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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, die eine Abgasrückführung (EGR) nutzt.
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Es ist bekannt, die Erzeugung von Stickoxid (NOx) durch Verringern der Verbrennungstemperatur durch die Zufuhr eines Inertgases, beispielsweise das Abgas der Verbrennungskraftmaschine oder Stickstoffgas, das nicht an der Verbrennung beteiligt ist, zu begrenzen. Beispielsweise offenbart die
JP-7-180616A eine Verbrennungskraftmaschine, bei welcher Frischluft, die kein Abgas enthält, und Abgas alternierend der Brennkammer bei einem Ansaughub durch Öffnen und Schließen einer Abgasrückführungsleitung, in welcher das Abgas zirkuliert, zugeführt werden. Durch das abwechselnde Zuführen von Frischluft und Abgas bilden die Frischluftschicht und Abgasschicht einen Schichtzustand bzw. eine Schichtladung (stratification state) in der Brennkammer. Wenn ein Verdichtungshub ausgeführt wird, wird daher aufgrund des Schichtzustands bzw. der Schichtladung eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz in der Brennkammer erzeugt.
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Es ist jedoch notwendig, der Brennkammer intermittierend Abgas mit einer Zeitspanne zuzuführen, die kürzer ist als die Öffnungs- und Schließzeitspanne des Einlassventils. Um daher die von der Brennkammer benötigte Menge an Abgas sicherzustellen, wird ein Öffnungs-und-Schließ-Abschnitt mit hoher Strömungsrate, der mit hoher Geschwindigkeit geöffnet und geschlossen wird, benötigt. Ein derartiger Öffnungs-und-Schließ-Abschnitt mit hoher Strömungsrate kann jedoch nur schwer mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, so dass es schwierig ist, die Strömungsrate des in die Brennkammer zurückgeführten Abgases genau zu steuern. Da zudem das Abgas durch den Öffnungs-und-Schließ-Abschnitt strömt bleibt nicht zu verbrennendes Material, wie beispielsweise Ruß, das im Abgas enthalten ist, leicht am Öffnungs-und-Schließ-Abschnitt haften. Deshalb kann das Ansprechverhalten des Öffnungs-und-Schließ-Abschnitts verringert werden, und ein vorgegebenes Material, wie beispielsweise Partikel (PM), das von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßen wird, kann insgesamt zunehmen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, in welcher Frischluft und Abgas einen Schichtzustand bzw. eine Schichtladung in der Brennkammer haben bzw. bilden.
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Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Anmeldung umfasst eine Verbrennungskraftmaschine einen Motorhauptkörper, einen Verwirbelungs-Leitungsabschnitt bzw. Swirl- oder Drall-Leitungsabschnitt, einen Tumble-Leitungsabschnitt, eine Abgasrückführanordnung, ein Einlassventil und einen Frischluft-Zufuhrabschnitt. Der Motorhauptkörper hat zumindest eine Brennkammer. Der Swirl-Leitungsabschnitt ist mit der Brennkammer verbunden. Ansaugluft wirft durch den Swirl-Leitungsabschnitt in die Brennkammer gesaugt, um eine Swirl- bzw. Wirbelströmung zu erzeugen, die sich um eine Achse der Brennkammer in Umfangsrichtung dreht. Der Tumble-Leitungsabschnitt ist mit der Brennkammer verbunden. Ansaugluft wird durch den Tumble-Leitungsabschnitt in die Brennkammer gezogen, um eine Tumble-Strömung, die in Axialrichtung der Brennkammer strömt, zu erzeugen. Die Abgasrückführanordnung führt einen ersten Teil des aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgases in den Swirl-Leitungsabschnitt mit einer ersten Konzentration zurückführt, und die einen zweiten Teil des aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgases in den Tumble-Leitungsabschnitt mit einer zweiten Konzentration zurück. Die zweite Konzentration ist höher als die erste Konzentration. Der Frischluft-Zufuhrabschnitt führt dem Tumble-Leitungsabschnitt Frischluft zu, die kein Abgas enthält, und ist auf einer stromaufwärtigen Seite des Einlassventils in Gasströmungsrichtung angeordnet.
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Dementsprechend können Frischluft und Abgas einen Schichtzustand in der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine haben.
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Die vorstehende sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Anmeldung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine vergrößerte schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine;
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3 eine schematische perspektivische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine;
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4 ein Blockdiagramm, das den elektrischen Aufbau der Verbrennungskraftmaschine zeigt;
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5 eine schematische Darstellung, welche die Verbrennungskraftmaschine unmittelbar vor dem Ansaughub zeigt;
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6 eine schematische Darstellung, welche die Verbrennungskraftmaschine beim Ansaughub zeigt;
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7 eine schematische Darstellung, die den Betätigungszeitpunkt eines Leitungs-auf/zu-Ventils und eines Einlassventils zeigt;
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8 eine schematische Darstellung, welche die Verbrennungskraftmaschine in einem späten Zustand des Ansaughubes zeigt;
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9 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einer Zeitspanne zum zuführen von Frischluft und einem Schichtzustandsgrad zeigt;
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10 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Zeitpunkt des Schließens des Leitungs-auf/zu-Ventils und dem Schichtzustandsgrad zeigt;
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11 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Zuführverhältnis für Frischluft und einem Schichtzustandsgrad zeigt;
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12 eine schematische Darstellung, welche die Verbrennungskraftmaschine bei einem Verdichtungshub zeigt; und
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13 eine schematische Darstellung, welche den Betätigungszeitpunkt des Leitungs-auf/zu-Ventils und des Einlassventils der Verbrennungskraftmaschine gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführungsform zeigt.
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1 zeigt einen Dieselmotor 10, der als Verbrennungskraftmaschine der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient. Der Dieselmotor 10 hat einen Motorhauptkörper 11, ein Abgassystem 12, ein Ansaugsystem 13, einen Turbolader 14 sowie eine Abgasrückführanordnung 15. Der Motorhauptkörper 11 hat mehrere Zylinder 16.
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Wie in 2 dargestellt ist, hat der Motorhauptkörper 11 einen Zylinderblock 17, einen Zylinderkopf 18 und einen Kolben 19. Der Kolben 19 bewegt sich im Zylinder 16 in Axialrichtung auf und ab. Der Motorhauptkörper 11 bildet eine Brennkammer 20, die durch den Zylinderblock 17, den Zylinderkopf 18 und den Kolben 19 definiert ist. Die Brennkammer 20 kann eine aus einer Mehrzahl von Brennkammern entsprechend der Mehrzahl der Zylinder 16 sein.
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Wie in 1 gezeigt ist, hat das Abgassystem 12 einen Abgaskrümmer 21 und einen Abgasleitungsabschnitt 22. Der Abgaskrümmer 21 und der Abgasleitungsabschnitt 22 bilden eine Abgasleitung 23. Der Abgaskrümmer 21, der von dem Abgasleitungsabschnitt 22 abzweigt, ist mit jeder Brennkammer 20 des Motorhauptkörpers 11 verbunden. Zumindest ein Teil des Abgases, das aus der Brennkammer 20 des Motorhauptkörpers 11 ausgestoßen wird, wird durch die Abgasleitung 23, die vom Abgaskrümmer 21 und dem Abgasleitungsabschnitt 22 gebildet wird, an die Umgebung bzw. Atmosphäre abgegeben.
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Das Abgassystem 12 hat eine Abgasreinigungsanordnung 24. Die Abgasreinigungsanordnung 24 hat einen katalytischen Oxidationswandler, einen katalytischen Reduktionswandler und/oder einen Dieselpartikelfilter (DPF). Die Abgasreinigungsanordnung 24 reinigt (entfernt) das Stickoxid (NOx) und die Partikel (PM) im Abgas durch eine chemische Reaktion (z. B. einen Oxidationsvorgang, einen Reduktionsvorgang) oder durch Adsorption.
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Das Einlasssystem bzw. Ansaugsystem 13 hat einen Ansaugleitungsabschnitt 25, einen Luftfilter 26 und einen Zwischenkühler 27. Der Ansaugleitungsabschnitt 25 bildet eine Ansaugleitung 28. Ein erster Endabschnitt der Ansaugleitung 28 ist durch den Luftfilter 26 zur Atmosphäre hin offen. Frische (neue) Luft, die in den Motorhauptkörper 11 gesaugt wird, wird durch den ersten Endabschnitt der Ansaugleitung 28, die über den Luftfilter 26 zur Atmosphäre hin offen ist, angesaugt.
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Das Ansaugsystem 13 kann eine Drosselklappe (nicht dargestellt) umfassen, die eine Strömungsrate der Ansaugluft steuert, die in der Ansaugleitung 28 fließt. Darüber hinaus hat das Ansaugsystem 13 einen Tumble-Leitungsteil 31 sowie einen Swirl- bzw. Verwirbelungs-Leitungsteil 32. Wie in 2 dargestellt ist, bildet der Tumble-Leitungsteil 31 eine Tumbleleitung 33. Der Swirl-Leitungsteil 32 bildet eine Swirl- bzw. Verwirbelungsleitung 34. Die Tumbleleitung 33 und die Swirlleitung 34 sind mit der Brennkammer 20 des Motorhauptkörpers 11 verbunden. Ein Einlassventil 35 ist zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20 angeordnet, um die Leitung zwischen diesen zu öffnen/schließen, und ist zwischen der Swirlleitung 34 und der Brennkammer 20 angeordnet, um die Leitung zwischen diesen zu öffnen/schließen.
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Wie in 1 dargestellt ist, hat der Turbolader 14 eine Turbine 36 und einen Verdichter 37. Die Turbine 36 ist in der Abgasleitung 23 angeordnet und wird durch das Abgas gedreht, das in der Abgasleitung 23 fließt. Der Verdichter 37 ist in der Ansaugleitung 28 angeordnet. Der Verdichter 37 ist mit der Turbine 36 durch eine (nicht dargestellte) Welle verbunden. Auf diese Weise wird die Rotation der Turbine 36 durch die Welle auf den Verdichter 37 übertragen. Wenn somit die Turbine 36 durch das Abgas gedreht wird, wird auch der Verdichter 37 gedreht. Hierdurch wird die Ansaugluft, die in der Ansaugleitung 28 strömt, durch die Rotation des Verdichters 37 verdichtet. Die Ansaugluft, deren Temperatur durch die Verdichtung der Ansaugluft erhöht wird, wird durch den Zwischenkühler 27 gekühlt und dann dem Motorhauptkörper 11 zugeführt.
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Die Abgasrückführanordnung 15 hat einen Abgasrückführ-(EGR-)Leitungsteil 41, ein EGR-Ventil 42, einen Hochkonzentrations-Leitungsteil 43 und einen Verbindungsleitungsteil 44. Der EGR-Leitungsteil 41 bildet eine EGR-Leitung 51, welche die Abgasleitung 23 mit dem EGR-Ventil 42 verbindet. Der Hochkonzentrations-Leitungsteil 43 bildet eine Hochkonzentrationsleitung 53, die das EGR-Ventil 42 mit der Tumbleleitung 33 verbindet. Der Verbindungsleitungsteil 44 bildet eine Verbindungsleitung 54, der das EGR-Ventil 42 mit der Swirlleitung 34 verbindet. Das EGR-Ventil 42 öffnet und schließt die EGR-Leitung 51 und steuert die Gesamtmenge des Abgases, das von der Abgasleitung 23 zur Tumbleleitung 33 und der Swirlleitung 34 zurückgeführt wird.
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Die Hochkonzentrationsleitung 53 ist mit der Tumbleleitung 33 verbunden. Dadurch wird ein Teil des aus der Abgasleitung 23 zurückgeführten Abgases über die EGR-Leitung 51 und die Hochkonzentrationsleitung 53 an die Tumbleleitung 33 geführt. Daher ist ein großer Teil des Gases, das von der Abgasleitung 23 über die Tumbleleitung 33 in die Brennkammer 20 strömt, vom Motorhauptkörper 11 abgegebenes Abgas. Daher wird eine Abgaskonzentration des über die Tumbleleitung 33 von der Hochkonzentrationsleitung 53 in die Brennkammer 20 strömenden Gases höher, als eine Abgaskonzentration des Gases, das von der Swirl- bzw. Verwirbelungsleitung 34 zur Brennkammer 20 zurückgeführt wird.
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Nachfolgend wird das Gas, das über die Tumbleleitung 33 von der Hochkonzentrationsleitung 53 in die Brennkammer 20 strömt, als hohes EGR-Gas bezeichnet, da die Konzentration des in der Ansaugluft enthaltenen Abgases hoch ist.
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Die Verbindungsleitung 54 ist mit der Swirlleitung 34 verbunden. Dadurch wird ein Teil des aus der Abgasleitung zurückgeführten Abgases über die EGR-Leitung 51 und die Verbindungsleitung 54 an die Swirlleitung 34 geführt. Die Swirlleitung 34 ist nicht nur mit der Verbindungsleitung 54 sondern auch mit der Ansaugleitung 28 verbunden. Daher wird auch frische (neue) Luft, die kein Abgas enthält, der Swirlleitung 34 zugeführt. Hierdurch strömt eine Mischung aus Frischluft und Abgas in die Brennkammer 20 aus der Swirlleitung 34 und zeigt eine vergleichsweise geringe Abgaskonzentration.
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Nachfolgend wird das Gas, das aus der Swirlleitung 34 in die Brennkammer 20 strömt, als niedriges EGR-Gas bezeichnet, da die Konzentrationen des in der Ansaugluft enthaltenen Abgases gering ist.
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Somit wird Frischluft, die aus der Umgebungsluft zur Ansaugleitung 28 gesaugt wird, mit Abgas in der Swirlleitung 34 vermischt, und die vermischte Luft und Abgas werden der Brennkammer 20 zugeführt.
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Darüber hinaus wird ein Teil des Abgases, das von der Abgasleitung 23 zur EGR-Leitung 51 zurückgeführt wird, der Brennkammer 20 über die Tumbleleitung 33 als hohes EGR-Gas zugeführt. Der Rest des von der Abgasleitung 23 zur EGR-Leitung 51 zurückgeführten Abgases wird mit Frischluft in der Swirl- bzw. Verwirbelungsleitung 34 vermischt, und die vermischte Luft und das Abgas werden der Brennkammer 20 über die Swirlleitung 34 als niedriges EGR-Gas zugeführt.
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Das Ansaugsystem 13 hat ein Strömungsraten-Steuerventil 61. Das Strömungsraten-Steuerventil 61 ist in der Ansaugleitung 28 angeordnet und steuert eine Strömungsrate der in die Swirlleitung 34 von der Ansaugleitung 28 strömenden Frischluft.
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Die Abgasrückführanordnung 15 hat ein Strömungsraten-Steuerventil 62. Das Strömungsraten-Steuerventil 62 ist in der Verbindungsleitung 54 angeordnet, und steuert eine Strömungsrate des zur Swirlleitung 34 über die Verbindungsleitung 54 zurückgeführten Abgases. Die Abgasrückführanordnung 15 steuert das Verhältnis des in der der Brennkammer 20 zugeführten Ansaugluft enthaltenen Abgases durch Steuern der Öffnung des EGR-Ventils 42 und des Strömungsraten-Steuerventils 62.
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Der Dieselmotor 10 hat einen Frischluft-Zufuhrabschnitt 70. Der Frischluft-Zufuhrabschnitt 70 hat einen Frischluft-Leitungsteil 71, ein Leitungs-öffnen-und-schließen-Ventil bzw. Leitungs-auf/zu-Ventil 72 und einen Verdichter bzw. Kompressor 73. Der Frischluft-Leitungsteil 71 ist derart ausgebildet, dass der zwischen einem Ansaugleitungsteil 25 und dem Tumble-Leitungsteil 31 verläuft. Eine Frischluftleitung 74, die durch den Frischluft-Leitungsteil 71 definiert wird, verbindet die Ansaugleitung 28, die durch den Ansaugleitungsteil 25 definiert wird, mit der Tumbleleitung 33, die durch den Tumble-Leitungsteil 31 definiert wird.
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Ein erstes Ende der Frischluftleitung 74 ist stromabwärts des Zwischenkühlers 27 in Strömungsrichtung der Ansaugluft verbunden. Das bedeutet, das erste Ende der Frischluftleitung 74 ist mit einer Auslassseite des Zwischenkühlers 27 verbunden. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, ist ein zweites Ende der Frischluftleitung 74 stromaufwärts des Einlassventils 35 in Gasströmungsrichtung in jeder Tumbleleitung 33 verbunden. Hierdurch wird ein Teil der Frischluft, die kein Abgas enthält, in der Ansaugleitung 28 über die Frischluftleitung 74 der Tumbleleitung 33 zugeführt.
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Das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 öffnet und schließt intermittierend die Frischluftleitung 74, um die Strömungsrate der der Tumbleleitung 33 von der Ansaugleitung 28 zugeführten Frischluft zu steuern. Der Verdichter 73 verdichtet die der Tumbleleitung 33 über die Frischluftleitung 74 zugeführte Frischluft. Der Kompressor bzw. Verdichter 73 kann mechanisch mit einer Antriebskraft des Motorhauptkörpers 11 angetrieben werden, oder kann elektrisch mit elektrischer Leistung einer (nicht dargestellten) Batterie angetrieben werden.
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Wie in 4 dargestellt ist, hat der Dieselmotor 10 ferner eine Steuervorrichtung 80. Die Steuervorrichtung 80 umfasst einen Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM und einem RAM (jeweils nicht dargestellt) und steuert jeden Teil des Dieselmotors 10.
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Die Steuervorrichtung 80 ist mit einem Rotationssensor 81 und einem Gaspedalsensor 82 verbunden. Der Rotationssensor 81 erfasst die Rotation einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle des Motorhauptkörpers 11. Der Rotationssensor 81 gibt ein elektrisches Signal entsprechend dem erfassten Rotationswinkel der Kurbelwelle an die Steuervorrichtung 80 aus.
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Der Gaspedalsensor 82 erfasst einen Pedal-Betätigungsbetrag eines (nicht dargestellten) Gaspedals. Der Gaspedalsensor 82 gibt ein elektrisches Signal entsprechend dem erfassten Pedal-Betätigungsbetrag an die Steuervorrichtung 80 aus. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 80 mit verschiedenen Arten von (nicht dargestellten) Sensoren wie beispielsweise einem Wassertemperatursensor, einem Ansaugluft-Temperatursensor oder einem Ansaugluft-Strömungsratensensor verbunden sein.
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Die Steuervorrichtung 80 kann, beispielsweise durch Software und/oder Hardware, mit einem Einspritzcontroller 83 und einen Abgasrückführungscontroller 84 ausgebildet sein.
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Der Einspritzcontroller 83 stellt die Einspritzmenge des in die Brennkammer 20 eingespritzten Kraftstoffs basierend auf dem Rotationswinkel der Kurbelwelle, der durch den Rotationssensor 81 erfasst wird, und dem Pedal-Betätigungsbetrag, der durch den Gaspedalsensor 82 erfasst wird, ein. Der Einspritzcontroller 83 steuert einen Injektor 85, der in 2 dargestellt ist, basierend auf der Kraftstoffeinspritzmenge. Der Einspritzcontroller 83 steuert die Einspritzmenge und den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung vom Injektor 85.
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Der Abgasrückführungscontroller 84 steuert in ähnlicher Weise die Menge des zur Brennkammer 20 zurückgeführten Abgases basierend auf dem Rotationswinkel der Kurbelwelle, der durch den Rotationssensor 81 erfasst wird, und dem Pedal-Betätigungsbetrag, der durch den Gaspedalsensor 82 erfasst wird. Der Abgasrückführungscontroller 84 steuert die Menge des zur Brennkammer 20 zurückgeführten Abgases durch Steuern des Strömungsraten-Steuerventils 61, des Strömungsraten-Steuerventils 62 und des EGR-Ventils 42. Darüber hinaus steuert der Abgasrückführungscontroller 84 den Zeitpunkt, zu dem Frischluft der Tumbleleitung 33 zugeführt wird, durch Steuern des Leitungs-auf/zu-Ventils 72. Ferner steuert der Abgasrückführungscontroller 84 die Menge der Frischluft durch Steuern des Verdichters 73.
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Der Betrieb des Dieselmotors 10 wird nachfolgend beschrieben.
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Wie in 2 gezeigt ist, sind die Tumbleleitung 33 und die Swirlleitung 34 mit der Brennkammer 20 des Motorhauptkörpers 11 verbunden. Das Einlassventil 35 öffnet und schließt die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20, und öffnet und schließt die Leitung zwischen der Swirlleitung 34 unter Brennkammer 20.
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Der Motorhauptkörper 11 arbeitet wiederholt in der Reihenfolge eines Ansaughubes, Verdichtungshubes, Verbrennungshubes und Auslasshubes. Wie in 5 dargestellt ist, befindet sich der Kolben 19, unmittelbar bevor der Motorhauptkörper 11 von einem Auslasshub zu einem Ansaughub übergeht, am oberen Totpunkt. Zu diesem Zeitpunkt fließt das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammern 20 und schließt die Leitung zwischen der Verwirbelungs- bzw. Swirlleitung 34 unter den Brennkammern 20.
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Dann bewegt sich, wie in 6 gezeigt, wenn der Motorhauptkörper 11 zu einem Ansaughub wechselt, der Kolben 19 vom oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt. Ferner öffnet das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 unter den Brennkammern 20 und öffnet die Leitung zwischen der Swirlleitung 34 und den Brennkammern 20. Daher strömt das niedrige EGR-Gas der Swirlleitung 34 aus der Swirlleitung 34 in die Brennkammer 20, wie durch den kreuzweise schraffierten Abschnitt in 6 gezeigt.
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Die Swirlleitung 34, die mit der Brennkammer 20 verbunden ist, ist beabstandet und relativ zur Achse der Brennkammer 20 leicht geneigt. Daher bildet das niedrige EGR-Gas, das aus der Swirlleitung 34 strömt, eine Swirl- oder Drall- bzw. Wirbelströmung, die sich um die Achse der Brennkammer 20 in Umfangsrichtung dreht. Dadurch kann eine niedrige EGR-Gas-Schicht 91 durch das niedrige EGR-Gas mit einer vergleichsweise niedrigen Abgaskonzentration, das aus der Swirlleitung 34 strömt, gebildet werden. Die niedrige EGR-Gas-Schicht 91 ist angrenzend an eine Wandfläche des Motorhauptkörpers 11, die den Zylinder 16 bildet, an der Außenseite der Brennkammer 20 in Radialrichtung angeordnet.
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Wie in 5 gezeigt ist, öffnet, bevor das Einlassventil 35 geöffnet wird, das bedeutet, wenn das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammern 20 beim Auslasshub schließt, das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74. Daher wird, wie durch den schräg schraffierten Abschnitt in 5 gezeigt, Frischluft in einen Teil der Tumbleleitung 33 in der Nähe des Einlassventils 35 gefüllt.
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Insbesondere öffnet der Abgasrückführungscontroller 84 das Leitungs-öffnen-und-schließen-Ventil bzw. Leitungs-auf/zu-Ventil 72 der Frischluftleitung 74, wie in 5 gezeigt, zu einem späten Zeitpunkt des Auslasshubes aus 7. Daher strömt die Frischluft, die von der Ansaugleitung 28 über die Frischluftleitung 74 zugeführt wird, also die Frischluft, die kein Abgas enthält, in Richtung zum Endabschnitt der Tumbleleitung 33, der an das Einlassventil 35 angrenzt.
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Hierbei verbleibt das hohe EGR-Gas, das von der Tumbleleitung 33 vorher zugeführt wurde, nahe am Einlassventil 35 in der Tumbleleitung 33, wenn das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammer 20 im vorherigen Ansaughub schließt. Wenn die durch den Verdichter 37 verdichtete Frischluft der Tumbleleitung 33 zugeführt wird, füllt die verdichtete Frischluft die Tumbleleitung 33 anstelle des hohen EGR-Gases durch Wegschieben des hohen EGR-Gases, das in der Nähe des Einlassventils 35 der Tumbleleitung 33 verblieben ist.
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Der Motorhauptkörper 11 geht vom Ansaughub zum Auslasshubes über, wenn die Tumbleleitung 33 nahe des Einlassventils 35 mit Frischluft gefüllt ist. Wenn somit das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammern 20 öffnet, wird in der Tumbleleitung 33 gesammelte Frischluft in die Brennkammer 20 gesaugt, wenn sich der Kolben 19 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt, wie in 6 gezeigt.
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Wenn sich dagegen der Kolben 19 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt (also wenn der Motorhauptkörper 11 einen Ansaughub ausführt), ist das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 geschlossen, wie in 7 gezeigt. Hierdurch schließt das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74, wie in 8 gezeigt, um das Einströmen von Frischluft in die Tumbleleitung 33 von der Frischluftleitung 74 zu stoppen. Da der Motorhauptkörper 11 einen Ansaughub aus führt, öffnet zu diesem Zeitpunkt das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammern 20. Daher wird das gerade in die Tumbleleitung 33 eingebrachte hohe EGR-Gas aus der Tumbleleitung 33 in die Brennkammer 20 angesaugt, wie durch das gepunktete Muster von 8 dargestellt.
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Die Tumbleleitung 33 ist mit einer Position in der Nähe der Mittelachse der Brennkammer 20 verbunden und verläuft weitestgehend parallel mit der Achse der Brennkammer 20. Daher bildet die Frischluft oder das hohe EGR-Gas, das von der Tumbleleitung 33 in die Brennkammer 20 strömt, eine Tumble-Strömung, die in Axialrichtung der Brennkammer 20 strömt. Dadurch wird, zu einem frühen Zeitpunkt des Ansaughubes, wie in 6 gezeigt, eine Frischluftschicht 92 durch die frische Luft, die aus der Tumbleleitung 33 strömt, an der Innenseite der Brennkammer 20 in radiale Richtung gebildet, d. h. Nahe der Mittelachse der Brennkammer 20. Ferner wird, nachdem das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 beim Ansaughub schließt, wie in 8 gezeigt, eine hohe EGR-Gas-Schicht 93 durch das hohe EGR-Gas, das aus der Tumbleleitung 33 strömt, in der Nähe der Mittelachse der Brennkammer 20 gebildet.
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Das bedeutet, dass, wie in 8 dargestellt, wenn sich der Motorhauptkörper 11 in einer späten Stufe des Ansaughubes befindet, die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93, die durch das aus der Tumbleleitung 33 strömende Gas gebildet sind, von der niedrigen EGR-Gas-Schicht 91 umgeben sind, die aus niedrigem EGR-Gas besteht, das aus der Swirlleitung 34 von außen in Radialrichtung einströmt. Dann fließt hohes EGR-Gas von der Tumbleleitung 33, nachdem Frischluft eingeflossen ist, in die Brennkammer 20. Als Ergebnis wird, in der Nähe der Mitte der Brennkammer 20, die Frischluftschicht 92, die aus Frischluft besteht, angrenzend an den Kolben 19 gebildet, und die hohe EGR-Gas-Schicht 93 wird angrenzend an das Einlassventil 35 gebildet. Mit anderen Worten: die Frischluftschicht 92 ist zwischen dem Kolben 19 und der hohen EGR-Gas-Schicht 93 angeordnet.
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Die niedrige EGR-Gas-Schicht 91, die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93 erzeugen eine große Differenz in der Abgaskonzentration, d. h. der Sauerstoffkonzentrationen, in der Brennkammer 20. Daher kann, in einer kurzen Zeitspanne vom Ansaughub zum Verdichtungshub, ein Schichtzustand durch die niedrige EGR-Gas-Schicht 91, die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93 ohne wechselseitige Durchmischung ausgebildet werden.
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Hierbei ist, wie in 7 dargestellt ist, eine erste Zeitspanne, während welcher Frischluft zugeführt wird, als eine Zeitspanne, für welche das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 öffnet, länger eingestellt, als eine zweite Zeitspanne, für welche das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammern 20 öffnet.
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Wie in 9 gezeigt ist, kann der Schichtungs-(Lagen-)grad in der Brennkammer 20 hoch gehalten werden, selbst wenn die erste Zeitspanne, für welche das Leitungs-öffnen-und-schließen-Ventil bzw. Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 öffnet, länger eingestellt ist, als die zweite Zeitspanne, für welche das Einlassventil 35 geöffnet ist. Das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 kann, verglichen mit den Einlassventil 35, leicht gesteuert werden, da das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 mit einer längeren Zeitdauer als die Öffnen-/Schließen-Zeitdauer des Einlassventils 35 geöffnet und geschlossen werden kann.
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Wie zudem in 10 gezeigt ist, ist der Zeitpunkt, zu dem das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 schließt, innerhalb einer Zeitspanne eingestellt, während welcher das Einlassventil 35 geöffnet wird. Das bedeutet, das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 öffnet die Frischluftleitung 74 bevor das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 35 und der Brennkammer 20 beim Ansaughub öffnet. Nachdem das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20 beim Ansaughub geöffnet hat, schließt das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 bevor das Ansaugventil bzw. Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und den Brennkammern 20 wieder schließt.
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Durch Öffnen und Schließen des Leitungs-auf/zu-Ventils 72 mit einem derartigen Timing wird, wie in 10 gezeigt ist, der Schichtungsgrad der niedrigen EGR-Gas-Schicht 91, der Frischluftschicht 92 und der hohen EGR-Gas-Schicht 93 in der Brennkammer 20 verbessert. Das bedeutet, der Abgasrückführungscontroller 84 startet die Zufuhr von Frischluft in einem Zustand, in welchem das Einlassventil 35 vor einem Ansaughub geschlossen ist, und beendet die Zufuhr von Frischluft bevor das Einlassventil 35 vom geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand überführt wird.
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Wenn der Schichtungs-(Lagen-)grad höher ist, wird eine Differenz der Abgaskonzentration zwischen einem Abschnitt mit höchster Abgaskonzentration und einem Abschnitt mit niedrigster Abgaskonzentration höher, wenn der Verdichtungshub nach einem Ansaughub abgeschlossen wird. Anders ausgedrückt: der Schichtungsgrad erzeugt eine Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen einem Abschnitt mit niedrigster Sauerstoffkonzentration und einem Abschnitt mit höchster Sauerstoffkonzentration wenn der Verdichtungshub beendet wird. Daher stellt der Schichtungsgrad die Differenz der Abgas- oder Sauerstoffkonzentration dar.
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Wie zudem in 11 gezeigt ist, beeinflusst ein Verhältnis der Frischluft zur Gesamtmenge des der Brennkammer 20 von der Tumbleleitung 33 zugeführten Gases den Schichtungsgrad bzw. Schichtladezustand der Brennkammer 20. Insbesondere wird, wenn das Verhältnis der Frischluft zur Gesamtmenge des der Brennkammer 20 von der Tumbleleitung 33 zugeführten Gases 60% bis 80% im Volumen ist, der Schichtungsgrad (stratification degree) in der Brennkammer 20 hoch.
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Wenn das Verhältnis der Frischluft größer als 80% wird, ist das meiste des der Brennkammer 20 von der Tumbleleitung 33 zugeführten Gases Frischluft. Zu diesem Zeitpunkt wird kaum eine hohe EGR-Gas-Schicht 93 in der Brennkammer 20 ausgebildet, und der Schichtungsgrad zwischen der Frischluftschicht 92 und der hohen EGR-Gas-Schicht 93 wird unzureichend.
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Wenn das Verhältnis der Frischluft geringer als 60% wird, wird das der Brennkammer 20 zugeführte EGR-Gas verglichen zur Frischluft übermäßig. Dadurch kommt es zu einer Verknappung von Sauerstoff in der Brennkammer 20, und es wird schwierig, eine ausreichende Kraftstoffverbrennung zu gewährleisten.
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Um somit sowohl eine stabile Verbrennung als auch einen hohen Schichtungsgrad zu erreichen kann das Verhältnis R der Frischluft, die der Brennkammer 20 zugeführt wird, auf einen Bereich zwischen 60% und 80% (60% ≤ R ≤ 80%) eingestellt werden.
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Die in der Brennkammer 20 geschichtete Frischluft und das geschichtete Abgas werden verdichtet, wenn sich der Kolben 19 durch Wechseln von einem Ansaughub zu einem Verdichtungshub nach oben bewegt, wie in 12 gezeigt. Dann wird, während einer Zeitspanne von einem späten Zeitpunkt des Verdichtungshubes, bei welchem der Kolben 19 den oberen Totpunkt erreicht, bis zu einem frühen Zeitpunkt eines Verbrennungshubes, bei welchem der Kolben 19 den oberen Totpunkt durchläuft, vom Injektor 85 Kraftstoff in die verdichtete Frischluft und das verdichtete Abgas eingespritzt. Wenn der Kraftstoff eingespritzt wird, werden die geschichtete Frischluft und das geschichtete Abgas mit hohem Schichtungsgrad beibehalten. Daher ist die hohe EGR-Gas-Schicht 93 angrenzend an den Injektor 85, in der Nähe der Mittelachse der Brennkammer 20, und entfernt vom Kolben 19 angeordnet.
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Der Injektor 85 hat eine Düsenöffnung (nicht dargestellt) durch welche Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die Düsenöffnung an einem oberen Ende der Brennkammer 20 angeordnet ist, also angrenzend an den Zylinderkopf 18 in der Nähe der Mittelachse der Brennkammer 20. Vom Injektor 85 eingespritzte Kraftstoff gelangt daher zuerst mit der hohen EGR-Gas-Schicht 93 in Kontakt. Da der vom Injektor 85 eingespritzte Kraftstoff mit der hohen EGR-Gas-Schicht 83, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Sauerstoffkonzentration hat, in Kontakt gelangt, wird der Kraftstoff behutsam verbrannt. Daher hat der eingespritzte Kraftstoff eine niedrige Verbrennungsgeschwindigkeit und eine große Zündverzögerung, so dass die Erzeugung von PM verhindert wird.
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Dann gelangt der in die hohe EGR-Gas-Schicht 93 eingespritzte Kraftstoff mit der Frischluftschicht 92 in Kontakt, die eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist. Daher wird der Kraftstoff in einem stabilisierten Zustand verbrannt. Zudem gelangt der Kraftstoff mit der niedrigen EGR-Gas-Schicht 91 in Kontakt, die sich um den Außenumfang der Brennkammer 20 erstreckt. Daher kann der in die Brennkammer 20 eingespritzte Kraftstoff mit einer stabilen Verbrennungsgeschwindigkeit verbrannt werden, ohne dass es zu einem schnellen Anstieg der Verbrennungsgeschwindigkeit oder Temperatur kommt.
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Gemäß der Ausführungsform hat die Verbrennungskraftmaschine einen Frischluft-Zufuhrabschnitt 70. Daher wird, wenn das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20 schließt, die Tumbleleitung 33 in der Nähe des Einlassventils 35 mit Frischluft gefüllt, die kein Abgas enthält.
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Beim Übergang zu einem Ansaughub öffnet das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20, so dass Ansaugluft, die in die Brennkammer 20 in Richtung der Mittelachse der Brennkammer 20 als Tumble-Strömung strömt, die Frischluftschicht 92, die kein Abgas enthält, auf der Seite entfernt von Einlassventil 35 bildet. Zudem bildet die Ansaugluft, die in die Brennkammer 20 in Richtung der Mittelachse der Brennkammer 20 als Tumble-Strömung fließt, die hohe EGR-Gas-Schicht 93 auf der Seite in der Nähe des Einlassventils 35.
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Zudem wird die niedrige EGR-das-Schicht 91 entlang der Innenwandfläche der Brennkammer 20 durch die Swirl-Strömung der von der Swirl- bzw. Verwirbelungsleitung 34 zugeführten Ansaugluft ausgebildet. Somit sind die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93 in dieser Reihenfolge von der unteren Seite angrenzend an den Kolben 19 in der Mitte in Radialrichtung angeordnet, und werden von der niedrigen EGR-Gas-Schicht 91 in Radialrichtung der Brennkammer 20 umgeben. Als Ergebnis kann der Schichtungszustand mit den Schichten 91, 92 und 93 mit unterschiedlichen Konzentrationen von Sauerstoff in der Brennkammer 20 ausgebildet werden.
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Das Schichtzustands- bzw. Schichtladungsgas bestehend aus Frischluft und Abgas wird durch den Verdichtungshub verdichtet und Kraftstoff wird eingespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff wird durch in Kontakt treten mit der hohen EGR-Gas-Schicht 93 entzündet und behutsam verbrannt. Dann verbrennt der entzündete Kraftstoff stabil durch in Kontakt treten mit der Frischluftschicht 92. Der verbrannte Kraftstoff brennt weiterhin stabil mit einer stabilen Brenngeschwindigkeit bzw. Verbrennungsgeschwindigkeit durch in Kontakt treten mit der niedrigen EGR-Gas-Schicht 91, die an der Umfangsseite der Brennkammer 20 angeordnet ist.
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Die Kraftstoffverbrennungsgeschwindigkeit und die Temperatur steigen somit nicht schnell an. Darüber hinaus kann die Erzeugung von PM und NOx sowie von Geräuschen verringert werden. Dadurch kann, bei der Brennkammer 20, der Schichtzustand durch die niedrige EGR-Gas-Schicht 91, die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93 unterstützt werden, und das Ausstoßen eines vorgegebenen Materials wie beispielsweise PM und NOx kann verringert werden.
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Gemäß der Ausführungsform wird Frischluft der Brennkammer 20 durch Öffnen und Schließen des Einlassventils 35 zugeführt. Das bedeutet, der Zufuhrzeitpunkt der Frischluft wird durch Öffnen und Schließen des Einlassventils 35 gesteuert. Die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93 werden vorab in der Tumbleleitung 33 ausgebildet, bevor das Einlassventil 35 geöffnet wird. Dadurch fließen, wenn das Einlassventil 35 geöffnet wird, die Frischluftschicht 92 und die hohe EGR-Gas-Schicht 93, die in der Tumbleleitung 33 ausgebildet wurden, in die Brennkammer 20 bei Beibehaltung des Schichtzustands. Darüber hinaus fließt, aufgrund des Frischluft-Zufuhrabschnitt 70 nur Frischluft ohne Abgas aus der Ansaugleitung 28.
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Somit strömt nicht zu verbrennendes Material, das im Abgas enthalten ist, zum Beispiel Ruß oder Öl, nicht ein oder sammelt sich an dem Leitungs-öffnen-und-schließen-Ventil bzw. Leitungs-auf/zu-Ventil 72 des Frischluft-Zufuhrabschnitts 70. Somit kann dazu beigetragen werden, dass die Ansaugluft für eine lange Zeitdauer in der Brennkammer 20 einen Schichtzustand stabil aufrecht erhält, ohne dass eine komplizierte Steuerung oder ein komplizierter Aufbau notwendig wäre.
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Gemäß der Ausführungsform bestimmt der Frischluft-Zufuhrabschnitt 70 den Zufuhrzeitpunkt von Frischluft. Das bedeutet, der Frischluft-Zufuhrabschnitt 70 führt Frischluft der Tumbleleitung 33 in einer Zeitspanne eines Ansaughubes zu. Die Zeitspanne des Ansaughubes startet von einem Zustand, wo die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20 vor dem Ansaughub geschlossen ist, und endet, wenn das Einlassventil 35 die Leitung zwischen der Tumbleleitung 33 und der Brennkammer 20 nach dem Ansaughub erneut schließt.
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Hierdurch kann die Zeitspanne, für welche der Frischluft-Zufuhrabschnitt 70 Frischluft zuführt, als die Zeitspanne, für welche das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 öffnet, länger eingestellt werden, als die Zeitspanne, für welche das Einlassventil 35 geöffnet ist. Daher kann der auf-zu-Zyklus des Leitungs-auf/zu-Ventils 72 länger eingestellt werden, als der auf-zu-Zyklus des Einlassventils 35. Somit kann das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 leichter auf und zu gesteuert werden, um eine komplizierte Steuerung oder einen komplizierten Aufbau zu vermeiden. Da Frischluft und hohes EGR-Gas ausreichend der Brennkammer 20 zugeführt werden, kann der Kraftstoff stabil verbrannt werden, und der Ausstoß des vorgegebenen Materials wie PM kann verringert werden.
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Gemäß der Ausführungsform ist das Verhältnis der Frischluft, das durch den Frischluft-Zufuhrabschnitt 70 der Brennkammer 20 über die Tumbleleitung 33 zugeführt wird, auf 60% bis 80% im Volumen relativ zur Gesamtmenge des Gases, das der Brennkammer 20 von der Tumbleleitung 33 zugeführt wird, eingestellt. Wenn das Verhältnis der Frischluft übermäßig wird, ist es schwierig, die hohe EGR-Gas-Schicht 93 in der Brennkammer 20 auszubilden, so dass der Schichtzustand betroffen und verringert wird. Wenn dagegen das Frischluftverhältnis zu niedrig wird, kommt es zu einer Sauerstoffverknappung in der Brennkammer 20 und es wird schwierig, eine stabile Verbrennung zu gewährleisten. Somit können sowohl eine stabile Verbrennung als auch der Schichtzustand durch Steuern des Frischluftverhältnisses erzielt werden.
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend genannte Ausführungsform begrenzt. Beispielsweise schließt das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 in 7 die Frischluftleitung 74 nach Öffnung des Einlassventils 35. Alternativ dazu kann das Leitungs-auf/zu-Ventil 72, wie in 13 gezeigt, die Frischluftleitung 74 vor dem Öffnen des Einlassventils 35 schließen.
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Wenn beispielsweise eine Verbindungsstelle, welche die Frischluftleitung 74 mit der Tumbleleitung 33 verbindet, vom Einlassventil 35 entfernt ist, hat die Tumbleleitung 33 einen ausreichenden Abstand von der Verbindungsstelle zum Einlassport der Brennkammer 20. Wenn daher das Leitungs-öffnen-und-schließen-Ventil bzw. Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 öffnet, bevor das Einlassventil 35 geöffnet wird, kann die Frischluftschicht mit ausreichender Menge in der Tumbleleitung 33 ausgebildet werden. In diesem Fall können, selbst wenn das Leitungs-auf/zu-Ventil 72 die Frischluftleitung 74 schließt, die Frischluftschicht und die hohe EGR-Gas-Schicht durch die Ansaugluft, die in die Brennkammer 20 durch Öffnen des Einlassventils 35 strömt, ausgebildet werden. Der Öffnen-Schließen-Zeitpunkt des Leitungs-auf/zu-Ventils 72 kann somit flexibel gemäß der Form der Tumbleleitung 33 des Dieselmotors 10 und der Verbindungsstelle zwischen der Tumbleleitung 33 und der Frischluftleitung 74 eingestellt werden.
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Derartige Änderungen und Abwandlungen verstehen sich als zum Umfang der vorliegenden Anmeldung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, gehörig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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