentiert jede von einer zweiten und einer vierten Region
II undIV , in denen entweder die geforderte Last eine mittlere Last ist oder die Maschinendrehzahl eine mittlere Drehzahl ist, den HCCI-Modus als den Betriebsmodus der Maschine10 . Während des normalen Betriebs der Maschine10 wird entweder die zweite oder die vierte RegionII oderIV 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 Maschine10 . Folglich arbeiten, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung19 , die Einlassventile16A und16B über den Ventilbetätigungsmechanismus40A , die Auslassventile18A und18B über den Ventilbetätigungsmechanismus40B und der Zünder21 für jeden Zylinder11 , um eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer14 jedes Zylinders auf der Grundlage eines durch die Zündkerze20 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 in6 befindet, das Steuergerät den Funkenzündungsmodus als den Betriebsmodus der Maschine10 . Folglich arbeiten, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung19 , die Einlassventile16A und16B über den Ventilbetätigungsmechanismus40A , die Auslassventile18A und18B über den Ventilbetätigungsmechanismus40B und der Zünder21 für jeden Zylinder11 , um eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer14 jedes Zylinders11 auf der Grundlage eines durch die Zündkerze20 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 RegionIV in6 befindet, das Steuergerät den HCCI-Modus als den Betriebsmodus der Kraftmaschine10 . Folglich arbeiten, unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einspritzvorrichtung19 , die Einlassventile16A und16B über den Ventilbetätigungsmechanismus40A , die Auslassventile18A und18B über den Ventilbetätigungsmechanismus40B und die AGR-Ventileinrichtung53 für jeden Zylinder11 , um eine Selbstzündung, d.h. Selbstverbrennung, des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer14 jedes Zylinders11 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 NOx-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 RegionII in6 eine Region dar, in der die Maschine10 in dem HCCI-Modus arbeiten könnte, selbst wenn das Kühlungs- und Rückführungssystem50 nicht in der Maschine10 bereitgestellt wäre. Das heißt, die Summe der RegionII und der RegionIV stellt eine Region dar, in der die Maschine10 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 Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B und die AGR-Ventileinrichtung53 während des Ansaugtaktes eines entsprechenden Zylinders11 derart, dass: die Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B die Einlassventile16A und16B aktivieren, um den Einlass15 mit einem großen Hubtakt derselben zu öffnen, der Ventilbetätigungsmechanismus40B aktiviert das Auslassventil18B , um den Auslass17 mit einem kleinen Hubtakt desselben zu öffnen, und die AGR-Ventileinrichtung53 veranlasst die Öffnung des Rückführungsrohrs51 . - Das Öffnen des Auslasses
17 leitet das aus der Verbrennungskammer14 über den Auslass17 abgegebene Abgas unter Verwendung der internen AGR wieder in die Verbrennungskammer14 ein. Parallel dazu bewirkt die Öffnung des Rückführungsrohres51 durch die AGR-Ventileinrichtung53 , dass das durch das Kühlungs- und Rückführungssystem50 gekühlte Abgas über das Einlassventil16A in den Ansaugkrümmer41 stromaufwärts von dem Einlassventil16A eingeleitet wird. Außerdem spritzt, während des Ansaugtaktes, die Einspritzvorrichtung19 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt direkt eine vorbestimmte Menge an Kraftstoff in die Verbrennungskammer14 ein. Das Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer14 während des Ansaugtaktes ermöglicht es, dass der eingespritzte Kraftstoff homogen in derselben verteilt wird. - Unter Bezugnahme auf
7 erzeugen die oben dargelegten Operationen der Maschine10 ein erstes geschichtetes Gas, d.h. eine erste magere Gemischschicht, mit einer hohen Temperatur in einer Region in der Verbrennungskammer14 , die dem zweiten Paar aus dem Einlassventil16B und dem Auslassventil18B gegenüberliegt (siehe die rechte Hälfte der Verbrennungskammer14 in7 ); das erste geschichtete Gas besteht aus Abgas mit einer hohen Temperatur, auf der Grundlage der internen AGR eingeleitet über das Auslassventil18B , und Frischluft „a“, eingeleitet über das Einlassventil16B gegenüber dem Auslassventil18B . Gleichzeitig erzeugen die oben dargelegten Operationen der Maschine10 ein zweites geschichtetes Gas, d.h. ein zweites mageres Gemisch, mit einer niedrigen Temperatur in einer Region in der Verbrennungskammer14 , die dem ersten Paar aus dem Einlassventil16A und dem Auslassventil18A gegenüberliegt (siehe die linke Hälfte der Verbrennungskammer14 in7 ); das zweite geschichtete Gas besteht aus einem Gemisch von Frischluft „a“, eingeleitet über das Einlassventil16A , und Abgas, auf der Grundlage der externen AGR gekühlt durch das Kühlungs- und Rückführungssystem50 . - 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 Verbrennungskammer14 zu erzeugen, um dadurch die Temperaturschichtung in der Verbrennungskammer14 zu steigern, was zu einer Verlangsamung der Verbrennung des Kraftstoffgemischs führt. Folglich ist es möglich, die obere Lastgrenze des Betriebslastbereichs der Maschine10 in dem HCCI-Modus auszudehnen, was es folglich ermöglicht, dass die Maschine10 zusätzlich zu der Region11 in der RegionIV in dem HCCI-Modus arbeitet. - Im Einzelnen ist die Maschine
10 nach dieser Ausführungsform derart ausgelegt, dass das Kühlungs- und Rückführungssystem50 das aus der Verbrennungskammer14 ausgestoßene Abgas durch das außerhalb des Zylinderkopfs11B angeordnete Rückführungsrohr51 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 Kraftmaschine10 nach dieser Ausführungsform, im Vergleich zu bekannten Maschinen, die HCCI-Verbrennung verwenden, eine ausreichende Verlangsamung der Verbrennung des Kraftstoffgemischs. Außerdem ist es der Maschine10 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 Auslassventil18B auf der Grundlage der internen AGR in der Verbrennungskammer14 zurückgespeist wird, führt zu einer verhältnismäßig kleinen Menge des gekühlten Gasgemischs. Dies bewirkt eine HCCI-Verbrennung in der Verbrennungskammer14 , 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 Verbrennungskammer14 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 Maschine10 erzeugt werden, verringert. Außerdem ist die Maschine10 derart konfiguriert, dass Abgas mit einer hohen Temperatur in die Verbrennungskammer14 eingeleitet wird. Diese Konfiguration trägt zu einer Steigerung der Temperatur innerhalb der Verbrennungskammer14 (des entsprechenden Zylinders11 bei, was folglich die Spitzenverbrennungstemperatur und den Spitzenverbrennungsdruck während der HCCI-Verbrennung verringert. Bei dieser Ausführungsform ist der Einlass15 , in den wenig gekühltes Abgas eingeleitet wird, so angeordnet, dass er dem Auslassventil18B zum Zurückführen von Abgas mit einer hohen Temperatur gegenüberliegt. Diese Konfiguration verringert eine Menge an Frischluft, die in die Verbrennungskammer14 einzuleiten ist, geringfügig, aber begrenzt die Zunahme des Unterdrucks innerhalb des entsprechenden Einlasses15 . -
8 illustriert schematisch die technischen Effekte der Maschine10 nach dieser Ausführungsform, im Vergleich zu denjenigen einer bekannten Maschine, die nicht die oben dargelegten Konfigurationen der Maschine10 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 Verbrennungskammer14 zu einem unmittelbaren Anstieg des DrucksP2 innerhalb des entsprechenden zündenden Zylinders bis zu einer vorbestimmten Obergrenze. - Im Gegensatz dazu wird in der Verbrennungskammer
14 der Maschine10 , 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 Verbrennungskammer14 erzeugt, wobei die Kraftstoffkonzentration von dem Mittelabschnitt der Verbrennungskammer14 , nahe der Zündkerze20 , bis zu ihrem Rand verteilt ist. Dies führt zu einer langsamen Verbrennung, wobei die Verbrennung automatisch an dem Mittelabschnitt der Verbrennungskammer14 beginnt und sich danach allmählich zu ihrem Rand hin ausbreitet. Dies führt dazu, dass sich die Selbstzündung in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Verbrennungskammer14 an vielen örtlichen Punkten zu unterschiedlichen Zeitpunkten ereignet, was folglich die Geschwindigkeit der Veränderung des DrucksP1 innerhalb des entsprechenden zündenden Zylinders im Vergleich mit dem DruckP2 verringert (siehe8 ). - 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 NOx-Emissionen. Außerdem verhindert die Maschine10 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 Verbrennungskammer14 zu erzeugen, um dadurch auf eine inhomogene Temperaturverteilung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer14 zu bewirken, was es möglich macht, die Verbrennungsgeschwindigkeit zu unterdrücken. Im Einzelnen ist die Maschine10 derart konfiguriert, dass Abgas mit einer niedrigen Temperatur, das durch das Kühlungs- und Rückführungssystem50 gekühlt wird, auf der Grundlage einer externen AGR mit der in die Verbrennungskammer14 eingeleiteten Frischluft gemischt wird. Diese Konfiguration verringert den Prozentsatz von hochreiner Frischluft in der Verbrennungskammer14 , was folglich eine Zunahme der örtlichen Verbrennungsgeschwindigkeit in der Verbrennungskammer14 beschränkt. Folglich verhindert die Maschine10 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 Maschine10 in dem HCCI-Modus von einer mittleren Last zu einer höheren Last auszudehnen. Im Einzelnen kann, wie in6 illustriert, die Maschine10 zusätzlich zu der RegionII , in der herkömmliche Kraftmaschinen arbeiten können, in der RegionIV in dem HCCI-Modus arbeiten. - Die Maschine
10 nach dieser Ausführungsform ist dafür konfiguriert, nur die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem der Steuerungselemente27 , das eine Steuerungsfläche27a mit einem gemeinsamen Profil hat, der Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B zu verändern, um dadurch den Hub eines entsprechenden der Einlass- und der Auslassventile16A ,16B ,18A und18B zu verändern. Mit anderen Worten ist es möglich, den Hub jedes der Einlass- und der Auslassventile16A ,16B ,18A und18B und die Hubzeitpunkte derselben zu steuern, was folglich die mit dem Hub jedes der Einlass- und der Auslassventile16A ,16B ,18A und18B 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 Maschine10 , gesehen von den Kolbenseiten der entsprechenden Zylinder der Maschine10A aus, illustriert. Unter Bezugnahme auf9 besteht die Maschine10A ferner aus Trennwänden15A , die für die Ansaugrohre des Ansaugkrümmers41 für die jeweiligen Zylinder11 bereitgestellt werden. Die Trennwand15A ist in dem Einlass15 für jeden Zylinder11 angeordnet, um den Einlass15 und einen Teil des mit demselben verbundenen Ansaugrohres des Ansaugkrümmers41 abzutrennen in einen ersten Kanal, der mit dem Einlassventil16A verbunden ist, und einen zweiten Kanal, der mit dem Einlassventil16B verbunden ist. Die Trennwand15A erstreckt sich von einem Teil des Zylinderkopfes11B , der zwischen den Einlassventilen16A und16B angeordnet ist, bis zu einer Position in dem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers41 , nahe dem zugeordneten Verbindungsstück51A ; die Position ist wenigstens stromabwärts von dem zugeordneten Verbindungsstück51A angeordnet, das heißt, die Position kann stromaufwärts von dem zugeordneten Verbindungsstück51A angeordnet sein. - Die Konfiguration der Maschine
10A ermöglicht es, dass durch das Kühlungs- und Rückführungssystem50 gekühltes Abgas hauptsächlich in Frischluft eingeleitet wird, die durch den ersten Kanal in das Einlassventil16A strömt. Das heißt, die Konfiguration der Maschine10A leitet das Gemisch aus gekühltem Abgas und Frischluft mit einer niedrigen Temperatur in die Verbrennungskammer, während verhindert wird, dass gekühltes Abgas in das Einlassventil16B 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 Auslassventil18B 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 Kraftmaschine10 nach dieser Ausführungsform verschiedene alternative Ausführungsformen, andere Ausführungsformen und Betriebstechniken ableiten. - Zum Beispiel betätigt bei der Maschine
10 nach dieser Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus40B das Auslassventil18A , um den Auslass17 zu öffnen derart, dass der Hub des Auslassventils18A wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird, während der Ventilbetätigungsmechanismus40B das Auslassventil18B im Ausstoßtakt geschlossen hält, und der Ventilbetätigungsmechanismus40B das Auslassventil18B betätigt, um den Auslass17 zu öffnen derart, dass der Hub des Auslassventils18B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten kleinen Wert als deren Amplitude verändert wird. -
10 illustriert schematisch, wie die Auslassventile18A und18B und die Einlassventile16A und16B nach einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu betätigen sind. Im Einzelnen betätigt bei dieser modifizierten Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus40B , unter der Steuerung des Steuergerätes, die Auslassventile18A und18B , um den Auslass17 zu öffnen derart, dass in dem Ausstoßtakt sowohl der Hub des Auslassventils18A als auch derjenige des Auslassventils18B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird. Bei dieser modifizierten Ausführungsform betätigt in dem Ansaugtakt der Ventilbetätigungsmechanismus40A , unter der Steuerung des Steuergerätes, die Einlassventile16A und16B , um den Einlass15 zu öffnen derart, dass sowohl der Hub des Einlassventils16A als auch derjenige des Einlassventils16B wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten großen Wert als deren Amplitude verändert wird. Außerdem ist bei dieser modifizierten Ausführungsform der Ventilbetätigungsmechanismus40B mit einem Ventilantriebsmittel DM, wie beispielsweise einem Dekompressionsmittel, d.h. einem Dekompressionsmechanismus, und/oder einem mit dem Steuergerät110 (siehe10 ) verbindbaren Kraftmittel ausgestattet. Das Ventilantriebsmittel DM treibt zum Beispiel das Auslassventil18B unter der Steuerung des Steuergerätes derart an, dass der Hub des Auslassventils18B 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 Kipphebels24 hydraulisch nach unten zu drücken, was folglich den Auslass17 öffnet. -
11 illustriert schematisch, wie die Einlassventile16A und16B nach einer weiteren modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu betätigen sind. Bei dieser modifizierten Ausführungsform aktiviert der Ventilbetätigungsmechanismus40A die Einlassventile16A und16B , um den Einlass15 zu öffnen derart, dass der Hub des Einlassventils16A wie eine sinusförmige Welle mit einem vorbestimmten ersten großen Wert als deren Amplitude verändert wird und der Hub des Einlassventils16B 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 Auslassventil18B von dem Auslass17 auf der Grundlage der internen AGR in die Verbrennungskammer14 zurückgeführt wird, im Vergleich zu der Menge an Frischluft, die über das Einlassventil16B in die Verbrennungskammer14 eingeleitet wird. - Bei der Maschine
10 verändern die Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem der Steuerungselemente27 , 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 Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B die Phase der Druckberührungsposition zwischen der Rolle26 des Kipphebels24 und jedem der Steuerungselemente27 , 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 und3 konfigurierten Ventilbetätigungsmechanismen40A und40B dazu verwendet, die Einlass- und Auslassventile zu aktivieren, aber es können andere Ventilbetätigungsmechanismen, die so konfiguriert sind, dass sie sich von den in2 und3 illustrierten unterscheiden, dazu verwendet werden, die Einlass- und Auslassventile zu aktivieren. - In dieser Ausführungsform stellt bei dem Kühlungs- und Rückführungssystem
50 das Rückführungsrohr51 eine Verbindung zwischen jedem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers41 und einem Auspuffrohr des Auspuffkrümmers42 her, das einem Zylinder11 entspricht, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Im Einzelnen kann das Rückführungsrohr51 eine Verbindung zwischen jedem Ansaugrohr des Ansaugkrümmers41 und wenigstens einigen Auspuffrohren des Auspuffkrümmers42 herstellen. Die Maschine10 ist nicht auf die Vierzylinder-Maschine10 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 (4)
- 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.
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