DE102014017163A1 - Benzindirekteinspritzungsmotor, Verfahren zum Steuern eines Motors und Computerprogrammprodukt - Google Patents

Benzindirekteinspritzungsmotor, Verfahren zum Steuern eines Motors und Computerprogrammprodukt Download PDF

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Abstract

Ein Benzindirekteinspritzungsmotor wird bereitgestellt. Der Motor bewirkt eine Selbstzündung von Kraftstoff, der von einem Injektor in einen Zylinder eingespritzt wird und zumindest Benzin enthält. Der Motor enthält eine Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor. Ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Motors ist näherungsweise 15:1 oder höher. Die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung veranlasst den Injektor, eine Voreinspritzung durchzuführen, um eine Schwankung einer Temperatur im Zylinder nach einem oberen Verdichtungstotpunkt innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten, und zwar durch Einspritzen einer Menge an Kraftstoff, die eine oxidative Reaktion bewirkt, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren. Die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung veranlasst den Injektor, eine Haupteinspritzung durchzuführen, um die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu bewirken und während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch Einspritzen des Kraftstoffs nach der Voreinspritzung.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Benzindirekteinspritzungsmotor, ein Verfahren zum Steuern eines Motors und ein Computerprogrammprodukt.
  • Herkömmlicherweise sind Benzindirekteinspritzungsmotoren bekannt, die einen Kraftstoff, der zumindest Benzin enthält, in einen Zylinder leiten und den Kraftstoff veranlassen, sich durch ein verdichtendes Mischgas bzw. Gasgemisch selbst zu entzünden.
  • Beispielsweise offenbart die JP2013-057268A einen Motor, der eine Selbstzündungsverbrennung eines Kraftstoffs bewirkt. Um eine Druckanstiegsrate innerhalb eines Zylinders zu verringern (eine Rate einer Druckänderung im Inneren eines Zylinders bezüglich einer Kurbelwinkeländerung), steuert bzw. regelt der Motor einen Verbrennungszeitpunkt derart, dass ein Zeitpunkt, an dem die Druckanstiegsrate während des verbrennungsfreien Betriebs des Motors (motoring) der größte negative Wert (niedrigste Rate) wird, mit einem Verbrennungszeitraum überlappt. Insbesondere wird der Wert der Druckanstiegsrate während des verbrennungsfreien Betriebs kurz vor einem oberen Verdichtungstotpunkt (CTDC; Engl.: compression top dead center) am höchsten, wird Null bei CTDC, wird negativ nach CTDC, und wird dann schließlich der größte negative Wert. Mit anderen Worten verzögert der Motor einen Zündzeitpunkt der Selbstzündungsverbrennung auf einen vorbestimmten Zeitpunkt bei dem Expansionshub, um den Verbrennungszeitraum mit dem Zeitpunkt zu überlappen, an dem die Druckanstiegsrate während des verbrennungsfreien Betriebs der größte negative Wert wird. Somit wird die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung verringert und ein Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel wird verringert.
  • Es ist anzumerken, dass der hierin verwendete Ausdruck „während des verbrennungsfreien Betriebs des Motors” einen Zustand des Motors ohne Verbrennung angibt, während eine Kurbelwelle des Motors durch einen Elektromotor gedreht wird, und bei Forschungsuntersuchungen beispielsweise für einen Vergleich der Druckanstiegsrate innerhalb des Zylinders basierend darauf, ob es eine Verbrennung gibt oder nicht, verwendet wird.
  • Da eine Temperatur im Zylinder jedoch sinkt, wenn bzw. in dem Maße wie der Expansionshub voranschreitet, besteht die Gefahr einer Fehlzündung, wenn der Zündzeitpunkt übermäßig stark verzögert wird. Da eine Abnahmegeschwindigkeit der Temperatur im Zylinder bei dem Expansionshub höher ist, wenn bzw. in dem Maße wie das Verdichtungsverhältnis des Motors höher ist, kann der Zündzeitpunkt nicht sehr stark verzögert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird angesichts der oben genannten Situationen geschaffen und zielt darauf ab, einen Zeitraum, für den eine Selbstzündungsverbrennung verzögert werden kann, zu erweitern.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Benzindirekteinspritzungsmotor bereitgestellt. Der Motor bewirkt eine Selbstzündung eines Kraftstoffs, der von einem Injektor in einen Zylinder eingespritzt wird. Der Kraftstoff enthält zumindest Benzin. Der Motor enthält eine Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor. Ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Motors ist näherungsweise 15:1 oder höher. Die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung veranlasst den Injektor, eine Voreinspritzung durchzuführen, um eine Schwankung einer Temperatur im Zylinder nach einem oberen Verdichtungstotpunkt innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten, und zwar durch Einspritzen einer Menge an Kraftstoff, die eine oxidative Reaktion bewirkt, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren. Die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung veranlasst den Injektor, eine Haupteinspritzung durchzuführen, um die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu bewirken und während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch Einspritzen des Kraftstoffs nach der Voreinspritzung.
  • Da gemäß der obigen Konfiguration der Motor das geometrische Verdichtungsverhältnis von vergleichsweisen hohen, näherungsweise 15:1 oder höher aufweist, tendiert eine Verdichtungsanstiegsrate bei der Verbrennung dazu, anzusteigen. Mit anderen Worten tendiert bei dem Motor ein Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel dazu, hoch zu werden.
  • Da die Schwankung der Temperatur im Zylinder durch die Voreinspritzung innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, wird eine Abnahme der Temperatur im Zylinder unterbunden. Selbst wenn ein Zündzeitpunkt verzögert wird, kann die Selbstzündungsverbrennung ohne Bewirken einer Fehlzündung erzielt werden. Mit anderen Worten hält die Voreinspritzung die Schwankung der Temperatur im Zylinder ab dem oberen Verdichtungstotpunkt bis zur Zündung des durch die Haupteinspritzung bereitgestellten Kraftstoffs innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs.
  • Auf diese Weise kann die Selbstzündungsverbrennung verzögert werden, bis ein Verbrennungszeitraum der Selbstzündungsverbrennung mit einem Zeitpunkt überlappt, an dem eine Druckanstiegsrate während des verbrennungsfreien Betriebs ein höchster negativer Wert wird, oder bis eine Verbrennungsmitte der Selbstzündungsverbrennung mit einem Zeitraum überlappt, in dem eine Unterdruckanstiegsrate hoch ist (näherungsweise 10° bis näherungsweise 20° nach dem oberen Verdichtungstotpunkt). Im Ergebnis kann die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung verringert werden und der Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel kann verringert werden.
  • Indem die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, kann ferner nicht nur die Abnahme der Temperatur im Zylinder unterbunden werden, sondern es kann auch verhindert werden, dass die Temperatur im Zylinder übermäßig hoch wird. Wenn die Temperatur im Zylinder übermäßig hoch wird, wenn die Haupteinspritzung durchgeführt wird, wird der Kraftstoff lokal entzündet bevor er geeignet mit Luft vermischt wird, und so kann Ruß entstehen. Mit anderen Worten kann die Entstehung von Ruß verringert werden, indem die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  • Das Verhindern, dass die Temperatur im Zylinder übermäßig hoch wird, während die Abnahme der Temperatur im Zylinder unterbunden wird, kann erzielt werden, indem die oxidative Reaktion des Kraftstoffs bewirkt wird, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren. Wenn der Kraftstoff eine Heißflammenreaktion bewirkt, wird eine große Menge an Wärme erzeugt und die Temperatur im Zylinder kann übermäßig hoch werden, wohingegen wenn der Kraftstoff die oxidative Reaktion bewirkt, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren, nur eine geringe Menge an Wärme erzeugt wird und der übermäßig Anstieg der Temperatur im Zylinder unterbunden werden kann. Dabei wird die oxidative Reaktion des Kraftstoffs ohne Resultieren in einer Heißflammenreaktion als „oxidative Teilreaktion” bezeichnet.
  • Um die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung zu verringern, kann man zudem in Betracht ziehen, eine EGR-Menge zu erhöhen. Wenn jedoch die EGR-Menge erhöht wird, wird eine Menge an Frischluft verringert. Im Ergebnis kann nicht ausreichend Drehmoment sichergestellt werden. Insbesondere kann die Druckanstiegsrate in dem Betriebsbereich hoher Motorlast ein Thema werden, abhängig von dem Wert der Rate, und ein großes Drehmoment ist in dem Betriebsbereich hoher Motorlast erforderlich. Daher kann bei der Konfiguration des Aufrechterhaltens der Temperatur im Zylinder durch die oben beschriebene Voreinspritzung ausreichend Drehmoment erzeugt werden, da die Menge an Frischluft sichergestellt ist.
  • Dabei ist ein oberer Grenzwert des vorbestimmten Temperaturbereichs niedriger als eine Temperatur, bei welcher der in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff sich entzündet, bevor er mit der Luft im Inneren des Zylinders vermischt wird. Beispielsweise ist der obere Grenzwert um näherungsweise 50 Grad höher als die Temperatur im Zylinder bei dem oberen Verdichtungstotpunkt. Ein unterer Grenzwert des vorbestimmten Temperaturbereichs ist höher als eine Temperatur, die durch Durchführen des verbrennungsfreien Betriebs erhalten wird, um die Temperatur im Zylinder bei dem oberen Verdichtungstotpunkt zu verringern. Da die Wärmemenge nicht durch die Verbrennung während des verbrennungsfreien Betriebs erzeugt wird, nimmt die Temperatur im Zylinder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt gemäß der Änderung eines Volumens im Zylinder ab. Beispielsweise ist der untere Grenzwert um näherungsweise 50 Grad niedriger als die Temperatur im Zylinder bei dem oberen Verdichtungstotpunkt. Mit anderen Worten wird durch die Voreinspritzung die Temperatur im Zylinder ab dem oberen Verdichtungstotpunkt bis zum Auftreten einer Hauptverbrennung so beibehalten, dass sie niedriger ist als die Temperatur, bei welcher der in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff sich entzündet, bevor er mit der Luft im Inneren des Zylinders vermischt wird, und höher ist als die Temperatur, die durch Durchführen des verbrennungsfreien Betriebs erhalten wird, um die Temperatur im Zylinder bei dem oberen Verdichtungstotpunkt zu verringern.
  • Der vorbestimmte Temperaturbereich kann näherungsweise 100 Grad breit sein.
  • Die Temperatur im Zylinder kann zwischen näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1100 K betragen, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  • Ein Druck im Zylinder kann so verringert werden, dass er niedriger ist als ein Druck im Zylinder bei dem oberen Verdichtungstotpunkt, während die Schwankung der Temperatur in dem Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  • Mit anderen Worten wird der Druck im Zylinder im Wesentlichen auf einen Wert erhöht, bei dem der durch die Voreinspritzung bereitgestellte Kraftstoff die oxidative Reaktion bewirkt, aber nicht auf einen Wert erhöht, bei dem eine Heißflammenreaktion bewirkt wird. Ähnlich den Temperaturen während des verbrennungsfreien Betriebs ist daher der Druck im Zylinder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt niedriger als der Druck im Zylinder an dem oberen Verdichtungstotpunkt. Mit anderen Worten, selbst wenn eine Wärmemenge im Wesentlichen die Abnahme der Temperatur im Zylinder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt durch die Voreinspritzung unterbindet, geht, da der Druck im Zylinder nicht stark erhöht wird, der Effekt des Verringers der Druckanstiegsrate bei der Verbrennung durch Verzögern der Selbstzündungsverbrennung nicht verloren.
  • Ferner kann bei der Voreinspritzung der Kraftstoff in einer Menge eingespritzt werden, mit der ein Luftüberschussverhältnis näherungsweise 8 oder höher wird.
  • Gemäß dieser Konfiguration bewirkt der durch die Voreinspritzung bereitgestellte Kraftstoff die oxidative Reaktion, ohne eine Heißflammenreaktion zu bewirken. Im Ergebnis erzeugt der durch die Voreinspritzung bereitgestellte Kraftstoff eine Wärmemenge, die im Wesentlichen die Abnahme der Temperatur im Zylinder unterbinden kann, ohne die Temperatur im Zylinder übermäßig stark zu erhöhen.
  • Bezüglich einer Gesamteinspritzmenge des Kraftstoffs, welche die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung einschließt, kann ein Verhältnis der Einspritzmenge des Kraftstoffs der Haupteinspritzung näherungsweise 3/4 oder höher sein.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann die in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge ausreichend sichergestellt werden. Somit kann ausreichend Drehmoment durch die Verbrennung des Kraftstoffs erzeugt werden, der durch die Haupteinspritzung bereitgestellt wird.
  • Die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung kann die durch die Haupteinspritzung bewirkte Verbrennung vorverlegen, wenn bzw. in dem Maße wie eine Motordrehzahl zunimmt.
  • Mit anderen Worten, wenn die Motordrehzahl niedriger wird, wird ein Zeitraum, in dem der Kraftstoff einer hohen Temperatur im Inneren des Zylinders ausgesetzt ist, länger, und es tritt leichter eine abnormale Verbrennung auf. Wenn die Motordrehzahl niedriger wird, wird daher die durch die Haupteinspritzung bewirkte Verbrennung verzögert, um das Auftreten einer abnormalen Verbrennung zu unterbinden. Wenn die Motordrehzahl jedoch höher wird, wird der Zeitraum, in dem der Kraftstoff der hohen Temperatur im Inneren des Zylinders ausgesetzt ist, kürzer, und das Auftreten einer abnormalen Verbrennung wird schwieriger. Obwohl die durch die Haupteinspritzung bewirkte Verbrennung im Wesentlichen verzögert wird, um die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung zu verringern, wird daher der Verbrennungszeitpunkt vorverlegt, wenn bzw. in dem Maße wie die Motordrehzahl höher wird, und zwar im Vergleich zu dem Fall, wenn die Motordrehzahl niedriger ist.
  • Der Motor kann zudem einen Ozongenerator enthalten, der Ozon innerhalb des Zylinders erzeugt. Die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung kann den Ozongenerator veranlassen, Ozon nach der Haupteinspritzung zu erzeugen.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann Ozon die Zündung der Verbrennung unterstützen, die durch die Haupteinspritzung bewirkt wird. Wenn beispielsweise der Verzögerungszeitraum lang ist, wird eine Zündung schwierig, da die Temperatur im Zylinder niedrig ist. In solch einem Fall kann die Zündung des Kraftstoffs durch Anwendung von Ozon erleichtert werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Benzindirekteinspritzungsmotors bereitgestellt, umfassend die Schritte:
    Durchführen einer Voreinspritzung zum Halten einer Schwankung einer Temperatur im Zylinder nach einem oberen Verdichtungstotpunkt innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs durch Einspritzen einer Menge des Kraftstoffs, die eine oxidative Reaktion bewirkt, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren, und
    Durchführen einer Haupteinspritzung zum Bewirken einer Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs nach dem oberen Verdichtungstotpunkt, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch Einspritzen des Kraftstoffs nach der Voreinspritzung.
  • Vorzugsweise ist der vorbestimmte Temperaturbereich näherungsweise 100 Grad breit und/oder die Temperatur im Zylinder beträgt zwischen näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1100 K, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, umfassend computerlesbare Instruktionen, die, wenn auf einem geeigneten System geladen und ausgeführt, die Schritte nach einem der oben genannten Verfahren durchführen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Benzindirekteinspritzungsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine interne Struktur eines Injektors zeigt.
  • 3 ist ein Kennfeld, das zur Bestimmung eines Modus einer Selbstzündungsverbrennung verwendet wird.
  • 4A ist eine Ansicht, die einen Einspritzmodus für eine verzögerte Selbstzündungsverbrennung zeigt, und 4B ist eine Ansicht, die eine Änderung einer Temperatur im Zylinder zeigt.
  • 5A ist eine Ansicht, die Änderungen von Mengen jeweiliger Zwischenprodukte, die durch Verbrennung erzeugt werden, bezüglich eines Kurbelwinkels zeigt, wenn ein Luftüberschussverhältnis λ 4 ist, 5B ist eine Ansicht, die Änderungen der Mengen der jeweiligen Zwischenprodukte, die durch die Verbrennung erzeugt werden, bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, wenn der Luftüberschussverhältnis λ 6 ist, und 5C ist eine Ansicht, die Änderungen der Mengen der jeweiligen Zwischenprodukte, die durch die Verbrennung erzeugt werden, bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, wenn der Luftüberschussverhältnis λ 8 ist.
  • 6 ist eine Ansicht, die eine Änderung der Temperatur im Zylinder zeigt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ bei einer Voreinspritzung verändert wird.
  • 7A ist eine Ansicht, die eine Änderung der Temperatur im Zylinder bezüglich eines Kurbelwinkels zeigt, 7B ist eine Ansicht, die eine Änderung des Drucks im Zylinder bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, und 7C ist eine Ansicht, die eine Druckanstiegsrate im Zylinder bezüglich des Kurbelwinkels zeigt.
  • 8A ist eine Ansicht, die eine Änderung einer Wärmeabgaberate zeigt, die eine der verschiedenen Parameter bei der verzögerten Selbstzündungsverbrennung ist, 8B ist eine Ansicht, die eine Änderung eines Drucks im Zylinder zeigt, der einer der verschiedenen Parameter bei der verzögerten Selbstzündungsverbrennung ist, und 8C ist eine Ansicht, die eine Änderung der Druckanstiegsrate zeigt, die eine der verschiedenen Parameter bei der verzögerten Selbstzündungsverbrennung ist.
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die einen Benzindirekteinspritzungsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 10 ist ein Kennfeld, das zur Bestimmung eines Modus einer Selbstzündungsverbrennung gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
  • 11A ist eine Ansicht, die einen Einspritzungsmodus für eine verzögerte Selbstzündungsverbrennung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, und 11B ist eine Ansicht, die eine Änderung einer Temperatur im Zylinder gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • <Erste Ausführungsform>
  • Im Folgenden wird eine illustrative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Benzindirekteinspritzungsmotor (im Folgenden als „Motor” bezeichnet) 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform enthält der Motor 1 verschiedene Aktuatoren und verschiedene Sensoren, die mit einem Motorkörper des Motors 1 verbunden sind, und eine Motorsteuerung bzw. -regelung 100 zum Steuern bzw. Regeln der Aktuatoren basierend auf Signalen von den Sensoren.
  • Der Motor 1 ist in einem Fahrzeug (Automobil) installiert, und eine Ausgangs- bzw. Abtriebswelle des Motors 1 ist, obwohl nicht dargestellt, mit Antriebsrädern über ein Getriebe gekoppelt. Eine Ausgabe des Motors 1 wird auf die Antriebsräder übertragen, um das Fahrzeug anzutreiben. Der Motorkörper des Motors 1 enthält einen Zylinderblock 12 und einen Zylinderkopf 13, der an bzw. auf dem Zylinderblock 12 platziert ist. Eine Mehrzahl von Zylindern 11 ist im Inneren des Zylinderblocks 12 gebildet (nur eine Zylinder ist in 1 gezeigt). Ein Wassermantel (nicht dargestellt), durch den Kühlwasser fließt, ist im Inneren des Zylinderblocks 12 und des Zylinderkopfs 13 gebildet.
  • Kolben 15 sind reziprok in die Zylinder 11 eingesetzt. Jeder Kolben 15 bildet einen Brennraum 17 zusammen mit dem Zylinder 11 und dem Zylinderkopf 13. Bei dieser Ausführungsform ist der Brennraum 17 ein sogenannter dachförmiger Brennraum, und eine Deckenfläche des Brennraums 17 (eine Bodenfläche des Zylinderkopfs 13) weist eine dreieckige dachartige Form auf, die durch einen einlassseitig geneigten Flächenabschnitt und einen auslassseitig geneigten Flächenabschnitt gebildet ist. Eine Kronenfläche des Kolbens 15 weist eine sich wölbende Form entsprechend der Deckenfläche auf, und ein konkaver Hohlraum 15a ist in einem Mittelabschnitt der Kronenfläche gebildet. Es ist anzumerken, dass jede der Formen der Deckenfläche und der Kronenfläche des Kolbens 15 jegliche Form sein kann, solange ein später beschriebenes hohes Verdichtungsverhältnis erzielt werden kann, und beispielsweise jede der Deckenfläche und der Kronenfläche des Kolbens 15 (ausgenommen der Abschnitt entsprechend dem Hohlraum 15a) durch eine Fläche senkrecht zu einer Mittelachse des Zylinders 11 gebildet sein kann, oder die Deckenfläche eine dreieckige dachartige Form aufweisen kann, wie es oben beschrieben ist, während die Kronenfläche des Kolbens 15 (ausgenommen der Abschnitt entsprechend dem Hohlraum 15a) durch die Fläche senkrecht zu der Mittelachse des Zylinders 11 gebildet ist.
  • Zwar ist nur eine in 1 gezeigt, aber es sind zwei Einlassöffnungen bzw. -ports 18 in dem Zylinderkopf 13 für jeden Zylinder 11 gebildet und sie kommunizieren mit dem Brennraum 17 durch Öffnen zu der Bodenfläche des Zylinderkopfs 13 (dem einlassseitigen geneigten Flächenabschnitt der Deckenfläche des Brennraums 17). Gleichermaßen sind zwei Auslassöffnungen bzw. -ports 19 in dem Zylinderkopf 13 für jeden Zylinder 11 gebildet und sie und sie kommunizieren mit dem Brennraum 17 durch Öffnen zu der Bodenfläche des Zylinderkopfs 13 (dem auslassseitigen geneigten Flächenabschnitt der Deckenfläche des Brennraums 17). Die Einlassöffnungen 18 sind mit einem Einlassdurchgang bzw. -trakt (nicht dargestellt) verbunden, durch den Frischluft strömt, die in den Zylinder 11 einzuleiten ist. Ein Drosselventil 20 zum Einstellen einer Einlassluftströmungsrate ist innerhalb des Einlassdurchgangs bereitgestellt und eine Öffnung des Drosselventils 20 wird basierend auf einem Steuerungs- bzw. Regelungssignal (Gewünschte-Drosselöffnung-Signal, später beschrieben) von der Motorsteuerung bzw. -regelung 100 eingestellt. Andererseits sind die Auslassöffnungen 19 mit einem Auslassdurchgang bzw. -trakt (nicht dargestellt) verbunden, durch den verbranntes Gas (Abgas) von dem Zylinder 11 strömt. Ein Abgasreinigungssystem (nicht dargestellt) mit einem oder mehreren Katalysatoren ist in dem Auslassdurchgang angeordnet. Jeder Katalysator enthält einen Drei-Wege-Katalysator.
  • Einlassventile 21 und Auslassventile 22 sind in dem Zylinderkopf 13 angeordnet, um die Einlassöffnungen 18 gegen den Brennraum 17 abzusperren (zu schließen) bzw. die Auslassöffnungen 19 gegen den Brennraum 17 abzusperren (zu schließen). Jedes Einlassventil 21 wird durch einen Einlassventilbetätigungsmechanismus betätigt, und jedes Auslassventil 22 wird durch einen Auslassventilbetätigungsmechanismus betätigt. Die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 bewegen sich zu vorbestimmten Zeitpunkten hin und her, um die Einlass- bzw. Auslassöffnungen 18 und 19 zu öffnen und zu schließen, und somit wird Gas innerhalb des Zylinders 11 ausgetauscht. Die Einlass- und Auslassventilbetätigungsmechanismen (nicht dargestellt) weisen jeweilige Einlass- und Auslassnockenwellen auf, die wirkungsmäßig mit einer Kurbelwelle gekoppelt sind, und die Einlass- und Auslassnockenwellen drehen sich synchron mit einer Drehung der Kurbelwelle. Zumindest der Einlassventilbetätigungsmechanismus enthält einen hydraulischen/mechanischen Variable-Phase-Mechanismus (variable Ventilsteuerung VVT; Engl. variable valve timing) 23 zum kontinuierlichen Variieren einer Phase der Einlassnockenwelle innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs. Es ist anzumerken, dass ein Variabler-Hub-Mechanismus (CVVL; Engl. continuous variable valve lift) zum kontinuierlichen Variieren eines Ventilhubs zusammen mit dem VVT 23 bereitgestellt werden kann.
  • Ein Injektor 33 zum direkten Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder (den Brennraum 17) ist in dem Zylinderkopf 13 im Wesentlichen an bzw. auf der Mittelachse des Zylinders 11 angeordnet. Der Injektor 33 ist fest an dem Zylinderkopf 13 durch eine gut bekannte Struktur, wie unter Verwendung eines Trägers bzw. einer Halterung angebracht. Eine Spitze des Injektors 33 ist zu einer Mittelposition des Deckenabschnitts des Brennraums 17 hin ausgerichtet.
  • Wie in 2 gezeigt ist der Injektor 33 ein sich nach außen öffnender Ventilinjektor mit einem nach außen öffnenden Ventil 42 zum Öffnen und Schließen einer Düsenöffnung 41, aus welcher der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. In einem Spitzenabschnitt eines Kraftstoffschlauchs bzw. -rohrs 43, der bzw. das sich im Wesentlichen entlang der Mittelachse des Zylinders 11 erstreckt, ist die Düsenöffnung 41 mit einer sich verjüngenden Form gebildet, bei welcher der Durchmesser zu der Spitze hin größer wird. Ein Basisendabschnitt des Kraftstoffrohrs 43 ist mit einem Gehäuse 45 verbunden, das darin mit einem Piezoelement 44 bereitgestellt ist. Das sich nach außen öffnende Ventil 42 weist einen Ventilkörper 42a und einen Kopplungsteil 42b auf, der sich durch das Kraftstoffrohr 43 von dem Ventilkörper 42a erstreckt und mit dem Piezoelement 44 verbunden ist. Ein Abschnitt des Ventilkörpers 42a auf der Seite des Kopplungsteils 42b weist im Wesentlichen die gleiche Form auf wie die Düsenöffnung 41, und wenn dieser Abschnitt die Düsenöffnung 41 kontaktiert (an bzw. auf dieser sitzt), ist die Düsenöffnung 41 in einem geschlossenen Zustand. Dabei ist ein spitzenseitiger Abschnitt des Ventilkörpers 42a in einem Zustand, wo er aus dem Kraftstoffrohr 43 herausragt.
  • Das Piezoelement 44 wird durch Anlegen einer Spannung verformt, um das sich nach außen öffnende Ventil 42 zu dem Brennraum 17 hin in der Mittelachsenrichtung des Zylinders 11 zu pressen. Somit wird das sich nach außen öffnende Ventil 42 in dem geschlossenen Zustand der Düsenöffnung 41 angehoben, um die Düsenöffnung 41 zu öffnen. Dabei wird Kraftstoff aus der Düsenöffnung 41 in den Zylinder eingespritzt, und zwar in einer Kegelform (insbesondere Hohlkegelform), die sich an der Mittelachse des Zylinders 11 zentriert. Ein Verjüngungswinkel des Kegels liegt zwischen näherungsweise 90° und näherungsweise 100° (ein Verjüngungswinkel eines inneren hohlen Bereichs beträgt ca. 70°) bei dieser Ausführungsform. Wenn das Anlegen der Spannung an das Piezoelement 44 gestoppt wird, kehrt das Piezoelement 44 zu dem vorherigen Zustand zurück und somit bewirkt das sich nach außen öffnende Ventil 42, dass die Düsenöffnung 41 wieder in dem geschlossenen Zustand ist. Dabei ist eine Druckschraubenfeder 46, innerhalb des Gehäuses 45, um den Kopplungsteil 42b herum angeordnet, der das Zurückkehren des Piezoelements 44 unterstützt.
  • Wenn die an das Piezoelement 44 angelegte Spannung größer wird, wird ein Hub des sich nach außen öffnende Ventils 42 aus dem Zustand, in dem die Düsenöffnung 41 geschlossen ist (im Folgenden einfach als Hub bezeichnet) größer. Wenn der Hub größer wird, wird das Öffnen der Düsenöffnung 41 stärker und das Eindringen des Kraftstoffnebels in den Zylinder aus der Düsenöffnung 41 wird stärker (länger), die Menge eingespritzten Kraftstoffs pro Zeiteinheit nimmt zu und der Partikeldurchmesser des Kraftstoffnebels wird größer. Das Ansprechen des Piezoelements 44 ist prompt, und daher kann eine später beschriebene Einspritzung leicht erzielt werden. Es ist anzumerken, dass der Betrieb des sich nach außen öffnende Ventils 42 nicht auf die Durchführung durch das Piezoelement 44 beschränkt ist.
  • Ein Kraftstoffzufuhrsystem 34 enthält einen elektrische Schaltung zum Betätigen des sich nach außen öffnende Ventils 42 (Piezoelement 44) und ein Kraftstoffzufuhruntersystem zum Zuführen des Kraftstoffs zu dem Injektor 33. Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 gibt an die elektrische Schaltung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt ein Einspritzsignal (Kraftstoffeinspritzpuls) mit einer Spannung entsprechend dem Hub aus, um das Piezoelement 44 und das sich nach außen öffnende Ventil 42 über die elektrische Schaltung zu betätigen. Somit wird eine gewünschte Kraftstoffmenge in den Zylinder eingespritzt. Wenn das Einspritzsignal nicht ausgegeben wird (wenn die Spannung des Einspritzsignals Null ist), ist die Düsenöffnung 41 in dem Zustand, wo sie durch das sich nach außen öffnende Ventil 42 geschlossen ist. Der Betrieb des Piezoelements 44 wird wie oben beschrieben durch das Einspritzsignal von der Motorsteuerung bzw. -regelung 100 gesteuert bzw. geregelt. Somit steuert bzw. regelt die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 den Betrieb des Piezoelements 44, um die Kraftstoffeinspritzung aus der Düsenöffnung 41 des Injektors 33 und den Hub bei der Kraftstoffeinspritzung zu steuern bzw. zu regeln.
  • In dem Kraftstoffzufuhruntersystem sind eine Hochdruckkraftstoffpumpe und ein Common Rail (beide nicht dargestellt) bereitgestellt, und die Hochdruckkraftstoffpumpe pumpt den aus einem Kraftstofftank zugeführten Kraftstoff über eine Niederdruckkraftstoffpumpe zu dem Common Rail, und das Common Rail speichert den gepumpten Kraftstoff mit einem vorbestimmten Kraftstoffdruck. Wenn der Injektor 33 aktiviert wird (das sich nach außen öffnende Ventil 42 angehoben wird), wird der in dem Common Rail gespeicherte Kraftstoff aus der Düsenöffnung 41 eingespritzt.
  • Obwohl der Kraftstoff des Motors 1 bei dieser Ausführungsform Benzin ist, kann er Bioethanol enthaltendes Benzin sein, und der Kraftstoff kann jeglicher Kraftstoff (flüssiger Kraftstoff) sein, so lange er zumindest Benzin enthält.
  • Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 ist eine Steuerung bzw. Regelung, die auf einem gut bekannten Mikrocomputer basiert, und enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU; Engl.: Central Processing Unit) zum Ausführen eines Programms, einen Speicher, der beispielsweise aus einem RAM und einem ROM zum Speichern des Programms und von Daten besteht, und einen Eingabe/Ausgabe(I/O)-Bus zum Eingeben und Ausgeben von elektrischen Signalen. Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 ist ein Beispiel der Steuerung bzw. Regelung in den Ansprüchen.
  • Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 empfängt zumindest ein Signal bezüglich der Einlassluftstromrate von einem Luftstromsensor 71, ein Kurbelwinkelpulssignal von einem Kurbelwinkelsensor 72, ein Gaspedal- bzw. Beschleunigeröffnungssignal von einem Gaspedal- bzw. Beschleunigeröffnungssensor 73 zum Detektieren eines abgestuften Betrags einer Gaspedal- bzw. Beschleunigeröffnung, und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 74. Basierend auf diesen Eingangssignalen erhält die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 Steuerungs- bzw. Regelungsparameter des Motors 1, wie das gewünschte Drosselöffnungssignal, den Kraftstoffeinspritzpuls, ein Zündsignal und ein Ventilphasenwinkelsignal. Ferner gibt die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 die Signale an das Drosselventil 20 (ein Drosselaktuator zum Betätigen des Drosselventils 20), das Kraftstoffzufuhrsystem 34 (oben beschriebene elektrische Schaltung), den VVT 23, etc. ausgibt.
  • Ein geometrisches Verdichtungsverhältnis ε des Motors 1 liegt zwischen näherungsweise 15:1 und näherungsweise 40:1. Das geometrische Verdichtungsverhältnis ε liegt besonders bevorzugt zwischen näherungsweise 25:1 und näherungsweise 35:1. Bei dem Motor 1 dieser Ausführungsform ist „Verdichtungsverhältnis = Expansionsverhältnis”. Daher weist der Motor 1 ein vergleichsweise hohes Expansionsverhältnis sowie ein hohes Verdichtungsverhältnis auf. Es ist anzumerken, dass eine Konfiguration, bei der „Verdichtungsverhältnis = Expansionsverhältnis” ist (z. B. Atkinson-Zyklus oder Miller-Zyklus), eingesetzt werden kann. In dem Fall, dass ein Schließzeitpunkt des Einlassventils verzögert wird, ist ein effektives Verdichtungsverhältnis des Motors 1 auf näherungsweise 12:1 oder höher festgelegt. Vorzugsweise ist das effektive Verdichtungsverhältnis des Motors 1 auf näherungsweise 18:1 oder höher festgelegt.
  • Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Brennraum 17 durch die Wandfläche des Zylinders 11, die Kronenfläche des Kolbens 15, die Bodenfläche des Zylinderkopfs 13 (Deckenfläche) und Flächen von Ventilköpfen der Einlass- und Auslassventile 21 und 22 gebildet. Im Folgenden kann jede der Flächen, die den Brennraum 17 bilden, als die „Teilfläche” bezeichnet werden. Um einen Kühlverlust zu verringern, sind ferner Wärmedämmschichten 61, 62, 63, 64 und 65 an den jeweiligen Teilflächen bereitgestellt, um den Brennraum 17 wärmezudämmen. Es ist anzumerken, dass im Folgenden die Wärmedämmschichten 61 bis 65 kollektiv als die Wärmedämmschicht 6 bezeichnet werden können. Die Wärmedämmschicht 6 kann an allen der Teilflächen bereitgestellt sein und kann auch nur an einem Teil jeder Teilfläche oder einer oder mehreren Teilflächen bereitgestellt sein. Zudem ist in 1 die Wärmedämmschicht 61 der Zylinderwandfläche an einer Position höher als ein Kolbenring 14 in einem Zustand bereitgestellt, in dem der Kolben 15 an einem oberen Totpunkt ist (TDC; Engl.: top dead center), so dass der Kolbenring 14 nicht an der Wärmedämmschicht 61 gleitet. Es ist anzumerken, dass die Wärmedämmschicht 61 der Zylinderwandfläche nicht auf diese Konfiguration beschränkt ist und dass durch Erstrecken der Wärmedämmschicht 61 nach unten diese über den gesamten Hub des Kolbens 15 oder einen Teil des Hubs bereitgestellt werden kann. Obwohl sie keine Wandfläche ist, die direkt den Brennraum 17 bildet, kann eine Wärmedämmschicht an einem Teil jeder der Wandflächen der Einlassöffnungen 18 und/oder der Auslassöffnungen 19 nahe der Öffnungen der entsprechenden Öffnungen bzw. Ports auf der Seite der Deckenfläche des Brennraums 17 bereitgestellt sein. Es ist anzumerken, dass die Dicke der jeweiligen Wärmedämmschichten 61 bis 65 in 1 jeweils illustrativ ist und nicht die tatsächliche Dicke angibt, und sie gibt auch nicht die Abmessungs- bzw. Größenbeziehungen zwischen den Wärmedämmschichten der jeweiligen Flächen hinsichtlich der Dicke an.
  • Die Wärmedämmstruktur des Brennraums 17 wird detaillierter beschrieben. Wie oben beschrieben wird die Wärmedämmstruktur des Brennraums 17 durch die Wärmedämmschichten 61 bis 65 gebildet, die an den jeweiligen Teilflächen bereitgestellt sind, die den Brennraum 17 bilden. Eine Wärmeleitfähigkeit jeder der Wärmedämmschichten 61 bis 65 ist niedriger festgelegt als ein Metallmutterglied, das den Brennraum 17 bildet bzw. darstellt, um zu unterbinden, dass die Wärme von Verbrennungsgas innerhalb des Brennraums 17, durch die jeweiligen Teilflächen abgelassen wird. Dabei ist der Zylinderblock 12 das Mutterglied für die Wärmedämmschicht 61, die an der Wandfläche des Zylinders 11 bereitgestellt ist, der Kolben 15 ist das Mutterglied für die Wärmedämmschicht 62, die an der Kronenfläche des Kolbens 15 bereitgestellt ist, der Zylinderkopf 13 ist das Mutterglied für die Wärmedämmschicht 63, die an der Bodenfläche des Zylinderkopfs 13 bereitgestellt ist (Deckenfläche), und die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 sind die Mutterglieder für die jeweiligen Wärmedämmschichten 64 und 65, die an den Ventilkopfflächen der Einlass- und Auslassventilen 21 und 22 bereitgestellt sind. Daher wird als Material für das Mutterglied eines von Aluminiumlegierung und Gusseisen für den Zylinderblock 12, den Zylinderkopf 13 und den Kolben 15 verwendet, und eines von wärmebeständigem Stahl, Gusseisen und dergleichen wird für die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 verwendet.
  • Zudem weist die Wärmedämmschicht 6 vorzugsweise eine volumetrische spezifische Wärme bzw. Wärmekapazität geringer als das Mutterglied auf, und zwar im Hinblick auf eine Verringerung des Kühlverlustes. Obwohl eine Gastemperatur innerhalb des Brennraums 17 abhängig von dem Fortschreiten des Verbrennungszyklus variiert, strömt bei einem herkömmlichen Motor ohne Wärmedämmstruktur des Brennraums 17 das Kühlwasser im Inneren des Wassermantels, der in dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock gebildet ist, und somit wird die Temperatur jeder Fläche, die den Brennraum 17 bildet, im Wesentlichen fix gehalten, ungeachtet des Fortschreitens des Verbrennungszyklus.
  • Andererseits, da der Kühlverlust basierend auf „Kühlverlust = Wärmeübertragungsfähigkeit × Wärmeübertragungsbereich × (Gastemperatur – Teilflächentemperatur) bestimmt wird, wird der Kühlverlust größer, wenn bzw. in dem Maße wie eine Differenz zwischen der Gastemperatur und der Wandflächentemperatur größer wird. Um den Kühlverlust zu unterbinden, obwohl es bevorzugt ist, die Differenz zwischen der Gastemperatur und der Wandflächentemperatur zu verringern, wenn die Temperatur der Teilfläche des Brennraums 17 durch das Kühlwasser im Wesentlichen fix gehalten wird, ist es unvermeidbar, dass die Temperaturdifferenz auf Grund der Schwankung der Gastemperatur ansteigt. Daher ist es bevorzugt, eine Wärmkapazität der Wärmedämmschicht 6 zu verringern, so dass sich die Temperatur jeder Teilfläche des Brennraums 17 auf eine Schwankung der Gastemperatur innerhalb des Brennraums 17 hin ändert.
  • Die Wärmedämmschicht 6 kann durch thermisches Plasmaspritzen eines keramischen Werkstoffs (z. B. ZrO2) zum Beschichten des Mutterglieds gebildet sein. Der keramische Werkstoff kann mehrere Mikroporen enthalten. Auf diese Weise können die Wärmeleitfähigkeit und die volumenspezifische Wärme der Wärmedämmschicht 6 noch niedriger sein.
  • Zudem sind bei dieser Ausführungsform, wie es in 1 gezeigt ist, Port- bzw. Öffnungsauskleidungen 181 aus Aluminium-Titansäure, die eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit, exzellente Wärmedämmeigenschaft und Wärmebeständigkeitseigenschaft aufweisen, integral bzw. einstückig mit dem Zylinderkopf 13 gegossen, um die Wärmedämmschichten an den jeweiligen Einlassöffnungen 18 bereitzustellen. Mit dieser Konfiguration kann ein Temperaturanstieg des Zylinderkopfs 13 durch Aufnahme von Wärme, wenn die Frischluft durch die Einlassöffnungen 18 tritt, unterbunden oder verhindert werden. Somit wird die Temperatur der Frischluft, die in den Zylinder 11 eingebracht wird (Gastemperatur in einem frühen Stadium) niedrig, und daher sinkt die Gastemperatur bei der Verbrennung, was vorteilhaft für das Verringern der Differenz zwischen der Gastemperatur und der Temperatur der Teilfläche des Brennraums 17 ist. Da die Verringerung der Gastemperatur bei der Verbrennung die Wärmeübertragungsfähigkeit verringern kann, ist die Konfiguration auch für eine Verringerung des Kühlverlustes vorteilhaft. Es ist anzumerken, dass die Konfiguration der Wärmedämmschicht, die an den Einlassöffnungen 18 bereitgestellt ist, nicht auf das integrale bzw. einstückige Gießen der Öffnungsauskleidungen 181 beschränkt ist.
  • Bei dieser Ausführungsform ist eine Wärmedämmschicht in dem Zylinder (Brennraum 17) durch eine Gasschicht zusätzlich zu der Wärmedämmstruktur des Brennraums 17 und der Einlassöffnungen 18 gebildet, um einen Kühlverlust erheblich zu verringern.
  • Genauer gesagt gibt die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 das Einspritzsignal an die elektrische Schaltung des Kraftstoffzufuhrsystems 34 aus, um den Kraftstoff in den Zylinder aus der Düsenöffnung 41 des Injektors 33 bei dem Verdichtungshub einzuspritzen. Somit wird die Gasschicht, welche die Frischluft enthält, in einem Außenumfangsbereich innerhalb des Zylinders (Brennraum 17) des Motors 1 gebildet und eine Mischgas- bzw. Gasgemischschicht wird in einem Mittelbereich innerhalb des Zylinders (Brennraum 17) gebildet. Durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder durch den Injektor 33 bei dem Verdichtungshub und Unterbinden bzw. bzw. Verringern der Stärke (Länge) des Eindringen des Kraftstoffnebels in dem Maße, dass der Kraftstoffnebel den Außenumfangsbereich innerhalb des Zylinders nicht erreicht, kann mit anderen Worten eine Schichtung bzw. Schichtladung erzielt werden, d. h. die Mischgasschicht wird in dem Mittelbereich innerhalb des Zylinders gebildet und die Gasschicht, die Frischluft enthält, wird um die Mischgasschicht herum gebildet. Die Gasschicht kann die Frischluft alleine enthalten oder das verbrannte Gas (EGR-Gas) zusätzlich zu der Frischluft enthalten. Es ist anzumerken, dass eine geringe Menge an Kraftstoff in die Gasschicht gemischt werden kann, so lange der Kraftstoff magerer ist als die Mischgasschicht, so dass die Gasschicht als die Wärmedämmschicht fungieren kann.
  • Wenn sich der Kraftstoff in dem Zustand selbst entzündet, in dem die Gasschicht und die Mischgasschicht wie oben beschrieben gebildet sind, dann wird verhindert, dass eine Flamme, die in der Mischgasschicht erzeugt wird, die Wandfläche des Zylinders 11 kontaktiert, und zwar durch die Gasschicht zwischen der Mischgasschicht und der Wandfläche des Zylinders 11, und die Gasschicht dient als die Wärmedämmschicht und eine Wärmeabgabe von bzw. aus der Wandfläche des Zylinders 11 kann unterbunden werden. Im Ergebnis kann ein Kühlverlust erheblich verringert werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Verringerung des Kühlverlusts im Allgemeinen nicht stark zu einer Verbesserung der angegebenen Wärmeeffizienz selbst beiträgt, da der verringerte Betrag des Kühlverlusts in einen Abgasverlust umgewandelt wird; bei dem Motor 1 dieser Ausführungsform wird jedoch durch das hohe Expansionsverhältnis auf Grund des hohen Verdichtungsverhältnis die Energie des Verbrennungsgases entsprechend dem verringerten Betrag des Kühlverlusts effizient in mechanische Arbeit geändert. Mit anderen Worten kann man sagen, dass der Motor 1 die angegebene Wärmeeffizienz durch Verwenden der Konfiguration verbessert, mit der sowohl der Kühl- als auch der Abgasverlust verringert werden können.
  • Der Motor 1 bewirkt in seinem gesamten Betriebsbereich eine Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs, der von dem Injektor 33 in den Zylinder eingespritzt wird. Genauer gesagt, wie es in 3 dargestellt ist, weist der Motor 1 einen normalen Betriebsbereich A, der einem Betriebsbereich entspricht, in dem eine Motorlast niedrig und mittel ist, und einen Verzögerungsbetriebsbereich B auf, der einem Betriebsbereich entspricht, in dem die Motorlast höher ist als in dem normalen Betriebsbereich A. Eine normale Selbstzündungsverbrennung wird in dem normalen Betriebsbereich A durchgeführt und eine verzögerte Selbstzündungsverbrennung wird in dem Verzögerungsbetriebsbereich B durchgeführt.
  • Innerhalb des normalen Betriebsbereichs A verbrennt der Kraftstoff durch Selbstzündung, nahes eines oberen Verdichtungstotpunkts (CTDC). Beispielsweise wird ein Kraftstoffeinspritzungsstartzeitpunkt durch den Injektor 33 auf während des Verdichtungshubs festgelegt. Innerhalb des normalen Betriebsbereichs A stellt die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 eine Kraftstoffmenge, einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, einen Kraftstoffeinspritzmodus basierend auf einer Motordrehzahl, die Motorlast und das effektive Verdichtungsverhältnis ein. Innerhalb des normalen Betriebsbereichs A beginnt eine Hauptverbrennung nach dem CTDC, aber eine Kraftstoffeinspritzung zum Aufrechterhalten der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC, wie sie innerhalb des später beschriebenen Verzögerungsbetriebsbereichs B durchgeführt wird, wird nicht durchgeführt.
  • Es ist anzumerken, dass innerhalb des normalen Betriebsbereichs A das Gesamtluftüberschussverhältnis λ innerhalb des Zylinders (Brennraum 17) auf näherungsweise 2 festgelegt werden kann oder ein Gewichtsverhältnis des Gases bezüglich des Kraftstoffs innerhalb des Zylinders (G/F) auf näherungsweise 30:1 oder höher festgelegt werden kann. Somit kann die Rohemission von NOx verringert werden, während die angegebene Wärmeeffizienz verbessert werden, um die Wärmedämmung durch die Wärmedämmschicht zu erzielen. Im Hinblick auf die Verringerung der Rohemission von NOx ist das Luftüberschussverhältnis λ = 2,5 bevorzugter. Zudem erreicht die angegebene Wärmeeffizienz ihren Höhepunkt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ = 8 ist. Daher liegt das Luftüberschussverhältnis λ bevorzugt in einem Bereich von 2 = λ = 8 (bevorzugter 2,5 = λ = 8). Es ist anzumerken, dass, da das Herstellen eines magereren Mischgases das Festlegen einer größeren Öffnung des Drosselventils 20 beinhaltet, dies zur Verbesserung der angegebenen Wärmeeffizienz beiträgt, indem ein Gasaustauschverlust (Pumpverlust) verringert wird.
  • Innerhalb des Verzögerungsbetriebsbereichs B erfolgt die Durchführung einer Voreinspritzung zum Erzeugen einer Wärmemenge, die zu verwenden ist, um die Temperatur im Zylinder auf der Temperatur im Wesentlichen an dem CTDC zu halten, und zwar für einen Zeitraum von dem CTDC bis zur Selbstzündung des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs, und zudem wird die Haupteinspritzung durchgeführt, um die Selbstzündungsverbrennung bei dem Expansionshub zu bewirken. Im Folgenden wird die Selbstzündungsverbrennung, bei welcher der Zündzeitpunkt verzögert ist, während die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC durch die Voreinspritzung gehalten wird, als die „verzögerte Selbstzündungsverbrennung” bezeichnet.
  • Bei der Voreinspritzung wird der Kraftstoff durch bzw. in einer Menge entsprechend einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingespritzt, das eine teiloxidative Reaktion des eingespritzten Kraftstoffs bewirkt, und die Voreinspritzung ist zum Beibehalten der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC auf einer Temperatur, wo der in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff sich für einen vorbestimmten Zeitraum selbst entzünden kann. Obwohl die oxidative Reaktion des Kraftstoffs auftritt, resultiert dies bei der Voreinspritzung nicht in einer Heißflammenreaktion. Daher wird nur die Wärmemenge erzeugt, mit der das Sinken der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC unterbunden werden kann. Mit anderen Worten ist die Voreinspritzung zum Beibehalten der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC, während sie verhindert, dass die Temperatur im Zylinder übermäßig stark ansteigt. Durch die Voreinspritzung dehnt sich das Mischgas nach dem CTDC in einem Zustand aus, in dem die Temperaturänderung innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs unterbunden wird; mit anderen Worten dehnt sich das Mischgas nach dem CTDC im Wesentlichen isotherm aus. Dabei wird die im Wesentlichen isotherme Ausdehnung einfach als „isotherme Ausdehnung” bezeichnet.
  • Ein oberer Grenzwert des vorbestimmten Temperaturbereichs ist niedriger als eine Temperatur, bei welcher der in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff sich entzündet, bevor er mit der Luft im Inneren des Zylinders vermischt wird. Ein unterer Grenzwert des vorbestimmten Temperaturbereichs entspricht einer Temperatur, die höher ist als eine Temperatur, die durch Durchführen des verbrennungsfreien Betriebs erhalten wird, um die Temperatur im Zylinder an dem CTDC zu verringern. Mit anderen Worten wird durch die Voreinspritzung die Temperatur im Zylinder ab dem CTDC bis zum Auftreten der Hauptverbrennung so beibehalten, dass sie niedriger ist als die Temperatur, bei welcher der in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff sich entzündet, bevor er mit der Luft im Inneren des Zylinders vermischt wird, und höher ist als die Temperatur, die durch Durchführen des verbrennungsfreien Betriebs erhalten wird, um die Temperatur im Zylinder an dem CTDC zu verringern. Beispielsweise beträgt „die Breite des vorbestimmten Temperaturbereichs” näherungsweise 100 Grad. Genauer gesagt wird die Temperatur im Zylinder ab dem CTDC bis zum Auftreten der Hauptverbrennung zwischen näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1100 K gehalten.
  • Die Haupteinspritzung ist eine Einspritzung zum Erzeugen der Hauptverbrennung, die ein Motordrehmoment erzeugt (die Verbrennung, die eine größte Wärmemenge in einem einzigen bzw. einzelnen Zyklus erzeugt). Bei der Haupteinspritzung wird der Kraftstoff zu einem Zeitpunkt eingespritzt, bei dem sich der Kraftstoff entzündet, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder bei dem Expansionshub innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs bleibt. Ferner ist der Haupteinspritzzeitpunkt so festgelegt, dass ein Verbrennungszeitraum der Hauptverbrennung mit einem Zeitpunkt überlappt, bei dem eine Druckanstiegsrate innerhalb des Zylinders während des verbrennungsfreien Betriebs der größte negative Wert (niedrigste Rate) wird. Dabei entspricht die Zündung einem Zeitpunkt, zu dem ein Verbrennungsmassenverhältnis des Kraftstoffs näherungsweise 10% oder höher wird. Beispielsweise wird die Haupteinspritzung nach dem CTDC während des Expansionshubs durchgeführt (genauer gesagt einem frühen Stadium des Expansionshubs, wenn der Expansionshub in frühes, mittleres und finales Stadium eingeteilt ist). Da die Haupteinspritzung die Hauptverbrennung bewirkt, die das Motordrehmoment erzeugt, muss der Kraftstoff in der Menge entsprechend einem gewünschten Motordrehmoment eingespritzt werden. Beispielsweise ist es bei der Haupteinspritzung bevorzugt, näherungsweise drei Viertel (3/4) oder mehr einer Gesamteinspritzmenge des Kraftstoffs einzuspritzen. Die Gesamteinspritzmenge enthält die Einspritzmenge der Voreinspritzung und die Einspritzmenge der Haupteinspritzung.
  • Beim Verzögern der Hauptverbrennung gibt es eine Begrenzung des Zeitraums, der verzögert werden kann. Insbesondere nimmt mit Fortschreiten des Einlasshubs die Temperatur im Zylinder auf Grund des Volumenanstiegs im Zylinder ab und daher kann, falls die Hauptverbrennung übermäßig verzögert wird, eine Fehlzündung auftreten. Die Sinkgeschwindigkeit der Temperatur im Zylinder bei dem Einlasshub ist schneller, wenn bzw. in dem Maße wie das Verdichtungsverhältnis höher ist. Daher wird der verzögerbare Zeitraum kürzer, wenn bzw. in dem Maße wie das Verdichtungsverhältnis höher ist. Durch Verwenden der Voreinspritzung, um die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC beizubehalten, kann jedoch der Zeitraum, für den die Hauptverbrennung verzögert werden kann, erweitert werden.
  • Beim Erhöhen der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC entzündet sich, wenn die Temperatur im Zylinder übermäßig stark erhöht wird, der in der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff lokal, bevor er ausreichend mit der Luft im Inneren des Zylinders vermischt wird, und Ruß kann entstehen. Durch die Voreinspritzung jedoch wird die Schwankung der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs unterbunden und somit wird der übermäßig Anstieg der Temperatur im Zylinder unterbunden. Im Ergebnis kann die Erzeugung von Ruß durch die lokale Zündung des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs unterbunden werden.
  • Es ist anzumerken, dass innerhalb des Verzögerungsbetriebsbereichs B, da das Motordrehmoment priorisiert wird, das Gesamtluftüberschussverhältnis λ innerhalb des Zylinders auf näherungsweise 1 festgelegt sein kann.
  • Zudem wird die durch die Haupteinspritzung (d. h. die Hauptverbrennung) bewirkte Verbrennung vorgerückt, wenn bzw. in dem Maße wie die Motordrehzahl höher wird. Mit anderen Worten, wenn die Motordrehzahl niedriger wird, wird ein Zeitraum, in dem der Kraftstoff einer hohen Temperatur im Inneren des Zylinders ausgesetzt ist, länger, und eine abnormale Verbrennung tritt leichter auf. Wenn die Motordrehzahl niedriger wird, wird daher die Hauptverbrennung verzögert, um das Auftreten einer abnormalen Verbrennung zu unterbinden. Wenn andererseits die Motordrehzahl höher wird, wird der Zeitraum, in dem der Kraftstoff einer hohen Temperatur im Inneren des Zylinders ausgesetzt ist, kürzer, und eine abnormale Verbrennung tritt nicht so leicht auf. Obwohl die Hauptverbrennung im Grund verzögert wird, um die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung zu verringern, wird der Verbrennungszeitraum vorgerückt, wenn bzw. in dem Maße wie die Motordrehzahl höher wird, und zwar verglichen mit wenn die Motordrehzahl niedriger ist.
  • Als nächstes wird ein Beispiel des Einspritzungsmodus beschrieben. In dem Beispiel von 4A ist die Voreinspritzung in eine erste Voreinspritzung und eine zweite Voreinspritzung unterteilt, die der ersten Voreinspritzung folgt. Die erste Voreinspritzung ist zum Einstellen der Temperatur im Zylinder bei bzw. auf dem CTDC. Mit anderen Worten wird die Temperatur im Zylinder an dem CTDC höher, wenn die Einspritzmenge der ersten Voreinspritzung größer ist. Die zweite Voreinspritzung ist zum Einstellen der Länge des Temperaturaufrechterhaltungszeitraums nach dem CTDC (der Zeitraum, in dem die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird). Mit anderen Worten wird der Zeitraum, in dem die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC im Wesentlichen auf bzw. bei der Temperatur im Zylinder an dem CTDC gehalten wird, länger, wenn die Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung größer ist (siehe die Einpunkt-Kettenlinie in 4B). Die erste Voreinspritzung wird in einem finalen Stadium des Verdichtungshubs durchgeführt. Die zweite Voreinspritzung wird nahe dem CTDC (direkt nach dem CTDC) durchgeführt.
  • Die Einspritzmenge der ersten Voreinspritzung beträgt näherungsweise 5% der Gesamteinspritzmenge, und die Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung beträgt näherungsweise 15% der Gesamteinspritzmenge. Die Einspritzmenge der Haupteinspritzung beträgt näherungsweise 80% der Gesamteinspritzmenge.
  • Die Gesamteinspritzmenge der ersten und zweiten Voreinspritzung und der Haupteinspritzung ist so festgelegt, dass das Gesamtluftüberschussverhältnis innerhalb des Zylinders näherungsweise 1 wird (das Luftüberschussverhältnis λ < 1 in der Mischgasschicht). Somit kann das Drehmoment sichergestellt werden und das Abgas kann effizient durch den Drei-Wege-Katalysator des Abgasreinigungssystems gereinigt werden.
  • In solch einem Einspritzungsmodus wird der Temperaturaufrechterhaltungszeitraum hauptsächlich durch die Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung eingestellt und der Verzögerungsbetrag der Hauptverbrennung wird hauptsächlich durch den Haupteinspritzungszeitpunkt eingestellt. Um den Verzögerungsbetrag der Hauptverbrennung zu erhöhen, wird beispielsweise die Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung erhöht, um den Temperaturaufrechterhaltungszeitraum erweitern, und der Haupteinspritzungszeitpunkt wird, verzögert, um die Zündzeitpunkt der Hauptverbrennung hinauszuschieben. Dabei wird die Temperatur im Zylinder in dem Temperaturaufrechterhaltungszeitraum hauptsächlich durch die Einspritzmenge der ersten Voreinspritzung eingestellt.
  • Es ist anzumerken, dass in dem Fall, wo die Voreinspritzung nicht unterteilt ist, die Temperatur im Zylinder an dem CTDC und die Länge des Temperaturaufrechterhaltungszeitraums durch die Einspritzmenge der einzigen Voreinspritzung eingestellt werden.
  • Als nächstes wird die isotherme Expansion, die durch die Voreinspritzung bewirkt wird, detailliert beschrieben. 5A ist eine Ansicht, die Änderungen von Beträgen von Zwischenprodukten, die durch die Verbrennung erzeugt werden, bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 4 ist, 5B ist eine Ansicht, welche die Änderungen der Beträge der Zwischenprodukte, die durch die Verbrennung erzeugt werden, bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 6 ist, und 5C ist eine Ansicht, welche die Änderungen der Beträge der Zwischenprodukte, die durch die Verbrennung erzeugt werden, bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 8 ist. 6 ist eine Ansicht, die eine Änderung der Temperatur im Zylinder zeigt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ in der Voreinspritzung verändert wird.
  • Die durch die Voreinspritzung bewirkte isotherme Expansion wird durch Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (Luftüberschussverhältnis) in der Voreinspritzung erzielt. Da das Mischgas so hergestellt wird, dass es magerer ist, wird der Wärmeerzeugungsbetrag verringert und die isotherme Expansion kann erzielt werden.
  • Wie es in 5A gezeigt ist werden, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 4 ist, wenn sich die Kurbelwelle dreht, CO, H2O2 und HCHO verringert, während OH erhöht wird. Dabei gibt die Verringerung von CO eine Umwandlung von CO in CO2 an. Da die Umwandlung von CO in CO2 mit einem großen Wärmeerzeugungsbetrag einhergeht, wird die Temperatur im Zylinder erheblich erhöht. Wie es in 6 gezeigt ist wird, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 4 ist, die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC stark erhöht.
  • Wie es in 5B gezeigt ist, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 6 ist, ist die Verringerungsmenge von CO bezüglich des Kurbelwinkels gering. Mit anderen Worten, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festgelegt ist, dass es magerer ist, wird die Umwandlung von CO in CO2 schwieriger. Wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 6 ist, ist im Ergebnis der Anstieg der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC sanft verglichen mit dem Fall, wo das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 4 ist, wie es in 6 gezeigt ist.
  • Wie es in 5C gezeigt ist, wenn das Luftüberschussverhältnis λ näherungsweise 8 ist, wird die Menge an CO kaum verändert, obwohl sich die Kurbelwelle dreht. Mit anderen Worten wird CO kaum in CO2 umgewandelt. Dies liegt daran, dass der Kraftstoff die oxidative Reaktion bewirkt, aber dies nicht in einer Heißflammenreaktion resultiert. Wie es in 6 gezeigt ist kann der Anstieg der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC unterbunden werden. In dem Beispiel von 6 wird der Anstieg der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC auf eine Temperatur gedrückt, die näherungsweise 50 Grad höher oder niedriger ist als die Temperatur im Zylinder an dem CTDC. Insbesondere wird die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC auf näherungsweise 1100 K oder niedriger gedrückt. Obwohl es nicht in einer Heißflammenreaktion resultiert, bewirkt der Kraftstoff jedoch eine oxidative Reaktion, und dies erzeugt eine Wärmemenge, die so gering ist, dass sie die Abnahme der Temperatur im Zylinder auf Grund der Ausdehnung des Brennraums kompensieren kann. Im Ergebnis wird selbst nach dem CTDC die Temperatur im Zylinder ungefähr gleich gehalten wie die Temperatur im Zylinder an dem CTDC, und die Abnahme der Temperatur im Zylinder bei dem Expansionshub wird im Vergleich zu während des verbrennungsfreien Betriebs unterbunden.
  • Als nächstes werden die Temperatur im Zylinder, der Druck im Zylinder und die Druckanstiegsrate mit der isothermen Expansion beschrieben. 7A ist eine Ansicht, welche die Änderung der Temperatur im Zylinder bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, 7B ist eine Ansicht, welche die Änderung des Drucks im Zylinder bezüglich des Kurbelwinkels zeigt, und 7C ist eine Ansicht, welche die Druckanstiegsrate im Zylinder bezüglich des Kurbelwinkels zeigt. In 7A bis 7C ist die Änderung während des verbrennungsfreien Betriebs durch eine Strichlinie angegeben und die Änderung durch die isotherme Expansion ist durch eine durchgezogene Linie angegeben.
  • Bei dem Verdichtungshub steigt die Temperatur im Zylinder während des verbrennungsfreien Betriebs an, wenn sie sich dem CTDC nähert, erreicht ihre höchste Temperatur an dem CTDC und sinkt dann nach dem CTDC. Ähnlich hierzu steigt bei dem Verdichtungshub der Druck im Zylinder während des verbrennungsfreien Betriebs ebenfalls an, wenn er sich dem CTDC nähert, erreicht seinen höchsten Druck an dem CTDC und sinkt dann nach dem CTDC. Dabei ist die Druckanstiegsrate ein positiver Wert vor dem CTDC, erreicht ihren höchsten Wert beispielsweise bei etwa 10° vor dem CTDC und wird näherungsweise Null an dem CTDC. Die Druckanstiegsrate wird ein negativer Wert nach dem CTDC und erreicht ihren niedrigsten Wert beispielsweise bei etwa 10° nach dem CTDC.
  • Durch die isotherme Expansion steigt bei dem Verdichtungshub andererseits die Temperatur im Zylinder an, wenn sie sich dem CTDC nähert, erreicht ihre höchste Temperatur an dem CTDC und wird dann im Wesentlichen auf der Temperatur an dem CTDC für eine Weile gehalten (d. h. für den Temperaturaufrechterhaltungszeitraum). Dann sinkt die Temperatur im Zylinder. Durch die isotherme Expansion steigt bei dem Verdichtungshub der Druck im Zylinder an, wenn er sich dem CTDC nähert, erreicht seinen höchsten Druck an dem CTDC und sinkt dann nach dem CTDC. Obwohl dieses Verhalten das gleiche ist wie während des verbrennungsfreien Betriebs, ist der Druck im Zylinder mit der isothermen Expansion etwas höher als der Druck im Zylinder während des verbrennungsfreien Betriebs, und zwar nach dem CTDC. Gleichermaßen ist das grundlegende Verhalten der Druckanstiegsrate mit der isothermen Expansion das gleiche wie während des verbrennungsfreien Betriebs; jedoch ist die Druckanstiegsrate bei dem Expansionshub höher als während des verbrennungsfreien Betriebs, und zwar nur bis die isotherme Expansion endet. Jedoch ist die Druckanstiegsrate mit der isothermen Expansion bei dem Expansionshub nur etwas höher als während des verbrennungsfreien Betriebs.
  • Zusammengefasst kann man sagen, dass selbst wenn die Wärmemenge, mit welcher die Temperatur im Zylinder aufrechterhalten werden kann, durch die Voreinspritzung erzeugt wird, die negative Druckanstiegsrate nach dem CTDC nur etwas höher wird als diejenige während des verbrennungsfreien Betriebs. Selbst wenn die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC erhöht werden kann, kann, wenn die Druckanstiegsrate nach dem CTDC ebenfalls ansteigt, obwohl die Hauptverbrennung verzögert ist, der Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel nicht verringert werden. Mit anderen Worten kann durch die Voreinspritzung, da die Druckanstiegsrate im Zylinder niedrig gehalten werden kann, während die Abnahme der Temperatur im Zylinder unterbunden wird, die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung verringert werden, indem die Selbstzündungsverbrennung verzögert wird.
  • Als nächstes werden die Wärmeabgaberate, der Druck im Zylinder und die Druckanstiegsrate im Zylinder mit der Selbstzündungsverbrennung beschrieben. 8A ist eine Ansicht, welche die Wärmeabgaberate zeigt, 8B ist eine Ansicht, die den Druck im Zylinder zeigt, und 8C ist eine Ansicht, welche die Druckanstiegsrate im Zylinder zeigt, wobei die durchgezogene Linie die verzögerte Selbstzündungsverbrennung angibt, die Einpunkt-Strichlinie die normale Selbstzündungsverbrennung angibt (Selbstzündungsverbrennung, bei der die Kraftstoffeinspritzung zum Aufrechterhalten der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC (d. h. die Voreinspritzung) nicht durchgeführt wird. In 8B und 8C sind die Werte während des verbrennungsfreien Betriebs durch die Strichlinie angegeben.
  • Es ist anzumerken, dass in 8A bis 8C das geometrische Verdichtungsverhältnis des Motors näherungsweise 25:1 beträgt, das Einlassventil zu einem Zeitpunkt entsprechend näherungsweise 80° nach einem unteren Einlasstotpunkt (IBDC; Engl.: intake bottom dead center) geschlossen wird, und die Motordrehzahl näherungsweise 1000 rpm beträgt. Mit der verzögerten Selbstzündungsverbrennung wird die Voreinspritzung nur einmal zu einem Zeitpunkt entsprechend näherungsweise 90° vor dem CTDC durchgeführt, und die Haupteinspritzung wird zu einem Zeitpunkt entsprechend näherungsweise 3,6° vor dem CTDC durchgeführt. Mit der normalen Selbstzündungsverbrennung wird die Kraftstoffeinspritzung nur einmal zu einem Zeitpunkt entsprechend näherungsweise 270° vor dem CTDC durchgeführt.
  • Wie es in 8A gezeigt ist wird in dem Fall der normalen Selbstzündungsverbrennung die Zündung direkt nach dem CTDC durchgeführt und die Wärmeabgaberate steigt stark an. Mit der verzögerten Selbstzündungsverbrennung wird die Zündung zu einem Zeitpunkt durchgeführt, der nach dem CTDC liegt und verzögert ist als die normale Selbstzündungsverbrennung, und die Wärmeabgaberate steigt an. Die Wärmeabgaberate der verzögerten Selbstzündungsverbrennung erreicht ihren Höhepunkt zu einem Zeitpunkt etwa 10° bis näherungsweise 20° nach dem CTDC. Ein Zeitraum ab dem CTDC bis zu der Zündung ist der Zeitraum, in dem die Temperatur im Zylinder ist beibehalten wird, und in diesem Zeitraum steigt die Wärmeabgaberate kaum an. Zudem ist der Anstieg der Wärmeabgaberate mit der verzögerten Selbstzündungsverbrennung im Vergleich zu der normalen Selbstzündungsverbrennung sanft.
  • Wie es in 8B gezeigt ist steigt bei dem Verdichtungshub der Druck im Zylinder mit der normalen Selbstzündungsverbrennung zu dem CTDC hin an und steigt dann auf Grund der Selbstzündungsverbrennung weiter an. Bei dem Verdichtungshub steigt der Druck im Zylinder der verzögerten Selbstzündungsverbrennung zu dem CTDC hin an und erreicht sein lokales Maximum an dem CTDC. Mit der verzögerten Selbstzündungsverbrennung, da der Zündzeitpunkt verzögert ist, nimmt der Druck im Zylinder einmal ab, nachdem er das lokale Minimum an dem CTDC erreicht hat, und steigt dann auf Grund der Selbstzündungsverbrennung in dem frühen Stadium des Verdichtungshubs wieder an. Dann erreicht der Druck im Zylinder sein lokales Maximum und sinkt. Der Druck im Zylinder der verzögerten Selbstzündungsverbrennung ist im Wesentlichen der gleiche wie der Druck im Zylinder während des verbrennungsfreien Betriebs um den CTDC herum. Obwohl der Druck im Zylinder mit der verzögerten Selbstzündungsverbrennung etwas höher ist als der Druck im Zylinder während des verbrennungsfreien Betriebs nahe des CTDC, sinkt der Druck im Zylinder mit der verzögerten Selbstzündungsverbrennung ähnlich wie der Druck im Zylinder während des verbrennungsfreien Betriebs nach dem CTDC. Da ein weiterer Anstieg des Drucks im Zylinder auf Grund der Selbstzündungsverbrennung ab dem verringerten Punkt des Drucks im Zylinder nach dem CTDC beginnt, ist der Wert des lokalen Maximums des Drucks im Zylinder, der durch die Selbstzündungsverbrennung bewirkt wird, wesentlich niedriger im Vergleich zu dem höchsten Wert des Drucks im Zylinder der normalen Selbstzündungsverbrennung.
  • Wie es in 8C gezeigt ist steigt die Druckanstiegsrate der normalen Selbstzündungsverbrennung direkt nach dem CTDC an, erreicht ihren höchsten Wert und sinkt dann. Andererseits ist die Druckanstiegsrate der verzögerten Selbstzündungsverbrennung für eine Weile nach dem CTDC ein negativer Wert, während sie sinkt, wenn der Expansionshub voranschreitet. Dann steigt die Druckanstiegsrate auf Grund der Selbstzündungsverbrennung in dem frühen Stadium des Expansionshubs an und wird ein positiver Wert, erreicht ihren höchsten Wert, und sinkt dann. Der Verbrennungszeitraum der verzögerten Selbstzündungsverbrennung (der Zeitraum, in dem das Verbrennungsmassenverhältnis des Kraftstoffs zwischen näherungsweise 10% und näherungsweise 90% liegt) überlappt mit dem Zeitpunkt, an dem die Druckanstiegsrate während des verbrennungsfreien Betriebs der größte negative Wert wird. Mit anderen Worten tritt die verzögerte Selbstzündungsverbrennung ursprünglich auf, während die Druckanstiegsrate niedrig ist. Daher ist der höchste Wert der Druckanstiegsrate bei der Verbrennung der verzögerten Selbstzündungsverbrennung erheblich verringert im Vergleich zu dem höchsten Wert der Druckanstiegsrate bei der Verbrennung der normalen Selbstzündungsverbrennung. Im Ergebnis ist der Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel der verzögerten Selbstzündungsverbrennung erheblich verringert im Vergleich zu dem Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel der normalen Selbstzündungsverbrennung.
  • Daher bewirkt der Benzindirekteinspritzungsmotor 1 die Selbstzündung des Kraftstoffs, der durch den Injektor 33 in den Zylinder eingespritzt wird und zumindest Benzin enthält, weist das geometrische Verdichtungsverhältnis von näherungsweise 15:1 oder höher auf und enthält die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 zum Steuern bzw. Regeln der Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 33. Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 veranlasst den Injektor 33, die Voreinspritzung durchzuführen, um die Schwankung der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten, und zwar durch Einspritzen der Kraftstoffmenge, die eine oxidative Reaktion bewirkt, ohne dass dies in einer Heißflammenreaktion resultiert. Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 veranlasst zudem den Injektor 33, die Haupteinspritzung durchzuführen, um die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs nach dem CTDC zu bewirken, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch Einspritzen des Kraftstoffs nach der Voreinspritzung.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann, da die Abnahme der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC durch die Voreinspritzung unterbunden wird, der Zeitraum, in dem der Zündzeitpunkt der Selbstzündungsverbrennung verzögert werden kann, erweitert werden. Daher kann selbst bei dem Motor mit dem hohen Verdichtungsverhältnis, bei dem das geometrische Verdichtungsverhältnis näherungsweise 15:1 oder höher ist, der Zündzeitpunkt der Selbstzündungsverbrennung auf den Zeitpunkt verzögert werden, an dem der Verbrennungszeitraum mit dem Zeitpunkt überlappt, an dem die Druckanstiegsrate während des verbrennungsfreien Betriebs der größte negative Wert wird. Durch Unterbinder der Abnahme der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC kann der übermäßig starke Anstieg der Temperatur im Zylinder ebenfalls unterbunden werden. Im Ergebnis kann unterbunden werden, dass sich der Kraftstoff, der in der Haupteinspritzung lokal eingespritzt wird, entzündet bevor er ausreichend mit der Luft im Inneren des Zylinders vermischt wird, und dass Ruß entsteht.
  • Es ist anzumerken, dass als Verfahren zum Verringern der Druckanstiegsrate bei der Verbrennung zudem die Erhöhung einer EGR-Menge in Betracht kommen kann. Wenn die EGR-Menge erhöht wird, wird jedoch eine Frischluftmenge verringert und es kann kein ausreichendes Drehmoment sichergestellt werden. Insbesondere kann die Druckanstiegsrate in dem Betriebsbereich hoher Motorlast ein Thema werden, abhängig von dem Wert der Rate, und ein großes Drehmoment ist in dem Betriebsbereich hoher Motorlast erforderlich. Daher kann bei der Konfiguration des Aufrechterhaltens der Temperatur im Zylinder durch die oben beschriebene Voreinspritzung ausreichend Drehmoment erzeugt werden, da die Menge an Frischluft sichergestellt werden kann.
  • Die Breite des vorbestimmten Temperaturbereichs ist näherungsweise 100 Grad, etc. Mit anderen Worten ist durch die Voreinspritzung die Schwankung der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC innerhalb eines Bereichs festgelegt bzw. angesiedelt, der näherungsweise 100 Grad breit ist. Im Ergebnis werden die Abnahme und der übermäßige Anstieg der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC unterbunden.
  • Während ihre Schwankung innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs angesiedelt ist, ändert sich ferner die Temperatur im Zylinder gemäß einem des geometrischen Verdichtungsverhältnisses des Motors 1 oder des effektiven Verdichtungsverhältnisses, und ein Betriebszustand des Motors 1 und beispielsweise die Temperatur im Zylinder liegt zwischen näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1100 K. Innerhalb des Temperaturbereichs kann die Selbstzündungsverbrennung erzeugt werden, während das lokale Entzünden des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs unterbunden werden kann.
  • Während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs angesiedelt ist, wird der Druck im Zylinder so verringert, dass er niedriger ist als der Druck im Zylinder an dem CTDC.
  • Mit anderen Worten, selbst wenn die Wärmemenge, welche die Temperatur im Zylinder aufrechterhalten kann, durch die Voreinspritzung erzeugt wird, kann der Druck im Zylinder ab dem CTDC bis zum Auftreten der Hauptverbrennung niedriger sein als derjenige an dem CTDC.
  • Während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs angesiedelt ist, ist gleichermaßen die Druckanstiegsrate im Zylinder so verringert, dass sie niedriger ist als diejenige an dem CTDC.
  • Daher kann die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung verringert werden, indem die Selbstzündungsverbrennung verzögert wird, und der Vibration-Geräusch(NVH)-Pegel kann verringert werden.
  • Zudem wird bei der Voreinspritzung der Kraftstoff in einer Menge eingespritzt, mit der das Luftüberschussverhältnis näherungsweise 8 oder höher wird.
  • Durch Festlegen des Luftüberschussverhältnisses auf näherungsweise 8 bewirkt der in der Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff eine oxidative Reaktion, ohne dass die in einer Heißflammenreaktion resultiert. Im Ergebnis kann die Wärmemenge, welche die Temperatur im Zylinder aufrechterhalten kann, erzeugt werden, ohne die Temperatur im Zylinder übermäßig stark zu erhöhen.
  • Bezüglich der Gesamteinspritzmenge des Kraftstoffs, welche die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung enthält bzw. einschließt, beträgt das Verhältnis der Einspritzmenge des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs näherungsweise 3/4.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann die Einspritzmenge der Haupteinspritzung sichergestellt werden und somit kann ausreichend Drehmoment erzeugt werden.
  • Die Motorsteuerung bzw. -regelung 100 rückt die Verbrennung durch die Haupteinspritzung voran, wenn bzw. in dem Maße wie die Motordrehzahl höher wird.
  • Mit anderen Worten wird mit zunehmender Motordrehzahl die Abnahmegeschwindigkeit der Temperatur im Zylinder bei dem Expansionshub schneller. Daher kann durch Vorrücken der Verbrennung durch die Haupteinspritzung mit zunehmender Motordrehzahl die durch die Haupteinspritzung bewirkte Verbrennung sicher durchgeführt werden.
  • <Zweite Ausführungsform>
  • Als nächstes wird ein Benzindirekteinspritzungsmotor 201 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben.
  • 9 ist eine Ansicht, die schematisch den Benzindirekteinspritzungsmotor 201 zeigt. Der Motor 201 unterscheidet sich von dem Motor 1 der ersten Ausführungsform dahingehend, dass er einen Ozongenerator 31 aufweist.
  • Genauer gesagt ist der Ozongenerator 31 in dem Zylinderkopf 13 des Motors 201 angeordnet. Der Ozongenerator 31 ist durch eine gut bekannte Struktur (z. B. Gewinde) an dem Zylinderkopf 13 fixiert bzw. befestigt. Ein Endteil des Ozongenerators 31 ist zu dem Deckenabschnitt des Brennraums 17 ausgerichtet. Der Endteil des Ozongenerators 31 ist nahe der Düsenöffnung 41 des Injektors 33 positioniert. Der Ozongenerator 31 weist zwei Elektroden auf, die so angeordnet sind, dass sie voneinander isoliert sind und einander gegenüberliegen bzw. entgegengesetzt sind. Der Ozongenerator 31 wird durch ein Ozonerzeugungssystem 32 betätigt. Das Ozonerzeugungssystem 32 weist eine Ozonerzeugungsschaltung auf. Das Ozonerzeugungssystem 32 empfängt ein Steuer- bzw. Regelsignal von der Motorsteuerung bzw. -regelung 200 und gibt eine Hochfrequenzspannung mit hohem Druck an den Ozongenerator 31 aus. Wenn die Hochfrequenzspannung an den Ozongenerator 31 angelegt wird, erzeugt er Ozon zwischen den beiden Elektroden. Durch Ändern einer von Stärke und Frequenz der Hochfrequenzspannung, die an den Ozongenerator 31 anzulegen ist, kann die Konzentration von Ozon eingestellt werden. Es ist anzumerken, dass die Anordnung und Konfiguration des Ozongenerators 31 nicht hierauf beschränkt sind.
  • In allen Betriebsbereichen bewirkt der Motor 201 die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs, der von dem Injektor 33 in den Zylinder eingespritzt wird. Genauer gesagt, wie es in 10 gezeigt ist, weist der Motor 201 einen normalen Betriebsbereich A, der einem Betriebsbereich entspricht, in dem eine Motorlast niedrig und mittel ist, und einen Verzögerungsbetriebsbereich B auf, der einem Betriebsbereich entspricht, in dem die Motorlast höher ist als in dem normalen Betriebsbereich A. Eine normale Selbstzündungsverbrennung wird in dem normalen Betriebsbereich A durchgeführt und eine verzögerte Selbstzündungsverbrennung wird in dem Verzögerungsbetriebsbereich B durchgeführt. In dem normalen Betriebsbereich A wird eine ähnliche Steuerung bzw. Regelung wie bei dem Motor 1 der ersten Ausführungsform durchgeführt.
  • Der Verzögerungsbetriebsbereich B enthält einen ersten Betriebsbereich B1, wo die verzögerte Selbstzündungsverbrennung ohne Anlegen von Ozon durchgeführt wird, und einen zweiten Betriebsbereich B2, wo Ozon in dem Zylinder nach einer Haupteinspritzung angelegt wird und die verzögerte Selbstzündungsverbrennung durchgeführt wird. Innerhalb des zweiten Betriebsbereichs B2 ist die Motorlast höher als innerhalb des Betriebsbereichs B1.
  • Innerhalb des ersten Betriebsbereichs B1 wird eine ähnliche Steuerung bzw. Regelung wie bei dem Motor 1 der ersten Ausführungsform durchgeführt. Mit anderen Worten veranlasst die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 des Motors 201 den Injektor 33, eine Voreinspritzung durchzuführen, um eine Wärmemenge zu erzeugen, welche die Temperatur im Zylinder im Wesentlichen auf der Temperatur an dem CTDC ab dem CTDC bis zur Selbstentzüngung des Kraftstoffs der Haupteinspritzung hält, und eine Haupteinspritzung durchzuführen, um die Selbstzündungsverbrennung bei dem Expansionshub zu bewirken. Mit anderen Worten erweitert die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 innerhalb des ersten Betriebsbereichs B1 den Verzögerungszeitraum der Selbstzündungsverbrennung nur durch die Voreinspritzung, ohne Anlegung von Ozon, was später beschrieben wird.
  • Innerhalb des zweiten Betriebsbereichs B2 veranlasst die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 den Ozongenerator 31, Ozon zu erzeugen, nachdem sie den Injektor 33 veranlasst hat, die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung durchzuführen. Der in der Haupteinspritzung in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff wird durch Ozon mit Energie beaufschlagt und verbrennt leicht durch Selbstentzüngung. Mit anderen Worten unterstützt Ozon die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs.
  • Gemäß der Voreinspritzung kann die Abnahme der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC unterbunden werden und somit kann der Zeitraum, um den die Selbstzündungsverbrennung verzögert werden kann, erweitert werden. Selbst wenn der Zeitraum, der verzögert werden kann, erweitert werden kann, gibt es jedoch eine Grenze. Durch Anlegen von Ozon kann sich der Kraftstoff immer noch selbst entzünden, auch wenn der Zündzeitpunkt auf einen Zeitpunkt verzögert wird, an dem die Zündung ohne die Anlegung von Ozon schwierig oder unmöglich ist. Innerhalb des zweiten Betriebsbereichs B2 erweitert die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 den Verzögerungszeitraum der Selbstzündungsverbrennung durch die Voreinspritzung und die Ozonanlegung.
  • Als ein Beispiel, wie es in 11A gezeigt ist, veranlasst die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 den Injektor 33 und den Ozongenerator 31 eine erste Voreinspritzung, eine zweite Voreinspritzung, die Haupteinspritzung und die Ozonanlegung in dieser Reihenfolge durchzuführen. Die erste Voreinspritzung wird vor dem CTDC durchgeführt. Die zweite Voreinspritzung wird direkt nach dem CTDC durchgeführt. Die Haupteinspritzung wird nach der zweiten Voreinspritzung durchgeführt. Die Einspritzmenge der ersten Voreinspritzung beträgt näherungsweise 5% der Gesamteinspritzmenge, die Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung beträgt näherungsweise 15% der Gesamteinspritzmenge und die Einspritzmenge der Haupteinspritzung beträgt näherungsweise 80% der Gesamteinspritzmenge. Dann wird die Ozonanlegung nach der Haupteinspritzung durchgeführt.
  • Dabei wird die Ozonanlegung durchgeführt, wenn die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC niedriger wird als eine vorbestimmte Temperatur. Die vorbestimmte Temperatur ist eine Temperatur, bei der die Selbstzündungsverbrennung von Kraftstoff selbst ohne die Ozonanlegung durchgeführt werden kann, d. h. eine Temperatur entsprechend dem unteren Grenzwert des vorbestimmten Temperaturbereichs, wenn die Schwankung der Temperatur im Zylinder ab dem CTDC bis zur Zündung des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch die Voreinspritzung in der ersten Ausführungsform. Mit anderen Worten wird Ozon in einer Situation angelegt, wo die Selbstzündungsverbrennung des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs schwierig ist, und zwar einfach durch Verwenden der Voreinspritzung, um die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC beizubehalten.
  • Es ist anzumerken, dass der Zeitpunkt der Ozonanlegung nicht hierauf beschränkt ist. Ozon kann angelegt werden, bevor die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC niedriger wird als die vorbestimmte Temperatur. Selbst wenn die Temperatur im Zylinder höher ist als die vorbestimmte Temperatur, wird, wenn der Expansionshub voranschreitet und die Temperatur im Zylinder abnimmt, die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs schwierig. Selbst wenn die Temperatur im Zylinder nach dem CTDC höher ist als die vorbestimmte Temperatur, kann die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs durch die Ozonanlegung unterstützt werden.
  • Bei solch einem Einspritzungsmodus wird die Temperatur im Zylinder an dem CTDC hauptsächlich durch die Einspritzmenge der ersten Voreinspritzung eingestellt, und die Länge des Zeitraums, in dem die Temperatur im Zylinder im Wesentlichen fix gehalten wird, hauptsächlich durch die Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung, wird eingestellt. In einem Fall, wo der Einspritzzeitpunkt der Hauptverbrennung fix ist, wird der Verzögerungsbetrag der Hauptverbrennung hauptsächlich durch den Anlegungszeitpunkt (Erzeugungszeitpunkt) und die Konzentration von Ozon eingestellt. Genauer gesagt wird der Zündzeitpunkt der Hauptverbrennung später, wenn bzw. in dem Maße wie der Anlegungszeitpunkt von Ozon verzögert wird (Einpunkt-Strichlinie in 11B). Zudem wird der Zündzeitpunkt der Hauptverbrennung früher, wenn bzw. in dem Maße wie die Konzentration von Ozon erhöht wird (Zeitpunkt-Strichlinie in 11B). Es ist anzumerken, dass eigentlich der Verzögerungsbetrag der Hauptverbrennung eingestellt wird durch Ändern der Einspritzmenge der zweiten Voreinspritzung, des Einspritzzeitpunkts der Hauptverbrennung und der Anlegezeitpunkts und der Konzentration von Ozon.
  • Zudem verzögert die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 den Anlegungszeitpunkt von Ozon, wenn bzw. in dem Maße wie die Motordrehzahl niedriger wird.
  • Ferner verzögert die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 den Anlegungszeitpunkt von Ozon, wenn bzw. in dem Maße wie die Motordrehzahl höher wird.
  • Wenn der Anlegungszeitpunkt von Ozon verzögert wird, nimmt der Verzögerungsbetrag der Hauptverbrennung zu. Wenn die Motordrehzahl höher wird, steigt die Druckanstiegsrate im Zylinder an und der Vibration-Geräusch-Pegel nimmt zu. Somit wird der Anlegungszeitpunkt von Ozon verzögert, wenn die Motorlast höher wird, um den Verzögerungsbetrag der Hauptverbrennung zu erhöhen. Wie Erhöhen des Verzögerungsbetrags der Hauptverbrennung wie oben beschrieben wird die Druckanstiegsrate bei der Verbrennung verringert und der Vibration-Geräusch-Pegel wird verringert, wenn die Motorlast hoch ist.
  • Daher enthält der Motor 201 einen Ozongenerator 31 zum Erzeugen von Ozon innerhalb des Zylinders 11. Die Motorsteuerung bzw. -regelung 200 veranlasst den Ozongenerator 31, Ozon nach der Haupteinspritzung zu erzeugen.
  • Gemäß dieser Konfiguration kann Ozon die Zündung der Verbrennung unterstützten, die durch die Haupteinspritzung bewirkt wird. Wenn beispielsweise der Verzögerungszeitraum lang ist, wird die Zündung schwierig, da die Temperatur im Zylinder niedrig ist. In solch einem Fall kann die Zündung des Kraftstoffs durch das Anlegen von Ozon vereinfacht werden.
  • <Andere Ausführungsformen>
  • Gemäß der obigen Beschreibung werden die illustrativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Ausführungsformen mit geeigneten Änderungen, Ersetzungen, Hinzufügungen, Auslassungen etc. angewandt werden. Zudem kann man durch Kombinieren der jeweiligen Komponenten, die in den obigen Ausführungsformen beschrieben sind, eine neue Ausführungsform erhalten. Ferner sind nicht alle Komponenten, die in den beiliegenden Zeichnungen und den obigen Ausführungsformen dargestellt sind, wesentlich für das Erreichen des Hauptziels der vorliegenden Erfindung, und sie können zum Darstellen der vorliegenden Erfindung Komponenten enthalten, die für das Erreichen des Hauptziels der vorliegenden Erfindung unwesentlich sind. Daher sollen diese unwesentlichen Komponenten nicht augenblicklich als wesentlich angesehen werden, nur weil sie in den beiliegenden Zeichnungen und den obigen Ausführungsform dargestellt sind.
  • Die folgende Konfiguration kann auf eine beliebige der obigen Ausführungsformen angewandt werden.
  • Der Motor ist lediglich ein Beispiel. Beispielsweise ist der Motor nicht auf Motoren beschränkt, die eine Selbstzündungsverbrennung in all den Betriebsbereichen des Motors bewirken.
  • Zudem werden bei den obigen Ausführungsformen die Wärmedämmstrukturen des Brennraums 17 und die Einlassöffnungen 18 verwendet, und die durch die Gasschicht gebildete Wärmedämmschicht ist im Inneren des Zylinders (Brennraum 17) gebildet; die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf Motoren ohne die Wärmedämmstrukturen des Brennraums 17 und die Einlassöffnungen 18, und Motoren ohne die durch die Gasschicht gebildete Wärmedämmschicht angewandt werden.
  • Die Breite des Temperaturbereichs, in dem die Schwankung der Temperatur im Zylinder nach dem CTDC angesiedelt ist, ist nicht auf näherungsweise 100 Grad beschränkt. Die Breite des Temperaturbereichs kann andere Werte betragen, wie näherungsweise 90 Grad oder näherungsweise 110 Grad, so lange die abnormale Verbrennung des Kraftstoffs verhindert werden kann und die verzögerte Selbstzündungsverbrennung durchgeführt werden kann.
  • Gleichermaßen ist die Temperatur im Zylinder, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs angesiedelt ist, nicht auf zwischen näherungsweise 1000 K bis näherungsweise 1100 K beschränkt. Die Temperatur im Zylinder kann andere Werte betragen, wie zwischen näherungsweise 950 K und näherungsweise 1100 K, näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1150 K, oder näherungsweise 1100 K und näherungsweise 1200 K, so lange die abnormale Verbrennung des Kraftstoffs verhindert werden kann und die verzögerte Selbstzündungsverbrennung durchgeführt werden kann.
  • Zudem ist bei der zweiten Ausführungsform die Voreinspritzung in die erste und die zweite Voreinspritzung unterteilt; sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Voreinspritzung kann auch nur ein Mal durchgeführt werden. In diesem Fall kann die Einspritzmenge der Voreinspritzung mit der Zeit verändert werden. Beispielsweise kann die Einspritzmenge der Voreinspritzung so eingestellt werden, dass sie graduell zunimmt.
  • Wie oben beschrieben ist die vorliegende Erfindung für Benzindirektmotoren nützlich.
  • Es versteht sich, dass die Ausführungsformen hierin illustrativ und nicht restriktiv sind, da der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche, und nicht die vorausgehende Beschreibung definiert wird, und alle Änderungen, die in die Grenzen und den Bereiche der Ansprüche fallen, oder Äquivalente solcher Grenzen und Bereiche davon, sollen daher ebenfalls durch die Ansprüche umfasst sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 201
    Motor
    31
    Ozongenerator
    33
    Injektor
    100, 200
    Motorsteuerung bzw. -regelung (Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2013-057268 A [0003]

Claims (9)

  1. Benzindirekteinspritzungsmotor (1; 201) zum Bewirken einer Selbstzündung eines Kraftstoffs, der von einem Injektor (33) in einen Zylinder (11) eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff zumindest Benzin enthält, umfassend: eine Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (100, 200) zum Steuern bzw. Regeln einer Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor (33), wobei ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Motors näherungsweise 15:1 oder höher ist, wobei die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (100; 200) den Injektor (33) veranlasst, eine Voreinspritzung durchzuführen, um eine Schwankung einer Temperatur im Zylinder nach einem oberen Verdichtungstotpunkt (CTDC) innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten, und zwar durch Einspritzen einer Menge an Kraftstoff, die eine oxidative Reaktion bewirkt, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren, und wobei die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (100; 200) den Injektor (33) veranlasst, eine Haupteinspritzung durchzuführen, um die Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs nach dem oberen Verdichtungstotpunkt (CTDC) zu bewirken und während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch Einspritzen des Kraftstoffs nach der Voreinspritzung.
  2. Motor nach Anspruch 1, wobei die Breite des vorbestimmten Temperaturbereichs näherungsweise 100 Grad beträgt und/oder die Temperatur im Zylinder zwischen näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1100 K beträgt, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Druck im Zylinder so verringert wird, dass er niedriger ist als ein Druck im Zylinder bei dem oberen Verdichtungstotpunkt (/CTDC), während die Schwankung der Temperatur in dem Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Voreinspritzung der Kraftstoff in einer Menge eingespritzt wird, mit der ein Luftüberschussverhältnis näherungsweise 8 oder höher wird, und/oder bezüglich einer Gesamteinspritzmenge des Kraftstoffs, welche die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung einschließt, ein Verhältnis der Einspritzmenge des in der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs näherungsweise 3/4 oder höher ist.
  5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Voreinspritzung zumindest in eine erste Voreinspritzung und eine zweite Voreinspritzung zum Einspritzen des Kraftstoffs nach der ersten Voreinspritzung unterteilt ist und/oder die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (100; 200) die durch die Haupteinspritzung bewirkte Verbrennung vorrückt, wenn bzw. in dem Maße wie eine Motordrehzahl ansteigt.
  6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Ozongenerator (32) zum Erzeugen von Ozon innerhalb des Zylinders (11), wobei die Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung (200) den Ozongenerator (32) veranlasst, Ozon nach der Haupteinspritzung zu erzeugen.
  7. Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Benzindirekteinspritzungsmotors (1; 201), umfassend die Schritte: Durchführen einer Voreinspritzung zum Halten einer Schwankung einer Temperatur im Zylinder nach einem oberen Verdichtungstotpunkt (CTDC) innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs durch Einspritzen einer Menge des Kraftstoffs, die eine oxidative Reaktion bewirkt, ohne in einer Heißflammenreaktion zu resultieren, und Durchführen einer Haupteinspritzung zum Bewirken einer Selbstzündungsverbrennung des Kraftstoffs nach dem oberen Verdichtungstotpunkt (CTDC), während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird, und zwar durch Einspritzen des Kraftstoffs nach der Voreinspritzung.
  8. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Breite des vorbestimmten Temperaturbereichs näherungsweise 100 Grad beträgt und/oder die Temperatur im Zylinder zwischen näherungsweise 1000 K und näherungsweise 1100 K beträgt, während die Schwankung der Temperatur im Zylinder innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gehalten wird.
  9. Computerprogrammprodukt, umfassend computerlesbare Instruktionen, die, wenn auf einem geeigneten System geladen und ausgeführt, die Schritte nach einem Verfahren der Ansprüche 7 oder 8 durchführen können.
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