DE102015112798A1

DE102015112798A1 - Gasströmungssteuervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE102015112798A1
Application number: DE102015112798.9A
Authority: DE
Inventors: Kohei Motoo
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2035-08-05
Also published as: JP2016037914A; JP6288452B2; DE102015112798B4

Abstract

Es wird eine Gasströmungssteuervorrichtung vorgeschlagen, die dazu dient, Parameter zu erlangen, die den Zustand des Gases und den Zustand von Kraftstoffzerstäubungen in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine betreffen, um Verbrennungsbereiche der Kraftstoffzerstäubungen in dem Zylinder zu berechnen. Wenn die berechneten Verbrennungsbereiche eine kleinere Größe als Sollverbrennungsbereiche haben, erhöht die Gasströmungssteuervorrichtung die Stärke der Strömung des Gases, um Verbrennungsbereiche der Kraftstoffzerstäubungen, die in darauffolgenden Verbrennungszyklen der Maschine erzeugt werden, auszudehnen, mit anderen Worten, um das Vermischen der Kraftstoffzerstäubung und des Gases zu beschleunigen, wodurch die Geschwindigkeit der Verbrennung des Gemisches verbessert wird. Wenn anderenfalls die berechneten Verbrennungsbereiche eine größere Größe als die Sollverbrennungsbereiche haben, verringert die Gasströmungssteuervorrichtung die Stärke der Strömung des Gases, um einen Grad der Überschneidung zwischen den Kraftstoffzerstäubungen zu verringern, wodurch die Geschwindigkeit der Verbrennung des Gemisches verbessert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Gasströmungssteuervorrichtung, die dazu ausgestaltet ist, die Stärke der Gasströmung innerhalb einer Brennkammer einer Verbrennungsmaschine zu steuern.
2. Hintergrund der Erfindung
Es werden Techniken vorgeschlagen, um die Stärke der Gasströmung innerhalb einer Brennkammer einer Verbrennungsmaschine als Funktion eines Betriebszustands der Verbrennungsmaschine zu steuern, damit ein Kraftstoffverbrauch, oder Emissionen der Maschine verringert werden. Beispielsweise lehrt die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung JP 62-45931 eine Steuerung eines Verwirbelungsverhältnisses, das die Stärke einer Verwirbelung darstellt, die in der Brennkammer der Verbrennungsmaschine in Abhängigkeit der Geschwindigkeit oder Last der Maschine erzeugt wird.
Damit die thermische Effizienz der Verbrennungsmaschine verbessert wird, ist es erforderlich, Zerstäubungen des Kraftstoffs, die in der Brennkammer zugeführt werden, in einer kurzen Zeit zu verbrennen, wenn der Kolben den oberen Totpunkt in dem Zylinder der Maschine erreicht. Mit anderen Worten erfordert die Verbesserung der thermischen Effizienz der Verbrennungsmaschine eine Zunahme des Grads eines konstanten Verbrennungsvolumens. Das wird erreicht, indem eine Kraftstoffzerstäubung und ein Einlassgas schnell miteinander vermischt werden, um die Verbrennungsgeschwindigkeit der Mischung zu erhöhen. Wenn der Mischungszustand oder Grad des Gemisches der Kraftstoffzerstäubung und des Gases schlecht ist, resultiert das in einer Abnahme der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches, was zu einem Fehler beim Verbrennen des Gemisches innerhalb kurzer Zeit führt, wenn der Kolben am oberen Totpunkt liegt. Eine zu starke Gasströmung in der Brennkammer der Maschine mit dem Ziel, die Vermischung der Kraftstoffzerstäubung und des Gases zu beschleunigen, führt zu einem abnehmenden Grad der Überschneidung oder Überlappung zwischen den benachbarten Kraftstoffzerstäubungen in der Brennkammer. Das führt zu einer Beeinträchtigung der Verbrennung des Gemisches oder einer Abnahme der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches.
Das Gemisch der Kraftstoffzerstäubung und des Gases, das in die Brennkammer der Maschine eingelassen wird, hängt von dem Zustand der Kraftstoffzerstäubung oder des Gases ab. Das System, das in der oben genannten Offenlegungsschrift gelehrt wird, berücksichtigt nicht den Zustand der Kraftstoffzerstäubung oder des Gases, um die Gasströmung zu steuern. Daher besteht Raum zur Verbesserung der Verbrennungsgeschwindigkeit des Gemisches.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist demzufolge eine Aufgabe der Erfindung, eine Gasströmungssteuervorrichtung zu schaffen, die dazu ausgelegt ist, die Stärke der Strömung des Gases, das in eine Brennkammer einer Verbrennungsmaschine eingelassen wird, im Hinblick auf den Zustand einer Kraftstoffzerstäubung, die in der Brennkammer erzeugt wird, und/oder auf den Zustand des Gases, das in die Brennkammer eingelassen wird, zu steuern, damit das Vermischen der Kraftstoffzerstäubung und des Gases optimiert wird, tun die Geschwindigkeit der Verbrennung des Gemisches zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Gasströmungssteuervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine bereitgestellt. Die Gasströmungssteuervorrichtung weist auf: (a) ein Strömungsstärkensteuermittel zum Steuern einer Stärke einer Strömung des Gases innerhalb eines Zylinders einer Verbrennungsmaschine, in den Kraftstoff eingespritzt wird, um eine Kraftstoffzerstäubung zu erzeugen, und in dem die Kraftstoffzerstäubung verbrannt wird, um ein Drehmoment zu erzeugen; (b) ein Erlangungsmittel zum Erlangen eines Parameters, der einem Zustand des Gases zugeordnet ist, und eines Parameters, der einem Zustand der Kraftstoffzerstäubung innerhalb des Zylinders zugeordnet ist; (c) ein Berechnungsmittel zum Berechnen von Verbrennungsbereichen der Kraftstoffzerstäubung als Funktion des Zustand des Gases und des Zustands der Kraftstoffzerstäubung, die durch das Erlangungsmittel erlangt werden; und (d) ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen, ob die Verbrennungsbereiche, die durch das Berechnungsmittel berechnet werden, eine kleinere Größe als Sollverbrennungsbereiche haben oder nicht.
Wenn bestimmt wird, dass die Verbrennungsbereiche kleiner als Sollverbrennungsbereiche sind, dient das Strömungsstärkensteuermittel dazu, die Stärke der Strömung des Gases zu erhöhen, wohingegen, wenn bestimmt wird, dass die Verbrennungsbereiche größer als Sollverbrennungsbereiche sind, dient das Strömungsstärkensteuermittel dazu, die Stärke der Strömung des Gases zu verringern.
Wie aus der oben stehenden Diskussion hervorgeht, dient die Gasströmungssteuervorrichtung dazu, den Zustand des Gases und den Zustand der Kraftstoffzerstäubung in dem Zylinder der Maschine zu erlangen, um die Verbrennungsbereiche der Kraftstoffzerstäubung in dem Zylinder zu berechnen. Wenn die berechneten Verbrennungsbereiche eine kleinere Größe als die Sollverbrennungsbereiche sind, wird die Gasströmungssteuervorrichtung die Stärke der Strömung des Gases, um die Verbrennungsbereiche der Kraftstoffzerstäubung, die in einem darauffolgenden Verbrennungszyklus der Maschine erzeugt werden, auszudehnen, mit anderen Worten, um das Vermischen der Kraftstoffzerstäubung und des Gases zu beschleunigen, wodurch die Geschwindigkeit der Verbrennung des Gemisches verbessert wird.
Wenn anderenfalls die berechneten Verbrennungsbereiche eine größere Größe als die Sollverbrennungsbereiche haben, verringert die Gasströmungssteuervorrichtung die Stärke der Strömung des Gases, um einen Grad der Überschneidung zwischen den Kraftstoffzerstäubungen zu verringern, wodurch die Geschwindigkeit der Verbrennung des Gemisches verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besser verständlich, allerdings sollte diese nicht als eine Beschränkung der Erfindung auf die bestimmte Ausführungsform verstanden werden, sondern dass sie vielmehr lediglich zum Zweck der Erklärung und des Verständnisses dient.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm, das einen Aufbau einer Gasströmungssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ein Diagramm, das Verbrennungsbereiche der Kraftstoffzerstäubungen in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine für verschiedene Werte der Stärke der Strömung des Gases und Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung darstellt;
3 ein Diagramm, das Verbrennungsbereiche der Kraftstoffzerstäubung in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine für verschiedene Werte einer Stärke der Strömung des Gases und einer Einspritzdauer, in welcher Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, darstellt;
4 einen Graph, der Ergebnisse von Tests einer Änderung des Grads des konstanten Verbrennungsvolumens in Reaktion auf eine Änderung des Volumens des Einlassgases darstellt, wenn eine Einspritzdauer kurz ist;
5 einen Graph, der Ergebnisse von Tests einer Änderung des Grads des konstanten Verbrennungsvolumens bei einer Änderung des Volumens des Einlassgases darstellt, wenn eine Einspritzdauer lang ist;
6 ein Flussdiagramm eines Ablaufs von logischen Schritten oder eines Verwirbelungssteuerprogramms zum Steuern der Stärke einer Verwirbelung in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine;
7 ein Diagramm, das ein Muster einer Zerstäubung des Kraftstoffs, der aus einem Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, zeigt;
8 eine Ansicht, die darstellt, wie ein Verbrennungsbereich als Funktion der Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung berechnet wird;
9 einen Graph, der darstellt, wie ein Schwellenwert eingestellt wird, der dazu verwendet wird zu bestimmen, ob ein berechneter Verbrennungsbereich in ungewünschter Weise größer oder kleiner ist;
10 ein Kennfeld, das in einem Speicher gespeichert ist, das ein Verhältnis zwischen einem Schwellenwert (d. h. dem Grad der Überschneidung zwischen Sollverbrennungsbereichen) und der Konzentration von O₂ in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine darstellt;
11 einen Graph, der ein Verhältnis zwischen einem Schwellenwert und einer Sollstärke einer Verwirbelung in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine veranschaulicht;
12 ein Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung und der Stärke einer Verwirbelung;
13 ein Verhältnis zwischen dem Druck, bei dem Kraftstoff in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine zerstäubt wird, und der Starke einer Verwirbelung;
14 ein Verhältnis zwischen einer Einspritzdauer, in der Kraftstoff in einen Zylinder einer Verbrennungsmaschine eingespritzt wird, und der Stärke einer Verwirbelung;
15 ein Verhältnis zwischen der Kraftstoffmenge, die in einen Zylinder einer Verbrennungsmaschine eingespritzt werden soll, und der Stärke einer Verwirbelung;
16 ein Verhältnis zwischen der Dichte eines Gases in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine und der Stärke einer Verwirbelung; und
17 ein Verhältnis zwischen der Konzentration von O₂ in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine und der Stärke einer Verwirbelung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Bezug auf die Zeichnungen, in denen sich die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten auf gleiche Bauteile beziehen, zeigt insbesondere 1 das Maschinensystem 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, das in einem Automobil angebracht ist. Das Maschinensystem 1 umfasst eine Dieselmaschine 10 vom Common-Rail-Typ (d. h., eine Verbrennungsmaschine) und einige Vorrichtungen, die zum Betrieb der Maschine 10 erforderlich sind. Die Dieselmaschine 10, die nachstehend so bezeichnet wird, ist eine Mehrzylindermaschine mit vier Zylindern (d. h., vier Zylinderkammern) 11. Die Maschine 10 ist eine Viertaktmaschine, in der sich ein Kolben in jedem der Zylinder 11 nach oben und unten bewegt, um ein Drehmoment durch eine Abfolge von vier Takten zu erzeugen: ein Verbrennungstakt (d. h., Expansionstakt), ein Auslasstakt, ein Einlasstakt und ein Kompressionstakt. Ein Verbrennungszyklus (d. h., 720°KW), der sich aus dem Verbrennungstakt, Auslasstakt, Einlasstakt und Kompressionstakt zusammensetzt, ist zwischen den Zylindern 11 in der Abfolge um 180°KW versetzt. Wenn den Zylindern 11 von rechts nach links in 1 die Nummern #1 bis #4 zugeordnet sind, beginnen die Kolben in den Zylindern 11 den Verbrennungszyklus in der Reihenfolge #1, #3, #2 und #4. Das Maschinensystem 1 ist als eine Gasströmungssteuervorrichtung ausgelegt, um die Stärke der Strömung (d. h., eine Verwirbelung in dieser Ausführungsform) des Gases, das in jeden der Zylinder 11 der Verbrennungsmaschine 10 eingelassen wird, zu steuern. Das Gas, wie es nachstehend bezeichnet wird, ist Luft, ein rezirkulierter Teil des Abgases, das aus der Verbrennungsmaschine 10 ausgestoßen wird, oder eine Mischung aus denselben.
Der Kraftstoffinjektor 16 ist in der Mitte eines Abschnitts eines Zylinderkopfes angebracht, der eine obere Wand von jedem der Zylinder 11 festlegt. Der Kraftstoffinjektor 16 dient dazu, Kraftstoff (z. B. Dieselkraftstoff) in einen entsprechenden der Zylinder 11 einzuspritzen, um Kraftstoffzerstäubungen zu erzeugen. Die Kraftstoffzerstäubungen werden komprimiert und selbstgezündet. Ein Zylinderblock, der eine Seitenwand von jedem der Zylinder 11 festlegt, weist eine darin ausgebildete Kühlungsstrecke (z. B. einen Wassermantel) auf, durch die ein Kühlmittel rezirkuliert wird, um die Verbrennungsmaschine 10 zu kühlen.
Mit jedem Zylinder 11 sind zwei Einlassluftkanäle verbunden: ein Verwirbelungseinlasskanal 12 und ein Falleinlasskanal 13. Der Verwirbelungseinlasskanal 12 und der Falleinlasskanal 13 sind in dem Zylinderkopf über jedem der Zylinder 11 ausgebildet. Jeder der Verwirbelungseinlasskanäle 12 dient als ein Verwirbelungserzeugungskanal, um eine Verwirbelung (d. h., einen Spiralstrudel) des Gases zu erzeugen, das in den Zylinder 11 eingelassen wird. Jeder der Falleinlasskanäle 13 dient als ein Fallerzeugungskanal, um einen Fall (d. h. Vertikalstrudel) des Gases zu erzeugen, das in den Zylinder 11 eingelassen wird. Das Gas, das in jedem der Zylinder 11 durch den Verwirbelungseinlasskanal 12 eingesaugt wird, bewegt sich nahe der inneren Wand des Zylinders 11 innerhalb der Brennkammer während es in einer Umfangsrichtung der Brennkammer außerhalb desjenigen Gases zirkuliert, das durch den Falleinlasskanal 13 eingesaugt wird. Das Gas, das in jeden der Zylinder 11 durch den Falleinlasskanal 13 eingesaugt wird, bewegt sich nach unten, d. h. zu dem Kopf des Kolbens außerhalb des Gases, das durch den Verwirbelungseinlasskanal 12 angesaugt wird.
Jeder der Verwirbelungseinlasskanäle 12 und der Falleinlasskanäle 13 steht durch eine Öffnung mit einem der Zylinder 11 in Verbindung. In jeder der Öffnungen ist ein Einlassventil 14 angeordnet, um diese wahlweise zu öffnen oder zu schließen. Der Zylinderkopf weist ebenso darin ausgebildete Auslasskanäle auf, die durch Öffnungen mit den Zylindern 11 in Verbindung stehen, um Abgasemissionen auszustoßen. In jeder Öffnung ist ein Auslassventil 15 angeordnet, um diese wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
Das Maschinensystem 1 ist ebenso mit einem Einlassdurchlass 21 ausgestattet, durch den frische Luft in die Zylinder 11 strömt. Der Einlassdurchlass 21 weist einen darin angeordneten Turbolader 31 auf, um die frische Luft zu komprimieren. Der Einlassdurchlass 21 weist ebenso einen Zwischenkühler 32 auf, der strömungsabwärts von dem Turbolader 31 angeordnet ist. Der Zwischenkühler 32 dient dazu, die Luft, die durch den Turbolader 31 komprimiert wird, zu kühlen. Der Einlassdurchlass 21 weist ebenso eine Drossel 33 auf, die strömungsabwärts von dem Zwischenkühler 32 angeordnet ist. Die Drossel 33 dient dazu, die Strömung der frischen Luft, die in die Zylinder 11 eingelassen wird, zu regeln oder zu handhaben. Der Einlassdurchlass 21 weist verzweigte Strecken 22 auf, die jeweils zu den Zylindern 11 führen (korrekterweise zu dem Maschinenkopf). Die verzweigten Strecken 22 gehen von einem Abschnitt des Einlassdurchlasses 21 strömungsabwärts zu der Drossel 33 auseinander. Die verzweigten Strecken 22 bilden Einlässe eines Einlasskrümmers, die nachstehend ebenso als EGR magere Gasstrecken bezeichnet werden. Jede EGR magere Gasstrecke 22, die in 1 zu sehen ist, führt zu dem Verwirbelungseinlasskanal 12 eines entsprechenden Zylinders 11. In den EGR mageren Gasstrecken 22 und dem Einlassdurchlass 21 befindet sich lediglich frische Luft oder ein Gemisch aus frischer Luft und einer Menge des EGR-Gases, das als Funktion einer Position eines EGR-Ventils 41 erzeugt wird. Das EGR-Gas ist, wie obenstehend beschrieben ist, eine Menge des Abgases, das von der Maschine 10 ausgestoßen wird. Das Gemisch der frischen Luft und des EGR-Gases wird nachstehend ebenso als ein EGR mageres Gas bezeichnet.
Ein Abgaskrümmer 23 ist ebenso mit jedem Zylinder 11 verbunden, um Abgase zu sammeln, die von den Zylindern 11 in einen Abgasdurchlasse 27 ausgestoßen werden.
Der Abgasdurchlass 27 weißt in sich eine Turbine 37 eines Turboladers (d. h. einen variablen Düsenturbo VNT) auf, um die Energie des Abgases rückzugewinnen. Der Abgasdurchlass 27 weißt ebenso eine Nachbehandlungsvorrichtung 38, die strömungsabwärts von der Turbine 37 angeordnet ist. Die Nachbehandlungsvorrichtung 38 wird beispielsweise durch einen Oxidationskatalysator, der CO oder HC, das in dem Abgas enthalten ist, oxidiert, oder durch einen DPF (Dieselpartikelfilter), der Feinstaub aus dem Abgas entfernt, realisiert.
Ein EGR-Durchlass 24 ist mit dem Abgaskrümmer 23 verbunden, um eine Menge des Abgases zurück in das Einlasssystem zu rezirkulieren. Der EGR-Durchlass 24 weist einen EGR-Kühler 34 und ein EGR-Ventil 35 auf, das in diesem angeordnet ist. Der EGR-Kühler 34 dient dazu, das EGR-Gas, das durch den EGR-Durchlass 24 strömt, zu kühlen. Das EGR-Ventil 35 dient dazu, die Strömungsrate des EGR-Gases zu regeln. Der EGR-Durchlass 24 weist verzweigte Strecken 25 auf, die von einem Abschnitt desselben, der strömungsabwärts des EGR-Ventils 35 liegt, auseinandergehen. Die verzweigten Strecken 25 führen zu den jeweiligen Zylindern 11 (korrekterweise zu dem Zylinderkopf). Die verzweigten Strecken 25 werden nachstehend ebenso als EGR reiche Gasstrecken bezeichnet. Jede EGR reiche Gasstrecke 25 steht mit dem Falleinlasskanal 13 von einem der Zylinder 11 in Verbindung. In den EGR reichen Gasstrecken 25 befindet sich Gas, das eine höhere Konzentration des EGR-Gases (d. h. die Konzentration des Abgases) aufweist, mit anderen Worten eine niedrigere Konzentration von Sauerstoff als dasjenige aufweist, das durch die EGR magere Gasstrecken 22 strömt (d. h. das EGR-magere Gas). Das Gas, das durch die EGR reichen Gasstrecken 25 strömt, wird nachstehend ebenso als ein EGR reiches Gas bezeichnet.
Das Maschinensystem 1 umfasst ebenso einen Verbindungsdurchlass 29, der eine Verbindung zwischen den Einlassdurchlass 21 und dem EGR-Durchlass 24 herstellt. Insbesondere verbindet der Verbindungsdurchlass 29 ein strömungsabwärtsliegendes Ende des Einlassdurchlasses 21, das strömungsaufwärts von den EGR-mageren Gasstrecken 22 positioniert ist, und ein strömungsabwärtsliegendes Ende des EGR-Durchlasses 24, das strömungsaufwärts von den EGR reichen Gasstrecken 25 positioniert ist. Der Verbindungsdurchlass 29 dient dazu, das EGR-Gas aus dem EGR-Durchlass 24 zu dem Einlassdurchlass 21 zuzuführen, oder die frische Luft aus dem Einlassdurchlass 21 zu dem EGR-Durchlass 24 zuzuführen, um ein Verhältnis zwischen einer Menge des Gases, das aus den Verwirbelungseinlasskanälen 12 in die Zylinder 11 eingelassen wird, und eine Menge des Gases, das aus den Falleinlasskanälen 16 in die Zylinder 11 eingelassen wird, auf einem gegebenen Wert beizubehalten, und eine gewünschte EGR-Rate zu erreichen. Die EGR-Rate, wie sie nachstehend bezeichnet wird, wird bestimmt, indem die Menge des EGR-Gases (d. h. des Abgases), das in den Zylindern 11 zugeführt wird, durch eine Gesamtmenge des Gases (d. h. die Summe aus der Menge der frischen Luft und der Menge des EGR-Gases), das in die Zylinder 11 eingesaugt wird, geteilt wird.
Jede von den EGR reichen Gasstrecken 25 weist ein Verwirbelungssteuerventil (SCV) 41 auf, das darin angeordnet ist, und dazu dient, die Strömungsrate des Gases in den EGR reichen Gastrecken 25 zu regeln, um die Stärke einer Verwirbelung (d. h. einer Gasströmung) in Übereinstimmung mit einem der Zylinder 11 zu steuern. Wenn die Öffnung des Verwirbelungssteuerungsventils 41 verringert wird, um die Strömungsrate des EGR reichen Gases zu verringern, resultiert das in einer Zunahme der Eigendynamik der Strömung des Gases, das durch den Verwirbelungseinlasskanal 12 in den Zylinder 11 eingesaugt wird, wodurch die Stärke der Verwirbelung des Gases in der Brennkammer erhöht wird. Wenn hingegen die Öffnung des Verwirbelungssteuerungsventils 41 vergrößert wird, um die Strömungsrate des EGR reichen Gases zu erhöhen, resultiert das in einer Abnahme der Eigendynamik der Strömung des Gases, das durch den Verwirbelungseinlasskanal 12 in den Zylinder 11 eingesaugt wird, wodurch die Stärke der Verwirbelung des Gases in der Brennkammer verringert wird. Die Verwirbelungssteuerventile 41 sind mit einem elektrischen Motor 42 verbunden. Der elektrische Motor 42 dient dazu, die Öffnungsposition der Verwirbelungssteuerventile 41 zu regeln.
Das Maschinensystem 1 ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, die dazu erforderlich sind, den Betrieb der Verbrennungsmaschine 10 zu steuern. Insbesondere ist in dem Einlassdurchlass 21 ein Einlasserdrucksensor 56 angeordnet, um den Druck des Gases (d. h. des EGR-mageren Gases) zu messen, das in die Zylinder 11 eingesaugt wird, das heißt, den Turboladerdruck P des Einlassgases. Ein Einlasslufttemperatursensor 57 ist ebenso in dem Einlassdurchlass 21 angeordnet, um die Temperatur T des Gases zu messen, das in die Zylinder 11 eingesaugt wird. Der EGR-Durchlass 24 weist in sich einen A/F-Sensor 58 auf, der dazu dient, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gases (d. h. des EGR-reichen Gases, also des Abgases), das durch den EGR-Durchlass 24 strömt, zu bestimmen. Der A/F-Sensor 58 ist dazu ausgelegt die Konzentration von O₂ zu messen, das in dem Abgas enthalten ist, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu berechnen. Anstelle des A/F-Sensors 58 kann ein O₂-Sensor verwendet werden, um lediglich die Konzentration des O₂ in dem Abgas zu bestimmen.
Das Maschinensystem 1 ist ebenso mit einem Geschwindigkeitssensor 52, einem Gaspedalpositionssensor 53, einem Luftströmungsmesser 54 und einem Einspritzdrucksensor 55 ausgestattet. Der Geschwindigkeitssensor 53 misst die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine 10. Der Gaspedalpositionssensor 53 misst die Position eines Gaspedals des Fahrzeugs, d. h. einer Betätigung des Fahrers an dem Gaspedal, die ein Maschinenmoment darstellt, das durch einen Fahrer des Fahrzeugs angefordert wird. Der Luftströmungsmesser 54 misst eine Strömungsrate der frischen Luft, die in die Zylinder 11 der Verbrennungsmaschine 10 eingelassen wird. Der Einspritzdrucksensor 55 misst den Druck des Kraftstoffs, der durch die Kraftstoffinjektoren 16 zerstäubt wird. Der Geschwindigkeitssensor 52 kann durch einen Kurbelwinkelsensor realisiert werden, der eine Kurbelposition (d. h. einen Kurbelwinkel) einer Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine 10 misst. Der Luftströmungsmesser 54 ist an dem Einlassdurchlass 21 angeordnet. Der Einspritzdrucksensor 55 ist beispielsweise in einem Common Rail beziehungsweise eine Sammelschiene (nicht dargestellt) angebracht, in dem Kraftstoff mit einem gesteuerten hohen Druck gesammelt wird, um den Druck des Kraftstoffs in dem Common Rail beziehungsweise der Sammelleitung zu messen.
Das Maschinensystem 1 ist mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 50 ausgestattet, die als ein Controller zum Überwachen von Ausgaben von den oben genannten Sensoren dient, um Öffnungs- oder Verschlusszeiten oder Öffnungspositionen der Ventile (d. h. des Verwirbelungssteuerventils 41, der Drossel 33, des EGR-Ventils 35, usw.) zu regeln, und ebenso zum Steuern des Betriebs der Kraftstoffinjektoren 16, um das Laufen der Maschine 10 zu steuern. Die ECU 50 wird durch einen typischen Computer realisiert, der mit einer CPU, einem ROM, einem RAM, usw. ausgestattet ist. Die ECU 50 ist ebenso mit einem Speicher 51, wie einem EEPROM oder einem Flash Speicher ausgestattet. Der Speicher 51 speichert darin logische Programme, die durch die ECU 50 ausgeführt werden sollen, und Kennfelder zur Verwendung in diesen, beispielsweise zum Steuern der Zerstäubung des Kraftstoffs aus den Kraftstoffinjektoren 16 und der Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 der Verbrennungsmaschine 10.
Die ECU 50 dient als ein Verwirbelungscontroller zum Regeln der Öffnungsposition der Verwirbelungssteuerventile 41, um die Stärke der Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 zu steuern, damit das Vermischen des Gases (d. h. Luft) und der Kraftstoffzerstäubung innerhalb der Zylinder 11 optimiert wird, um die Geschwindigkeit zu verbessern, mit welcher das Gemisch verbrannt wird, d. h., um die thermische Effizienz in der Verbrennungsmaschine 10 zu verbessern. Nachstehend wird diskutiert, wie die Steuerung der Verwirbelung in jedem der Zylinder 11 durch die ECU 50 gesteuert wird. 2 zeigt, wie sich Verbrennungsbereiche bei einer Änderung der Verwirbelung des Gases in dem Brennraum von jedem Zylinder 11 für unterschiedliche Geschwindigkeiten der Kraftstoffzerstäubung, die aus dem Kraftstoffinjektor 16 ausgestoßen wird, ändert. Insbesondere zeigt die 2 Verbrennungsbereiche 171 bis 174, in denen Kraftstoffzerstäubungen, die aus jedem der Kraftstoffinjektoren 16 ausgestoßen werden, in vier verschiedenen Zuständen zu der inneren Wand 111 des Zylinders 11 ausdehnen, in denen die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist und die Stärke der Verwirbelung des Gases niedrig ist, in denen die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist und die Stärke der Verwirbelung des Gases hoch ist, in denen die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung hoch ist und die Stärke der Verwirbelung des Gases niedrig ist, und in denen die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung hoch und die Stärke der Verwirbelung des Gases hoch ist.
Die Verbesserung der thermischen Effizienz in dem Zylinder 11 der Verbrennungsmaschine 10 erfordert ein schnelles Vermischen der Kraftstoffzerstäubung und des Gases in dem Zylinder 11, um die Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 zu erweitern. Der obere linke Sektor in 2 zeigt, dass, wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist und die Stärke der Strömung oder Verwirbelung des Gases niedrig ist, der Verbrennungsbereich 171 von jeder Kraftstoffzerstäubung klein ist, und kaum eine Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen 171 (d. h. zwischen zwei benachbarten Kraftstoffzerstäubungen) erzeugt wird. Wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist, bewirkt demzufolge eine Verstärkung der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11, dass jeder der Verbrennungsbereiche 171, die durch unterbrochene Linien 171 in dem unteren linken Sektor in 2 angezeigt sind, zu denjenigen erweitert werden, die durch eine unterbrochene Linie 172 ohne eine Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen 172 eingezeichnet sind. Das verbessert die Effizienz beim Verbrennen des Gemischs in dem Zylinder 11.
Die Verbrennungsbereiche 173, die in dem oberen rechten Sektor in 2 dargestellt sind, und erzeugt werden, wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung hoch ist, sind größer als diejenigen, wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist. Wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung hoch ist, ist zudem der Betrag, in dem die Kraftstoffzerstäubung von der Seitenwand 111 des Zylinders 11 zurückprallt, größer als wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist, wodurch eine Vergrößerung einer Überschneidung zwischen den benachbarten Kraftstoffzerstäubungen resultiert. Wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubungen hoch ist, und die Verbrennungsbereiche zunächst groß sind, wie diejenigen, die durch die unterbrochenen Linien 173 in dem unteren rechten Sektor in 2 dargestellt sind, bewirkt daher eine Vergrößerung der Stärke der Verwirbelung des Gases, dass die Verbrennungsbereiche weiter erweitert werden, wie durch durchgezogenen Linien 174 in dem unteren rechten Sektor in 2 dargestellt ist, was zu einer Zunahme einer Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen 174 (d. h. der benachbarten Kraftstoffzerstäubungen) führt, wie durch schraffierte Linien dargestellt ist. Wenn in diesem Fall die Beeinträchtigung der Verbrennungseffizienz, die aus der Zunahme der Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 resultiert, größer als die Verbesserung der Verbrennungseffizienz ist, die durch die Vergrößerung der Verbrennungsbereiche erreicht wird, führt das insgesamt zu einer Beeinträchtigung der Verbrennung des Gemischs in dem Zylinder 11.
3 zeigt, wie sich die Verbrennungsbereiche mit einer Änderung der Verwirbelung des Gases in dem Brennraum von jedem der Zylinder 11, die sich durch eine Änderung der Einspritzdauer ändert, in welcher der Kraftstoffinjektor 16 Kraftstoff in den Zylinder 11 einspritzt, verändert. Insbesondere zeigt 3 Verbrennungsbereiche 175 bis 178, in denen sich Kraftstoffzerstäubungen, die von dem Kraftstoffinjektor 16 zu der inneren Wand 111 des Zylinders 11 ausgestoßen werden, zu unterschiedlichen Langen der Einspritzdauer ausdehnen. Der obere linke Sektor in 3 zeigt, dass, wenn die Einspritzdauer kurz ist und die Stärke der Verwirbelung des Gases niedrig ist, der Verbrennungsbereich 175 von jeder der Kraftstoffzerstäubungen klein ist, sodass kaum eine Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen 175 (d. h. zwischen zwei benachbarten Kraftstoffzerstäubungen) erzeugt wird. Wenn die Einspritzdauer kurz ist und die Verbrennungsbereiche 175 klein sind, verursacht demzufolge eine Verstärkung der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11, dass die Verbrennungsbereiche 175, die durch die unterbrochenen Linien in dem unteren linken Sektor in 3 angezeigt sind, erweitert werden zu denjenigen, die durch unterbrochene Linien 176 ohne eine Überschneidung zwischen den benachbarten Kraftstoffzerstäubungen eingezeichnet sind. Das verbessert die Effizienz der Verbrennung des Gemischs in dem Zylinder 11.
Die Verbrennungsbereiche 177, die in dem oberen rechten Sektor in 3 dargestellt sind und erzeugt werden, wenn die Einspritzdauer langer ist, sind größer als diejenigen, wenn die Einspritzdauer kurz ist. Wenn die Einspritzdauer lang ist, ist zudem der Betrag, um den die Kraftstoffzerstäubungen von der Seitenwand 111 des Zylinders 11 zurückprallen, größer als wenn die Einspritzdauer kurz ist, was zu einer Zunahme einer Überschneidung zwischen den benachbarten Kraftstoffzerstäubungen führt. Wenn die Einspritzdauer lang ist und die Verbrennungsbereiche zunächst groß sind, wie diejenigen die durch unterbrochene Linien 177 in dem unteren rechten Sektor in 3 dargestellt sind, bewirkt eine Zunahme der Stärke der Verwirbelung des Gases daher, dass die Verbrennungsbereiche weiter erweitert werden, wie durch die durchgezogenen Linien 178 angezeigt ist, was zu einer Zunahme einer Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen 177 (d. h. den benachbarten Kraftstoffzerstäubungen) führt, wie durch schraffierte Linien dargestellt ist. Wenn in diesem Fall die Beeinträchtigung der Verbrennungseffizienz, die aus der Zunahme der Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 resultiert, größer als die Verbesserung der Verbrennungseffizienz ist, die durch die Zunahme in den Verbrennungsbereichen erreicht wird, führt das insgesamt zu einer Beeinträchtigung der Verbrennung des Gemisches in dem Zylinder 11.
4 ist ein Graph, der Ergebnisse von Tests einer Änderung des Grads des konstanten Volumens der Verbrennung in Reaktion auf eine Änderung des Volumens des Einlassgases (d. h., einer Dichte des Gases in dem Zylinder 11) darstellt, wenn die Einspritzdauer kurz ist. 5 ist ein Graph, der Ergebnisse von Tests einer Änderung des Grads des konstanten Volumens der Verbrennung bei einer Änderung des Volumens des Einlassgases darstellt, wenn die Einspritzdauer lang ist. In den 4 und 5 zeigt eine Linie, die schwarze rautenförmige Plots durchlauft, das Verhältnis zwischen dem Grad des konstanten Volumens der Verbrennung und dem Volumen des Einlassgases in dem Fall, bei dem das Vermischungsverhältnis niedrig ist, d. h., die Stärke der Verwirbelung des Gases niedrig ist, während eine Linie, die schwarze quadratische Plots durchläuft, den Fall darstellt, bei dem das Verwirbelungsverhältnis groß ist, d. h., die Stärke der Verwirbelung des Gases hoch ist. Der Grad des konstanten Volumens der Verbrennung, wie es hier bezeichnet ist, ist durch ein Integral eines Abfalls der thermischen Effizienz gegeben, das mit einer Bewegung des Kolbens hinweg von dem TDC in Bezug auf eine gesamte Verbrennungsdauer in dem Fall auftritt, bei dem die thermische Effizienz so definiert ist, dass sie eine in jenem konstanten-Volumen-Zyklus ist (ebenso als Ottozyklus bezeichnet), in dem Kraftstoff an dem oberen Totpunkt (TDC) verbrannt wird. Mit anderen Worten zeigt ein höherer Grad des konstanten Volumens der Verbrennung eine höhere thermische Effizienz und eine höhere Geschwindigkeit der Verbrennung (d. h., eine höhere Rate der Verbrennung) des Kraftstoffs in dem Zylinder 11 an. Das Verwirbelungsverhältnis ist ein Parameter, der ein Verhältnis der Geschwindigkeit der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11 zu der Geschwindigkeit der Maschine 11 anzeigt, d. h., die Anzahl der Umdrehungen der Verwirbelung pro Zeiteinheit für die Auf- und Abbewegung des Kolbens in dem Zylinder 11.
4 zeigt, dass, wenn die Einspritzdauer kurz ist, eine Zunahme der Stärke der Verwirbelung des Gases (d. h., Zunahme des Verwirbelungsverhältnisses) zu einer Zunahme des Grads des konstanten Volumens der Verbrennung führt (d. h., der thermischen Effizienz und der Geschwindigkeit der Verbrennung). Wie bereits in Bezug auf 3 diskutiert ist, liegt das daran, dass, wenn die Einspritzdauer kurz ist, die Verbrennungsbereiche vergrößert werden, ohne dass die Überschneidung zwischen benachbarten Kraftstoffzerstäubungen durch Verstärken der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11 vergrößert wird. 4 zeigt ebenso, dass, wenn das Volumen des Einlassgases zunimmt, eine Rate einer Zunahme des Grads des konstanten Volumens der Verbrennung, die aus einer Zunahme der Stärke der Verwirbelung des Gases entsteht, zunimmt. Das liegt daran, dass, wie nachstehend mit Bezug auf die Gleichung (1) ausführlich beschrieben wird, je größer das Volumen des Einlassgases ist (d. h., die Dichte des Gases in dem Zylinder), desto niedriger die Geschwindigkeit der Einspritzung des Kraftstoffs ist, jedoch wenn die Geschwindigkeit der Einspritzung des Kraftstoffs niedrig ist, die Verbrennungsbereiche vergrößert werden ohne die Überschneidung zwischen benachbarten Kraftstoffeinspritzungen durch Verstärkung der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11 zu vergrößern.
Wenn hingegen die Einspritzdauer lang ist, wie in 5 dargestellt ist, führt die Zunahme der Stärke der Verwirbelung des Gases (d. h. Zunahme des Verwirbelungsverhältnisses) zu einer Abnahme des Grads des konstanten Volumens der Verbrennung. Wie bereits in Bezug auf 3 diskutiert ist, liegt das daran, dass, wenn die Einspritzdauer lang ist, eine Verstärkung der Verwirbelung des Gases in einer Vergrößerung der Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen (d. h., benachbarten Kraftstoffzerstäubungen) in dem Zylinder 11 resultiert, was zu der Beeinträchtigung der Verbrennung des Kraftstoffs in dem Zylinder 11 führt.
Wie aus der oben stehenden Diskussion hervorgeht, erfordert ein gutes Vermischen der Kraftstoffzerstäubung und des Gases in dem Zylinder 11 zur Beschleunigung der Verbrennungsgeschwindigkeit, eine Steuerung der Stärke der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11 in Abhängigkeit des Zustands der Kraftstoffzerstäubung (d. h., der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubungen oder der Einspritzdauer der Kraftstoffzerstäubungen), oder des Zustands des Gases (d. h., der Dichte des Gases) in dem Zylinder 11. Die ECU 50 ist daher dazu ausgelegt, eine Verwirbelungsanpassung zu erreichen, um die Stärke der Strömung des Gases (d. h., die Stärke der Verwirbelung des Gases) in dem Zylinder 11 als Funktion der oben genannten Zustände zu ändern. 6 ist ein Flussdiagramm eines Ablaufs von logischen Schritten oder eines Verwirbelungssteuerprogramms, das durch die ECU 50 ausgeführt werden soll, um die Verwirbelungsanpassung durchzuführen. Dieses Programm wird zeitgleich mit einem Start der Verbrennungsmaschine 10 begonnen und bis zu einem Stopp der Verbrennungsmaschine 10 in einem gegebenen Intervall ausgeführt.
Nach Einleitung des Programms setzt die Routine bei Schritt S11 fort, wobei die ECU 50 einen derzeitigen Verbrennungszustand erlangt, um die Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 zu bestimmen. Die Verbrennungsbereiche, die obenstehend beschrieben sind, hängen von dem Zustand der Kraftstoffzerstäubungen ab, die aus den Injektoren 16 ausgestoßen werden, und dem Zustand des Gases in dem Zylinder 11. Insbesondere erlangt die ECU 50 Parameter, welche die Zustande der Kraftstoffzerstäubungen und die Zustande des Gases in dem Zylinder 11 als die derzeitigen Verbrennungszustände darstellen. Beispielsweise erlangt die ECU 50 kraftstoffeinspritzungsbezogene Parameter, wie den Druck, bei dem Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor 16 in den Zylinder 11 eingespritzt wird (nachstehend ebenso als Einspritzdruck bezeichnet), die Menge des eingespritzten Kraftstoffs, die Einspritzzeit (d. h., einen Winkel der Kurbelwelle der Verbrennungsmaschine 10 (d. h., der Kurbelwinkel), wenn der Kraftstoff in die Verbrennungsmaschine 10 eingespritzt wird), die Einspritzdauer (d. h., einen Bereich des Kurbelwinkels, in dem Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 16 zerstäubt wird). Der Einspritzdruck wird unter Verwendung des Einspritzdrucksensors 55 gemessen, der in 1 gezeigt ist. Die Einspritzmenge, die Einspritzzeit und die Einspritzdauer können durch Werte gegeben sein, die durch die ECU 50 berechnet werden, um einen optimalen Betriebszustand der Verbrennungsmaschine 10 als Funktion der Parameter, wie der Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine 10 und der Last der Verbrennungsmaschine 10 (die Position des Gaspedals des Fahrzeugs) zu erreichen. Die kraftstoffeinspritzungsbezogenen Parameter stellen die Zustande der Kraftstoffzerstäubungen dar.
In Fig. S11 erlangt die ECU 50 ebenso einlassgasbezogene Parameter, wie den Druck des Einlassgases (d. h., Turboladerdruck des Gases in dem Zylinder 11), die Temperatur des Einlassgases, die Konzentration von O₂ des Gases, das in den Zylinder 11 eingelassen wird, und das Verwirbelungsverhältnis. Der Druck des Einlassgases wird durch den Einlassdrucksensor 56 gemessen. Die Temperatur des Einlassgases wird durch den Einlasslufttemperatursensor 57 gemessen. Die Konzentration des O₂ des Gases (d. h., die Konzentration von O₂ in der Brennkammer des Zylinders 11) wird als Funktion des Prozentsatzes des Sauerstoffs in dem Einlassgas (ungefähr 21%), der Menge des Einlassgases, des Prozentsatzes des Sauerstoffs in dem EGR-Gas (d. h., Abgas), das in den Zylinder 11 eingelassen wird, und des Volumens des EGR-Gases berechnet. Die Menge des Einlassgases wird durch den Luftströmungsmesser 54 gemessen. Der Prozentsatz des Sauerstoffs in dem EGR-Gas wird basierend auf einem Luft-Kraftstoffverhältnis in dem EGR-Durchlass 24, das durch den A/F-Sensor 58 gemessen wird, bestimmt. Das Volumen des EGR-Gases wird als Funktion einer Öffnungsposition des EGR-Ventils 35 bestimmt.
Das Verwirbelungsverhältnis steht üblicherweise in Korrelation mit der Öffnungsposition des SCV 41. Je weniger das SCV 41 geöffnet ist, desto größer ist insbesondere das Verwirbelungsverhältnis. Ein Verhältnis zwischen der offenen Position des SCV 41 und dem Wert des Verwirbelungsverhältnisses ist daher vorbestimmt und in dem Speicher 51 gespeichert. In Schritt S11 bestimmt die ECU 50 das Verwirbelungsverhältnis durch Heraussuchen unter Verwendung des Verhältnisses, das in dem Speicher 51 als Funktion der derzeitigen Öffnungsposition des SCV 41 gespeichert ist. Die einlassgasbezogenen Parameter, die oben stehend beschrieben sind, stellen den Zustand des Gases in dem Zylinder 11 dar.
In Schritt S11 erlangt die ECU 50 ebenso einen maschinenbezogenen Parameter, wie die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine 10. Die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine 10 wird durch den Maschinengeschwindigkeitssensor 52 gemessen und dazu verwendet, die Geschwindigkeit einer Verwirbelung des Gases zu berechnen, wie sie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine 10 wird ebenso als ein gaszustandsbezogener Parameter verwendet, der den Zustand des Gases in den Zylindern 11 darstellt. Die ECU 50 dient als ein Erlangungsmittel zum Durchführen der Vorgänge in Schritt S11.
Die Routine setzt bei Schritt S12 fort, wobei die Verbrennungsbereiche einer Mehrzahl von Kraftstoffzerstäubungen, die aus dem Kraftstoffinjektor 16 in den Zylinder 11 ausgestoßen werden, als eine Funktion der Verbrennungszustände berechnet werden, wie aus Schritt S11 hervorgeht. Insbesondere hängen die Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11, wie oben bereits beschrieben ist, von den Verbrennungszuständen ab, die in Schritt S11 erlangt werden. Kennfelder, die Verhältnisse zwischen den Verbrennungsbereichen und den Verbrennungszuständen auflisten (d. h., die kraftstoffeinspritzungsbezogenen Parameter, die einlassgasbezogenen Parameter und die maschinenbezogenen Parameter) sind experimentell hergeleitet und in dem Speicher 51 gespeichert. Die ECU 50 bestimmt die Verbrennungsbereiche durch Heraussuchen unter Verwendung der Kennfelder, die in dem Speicher 51 als Funktion der Verbrennungszustände bereitgehalten werden, wie aus Schritt S11 in diesem Programmausführungszyklus hergeleitet wird.
Die Verbrennungsbereiche, die mit Bezug auf 2 beschrieben sind, hängen ebenso von der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubungen und der Stärke der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11 ab. Die Verbrennungsbereiche können anderenfalls in Schritt S12 als Funktion der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubungen, die aus dem Kraftstoffinjektor 16 ausgestoßen werden, und der Stärke der Verwirbelung des Gases in dem Zylinder 11, anstelle unter Verwendung der Kennfelder berechnet werden, wie obenstehend beschrieben ist. Beispielsweise wird die Geschwindigkeit w_f der Kraftstoffzerstäubung, die in den Zylinder 11 ausgestoßen wird, übereinstimmend mit der untenstehenden Gleichung (1) berechnet. 7 ist ein Diagramm, das ein Muster einer Zerstäubung des Kraftstoffs, der aus jedem der Kraftstoffinjektoren 16 ausgestoßen wird, zeigt und einige Parameter in Gl. (1) darstellt.
wobei ρ_f die Dichte des Kraftstoffs ist, ρ_α die Dichte des Gases ist (d. h., Luft) innerhalb des Zylinders 11, d der Durchmesser eines Zerstäubungslochs des Injektors 16 ist (siehe 7), wo eine Anfangsgeschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung an einem Auslass des Zerstäubungslochs des Kraftstoffinjektors 16 ist, θ ein Zerstäubungswinkel (siehe 7) ist und x ein Abstand ist, von dem angenommen wird, dass die Kraftstoffzerstäubung von dem Kraftstoffinjektor 16 diese von dem Zerstäubungsloch in einer Zerstäubungsrichtung, in welche die Kraftstoffzerstäubung ausläuft, zurücklegt, und stellt die Position der Kraftstoffzerstäubung in Bezug zu dem Zerstäubungsloch des Kraftstoffinjektors 16 dar. Der Zerstäubungswinkel θ kann durch Heraussuchen unter Verwendung eines Kennfelds, das eine Richtung des Zerstäubungswinkels zu dem Einspritzdruck Pc und der Gasdichte darstellt, berechnet werden. Gl. (1) basiert auf „Studies on the Penetration of Fuel Spray of Diesel Engine" in der Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers 25(156), 820, 1959, die durch Yutaro Wakuri, Masaru Fujii, Tatsuo Amitani und Reijiro Tsuneya verfasst wurde.
Zunächst werden in Schritt S11 die Parameter, die in Gl. (1) verwendet werden, hergeleitet, um die Geschwindigkeit w_f der Kraftstoffzerstäubung zu berechnen. Insbesondere ist in dem Speicher 51 die Kraftstoffdichte ρ_f, der Durchmesser d des Zerstäubungslochs des Kraftstoffinjektors 16 und der Zerstäubungswinkel θ gespeichert. Die Gasdichte ρ_α wird übereinstimmend mit dem Gesetz des idealen Gases von PV = nRT (d. h., Gleichung (2)) berechnet, wobei P der Druck des Einlassgases ist (d. h., Gas des Turboladers), T die Temperatur des Einlassgases ist, R eine Gaskonstante ist, n die Molzahl des Gases in dem Zylinder 11 ist, und V das Volumen des Gases in dem Zylinder 11 ist, d. h. das Volumen der Brennkammer zu der Einspritzzeit, wenn Kraftstoff in dem Zylinder 11 zerstäubt wird. Das Gasvolumen V kann als Funktion der Einspritzzeit berechnet werden, wie aus Schritt S11 abgeleitet wird. Insbesondere nimmt das Gasvolumen V (d. h., das Volumen der Brennkammer in dem Zylinder 11) zu der Einspritzzeit üblicherweise ab, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt annähert. Das Gasvolumen V nimmt hingegen zu der Einspritzzeit zu, wenn sich der Kolben von dem oberen Totpunkt hinweg bewegt. Dieses Verhältnis zwischen der Einspritzzeit und dem Gasvolumen V wird experimentell hergeleitet und in dem Speicher 51 gespeichert. Die ECU 50 berechnet das Gasvolumen V in dem Schritt S12 durch heraussuchen unter Verwendung des Verhältnisses, das in dem Speicher 51 als Funktion des derzeitigen Werts des Einspritzzeitpunkts gespeichert ist.
Durch Umformen der oben genannten Gl. (2), wird n/V = P/RT erreicht (d. h., Gleichung (3)), wobei n/V die Dichte des Gases ist. Die Dichte des Gases wird insbesondere hergeleitet durch Umwandeln der Molzahl n in ein Gewicht und durch Dividieren des Gewichts durch das Gasvolumen V. Durch Substituieren des Drucks P des Einlassgases, der Temperatur T des Einlassgases und des Gasvolumens V in der Gleichung (3), wird die Dichte des Gases in dem Zylinder 11 erlangt.
Die Anfangsgeschwindigkeit wo der Kraftstoffzerstäubung an dem Auslass des Zerstäubungslochs des Kraftstoffinjektors 16 ist durch die nachfolgende Mündungsströmungsratenberechnung gegeben.
wobei c ein gegebener Strömungsratenkoeffizient ist, P_c der Einspritzdruck ist, P_cyl der Druck in dem Zylinder 11 ist (d. h., der Brennkammer), und ρ_f die Dichte des Kraftstoffs ist. Der Einspritzdruck P_c wird aus Schritt S11 hergeleitet. Der Strömungsratenkoeffizient P_c und die Kraftstoffdichte ρ_f können durch feste Werte gegeben sein, die vorbestimmt und in dem Speicher 51 gespeichert sind. Der Druck P_cyl kann unter Verwendung des Poisson-Gesetztes PV_γ = const., das ein Verhältnis zwischen dem Druck P des Gases, das adiabatisch komprimiert wird, und dem Volumen V desselben ist, mathematisch bestimmt werden, wobei y ein spezifisches Wärmeverhältnis ist.
Wenn der Druck in dem Zylinder 11 und das Volumen in dem Zylinder 11 (d. h., der Brennkammer) beim Start des Kompressionstakts (d. h., beim Ende des Ansaugtaktes) in der Verbrennungsmaschine 10 jeweils als P1 und V1 definiert sind, und der Druck in dem Zylinder 11 und das Volumen des Zylinders 11 (d. h. der Brennkammer) zu der Zeit der Einspritzung des Kraftstoffs (d. h. zum Start der Verbrennung des Kraftstoffs) jeweils als P2 und V2 definiert sind, ist insbesondere ein Verhältnis von P1·V1γ = P2·V2γ (d. h. Gleichung (5)) gemäß dem Poisson-Gesetz erfüllt. Durch Umformen der Gleichung (5) wird die Gleichung (6) erlangt bei der P2 = P1·(V1/V2)γ ist. Durch Substituieren der Werte des Drucks P1 und des Volumens V1 zu Beginn des Kompressionstakts, durch die Werte von V2 zur Einspritzzeit und des spezifischen Wärmeverhältnisses γ in der Gl. (6), wird der Wert des Drucks P2 erlangt (d. h., der Druck P_cyl in dem Zylinder 11 in der Gl. (4)). Der Druck P1 kann durch den Druck des Einlassgases gegeben sein, der durch den Einlassdrucksensor gemessen wird. Das Volumen V1 ist das Volumen in dem Zylinder 11 (d. h., der Brennkammer), wenn der Kolben an dem unteren Totpunkt, liegt und kann durch einen vorbestimmten festen Wert gegeben sein. Das Volumen V2 kann, wie obenstehend in der Berechnung der Gasdichte beschrieben ist, als Funktion der Einspritzzeit bestimmt werden. Das spezifische Wärmeverhältnis γ ist durch einen vorbestimmen Wert gegeben. Der Druck P_cyl in dem Zylinder 11 kann anderenfalls unter Verwendung eines Drucksensors bestimmt werden, der in dem Zylinder 11 angebracht ist.
Gl. (1) zeigt, dass die Geschwindigkeit w_f der Kraftstoffzerstäubung, die in den Zylinder 11 ausgestoßen wird, mit einer Zunahme der Anfangsgeschwindigkeit wo der Kraftstoffzerstäubung zunimmt und mit einer Abnahme der Gasdichte ρ_α abnimmt. Wenn mit anderen Worten der Einspritzdruck hoch ist (d. h. die Anfangsgeschwindigkeit wo der Kraftstoffzerstäubung hoch ist), und die Gasdichte ρ_α niedrig ist, ist die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung (d. h., die Geschwindigkeit, mit der sich die Kraftstoffzerstäubung in dem Zylinder 11 ausdehnt) hoch, sodass der Verbrennungsbereich weit ist. Wenn hingegen der Einspritzdruck niedrig ist (d. h. die Anfangsgeschwindigkeit wo der Kraftstoffzerstäubung niedrig ist), und die Gasdichte ρ_α hoch ist, ist die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung niedrig, sodass der Verbrennungsbereich schmal ist.
Durch Substituieren von anderen Parametern als dem Abstand oder der Position x der Kraftstoffzerstäubung in die Gl. (1) wird eine Gleichung erlangt, welche die Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung als Funktion der Position x der Kraftstoffzerstäubung von dem Kraftstoffinjektor 16 darstellt. 8 ist eine Ansicht, die darstellt, wie der Kraftstoffbereich 17 als Funktion der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung berechnet wird. Der Verbrennungsbereich 17 ist ein Bereich, der durch die Kraftstoffzerstäubung eingenommen wird, die aus dem Kraftstoffinjektor 16 in dem Zylinder 11 ausgestoßen wird. In 8 ist die Geschwindigkeit w_f der Kraftstoffzerstäubung an die gegebenen Positionen x aus dem Kraftstoffinjektor 16, wie gemäß der Gl. (1) hergeleitet wird, durch Vektoren (Pfeile) auf einer x-Achse (d. h. einer Richtung, in der die Kraftstoffzerstäubung ausläuft) eingezeichnet.
Gl. (1) stellt die Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung dar, wenn in dem Zylinder 11 keine Verwirbelung erfolgt. Um die Verbrennungsbereiche hinsichtlich der Verwirbelung in dem Zylinder 11 zu berechnen, wird die Geschwindigkeit w_s der Verwirbelung an der Position x der Kraftstoffzerstäubung aus dem Kraftstoffinjektor 16 zunächst gemäß der nachstehenden Gleichung (7) berechnet. W_s = x 360NE / 60 π / 180SR(7) wobei NE die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine 10 ist, und SR das Verwirbelungsverhältnis ist. Die Geschwindigkeit NE und das Verwirbelungsverhältnis SR werden aus Schritt S11 abgeleitet.
Gl. (7) zeigt, dass, je größer die Position x der Kraftstoffzerstäubung ist (d. h., je näher sich die Kraftstoffzerstäubung an die Umgebung des Zylinders 11 annähert), desto größer ist die Geschwindigkeit der Verwirbelung. In 8 werden die Geschwindigkeiten der Verwirbelung an den gegebenen Positionen x, die gemäß der Gl. (7) berechnet werden, durch Vektoren (d. h. Pfeile) ausgedrückt, die in einer Richtung orientiert sind, in der sich die Verwirbelung bewegt (d. h., senkrecht zu der x-Achse). Unter Verwendung der Geschwindigkeiten der Kraftstoffzerstäubung und der Geschwindigkeit der Verwirbelung an gegebenen Positionen x, wird bestimmt, wie die Kraftstoffzerstäubung in dem Zylinder 11 fortschreitet nachdem sie von dem Kraftstoffinjektor 16 ausgestoßen wird, wodurch der Verbrennungsbereich 17 für jede Kraftstoffzerstäubung erlangt wird, die durch den Kraftstoffinjektor 16 erzeugt wird.
Der Verbrennungsbereich, der unter Verwendung des oben beschriebenen Kennfelds oder als Funktion der Geschwindigkeiten der Kraftstoffzerstäubung und der Verwirbelung berechnet wird, dehnt sich mit einer Zunahme der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung aus, wie bereits in Bezug auf 2 beschrieben ist, oder mit einer Zunahme der Einspritzdauer, wie mit Bezug auf 3 beschrieben ist. Die Einspritzmenge steht üblicherweise mit der Einspritzdauer in Korrelation. Insbesondere ist die Einspritzmenge größer je länger die Einspritzdauer ist. Der Verbrennungsbereich ist daher mit einer Zunahme der Einspritzmenge erhöht. Je höher der Einspritzdruck ist, desto höher ist die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung (siehe Gleichungen (1) und (4)). Daher nimmt der Verbrennungsbereich mit einer Zunahme des Verbrennungsdrucks zu. Je niedriger die Dichte des Gases in dem Zylinder 11 ist, desto größer ist die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung (Gl. 1). Der Verbrennungsbereich nimmt daher mit einer Abnahme der Dichte des Gases in dem Zylinder 11 zu. Die ECU 50 dient als ein Berechnungsmittel zur Durchführung des Vorgangs in Schritt S12, um die Größe der Verbrennungsbereiche in der oben beschriebenen Weise zu berechnen.
Die Routine setzt bei Schritt S13 fort, wobei eine Zerstäubungsüberschneidung bestimmt wird, die ein Grad der Überlappung zwischen zwei benachbarten Verbrennungsbereichen der Kraftstoffzerstäubung ist, die aus dem Kraftstoffinjektor 16 ausgestoßen werden, wie sie in Schritt S12 berechnet wird. Die Zerstäubungsüberschneidung ist durch die Größe eines Bereichs definiert, der durch schraffierte Linien in 2 und 3 dargestellt ist. Der obere linke Sektor in 2 und 3 stellt die Verbrennungsbereiche als voneinander getrennte Bereiche ohne eine Überschneidung dar, um eine Unterscheidung zwischen denselben und anderen Verbrennungsbereichen, die unter anderen Zuständen erzeugt werden, zu betonen, allerdings überschneiden sich die Verbrennungsbereiche üblicherweise unter allen Bedingungen in dem Zylinder 11 ein wenig. Die Zerstäubungsüberschneidung, die in Schritt S13 berechnet wird, ist daher größer als null. Die ECU 50 dient als Zerstäubungsüberschneidungsberechnungsmittel zum Durchführen des Vorgangs in Schritt S13, um den Grad der Überschneidung oder eine Seite einer Fläche der Überlappung zwischen den Kraftstoffzerstäubungen in den Verbrennungsbereichen zu berechnen.
Die Routine setzt bei Schritt S14 fort, wobei ein Schwellenwert eingestellt wird, der zur Bestimmung verwendet wird, ob die Zerstäubungsüberschneidung, die in Schritt S13 hergeleitet wird, ungewünscht groß ist oder nicht. Der Schwellenwert wird als ein Wert ausgewählt, der einen Grad der Überlappung zwischen Kraftstoffzerstäubungen in Sollverbrennungsbereichen darstellt, die benachbart zueinander angeordnet sind, und bei denen davon ausgegangen wird, dass sie eine optimale thermische Effizienz erreichen.
9 ist ein Graph, der darstellt, wie der Schwellenwert in Schritt S14 bestimmt wird. Der Graph stellt insbesondere dar, wie die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs (d. h., der Grad des konstanten Volumens der Verbrennung) sich mit einer Änderung der Stärke einer Verwirbelung in dem Zylinder 11 verändert, wenn einerseits die Konzentration von O₂ in dem Zylinder 11 (d. h., die Konzentration von O₂ des Einlassgases) hoch ist und wenn sie andererseits niedrig ist. Der Graph zeigt, dass die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs mit einer Zunahme der Stärke der Verwirbelung von einem niedrigen Level derselben zunächst graduell zunimmt. Das liegt daran, dass die Zunahme der Stärke der Verwirbelung zu einer Zunahme der Verbrennungsbereiche führt. Eine weitere Zunahme der Stärke der Verwirbelung führt jedoch zu einem Abfall der Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs. Das liegt daran, dass eine zusätzliche Zunahme der Stärke der Verwirbelung, wenn die Verbrennungsbereiche relativ groß sind, wie mit Bezug auf den unteren rechten Sektor in 2 und 3 bereits beschrieben wurde, zu einer Zunahme der Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen führt (d. h., den benachbarten Kraftstoffzerstäubungen). Das bewirkt, dass die Beeinträchtigung der Verbrennungseffizienz, die aus der Zunahme der Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 resultiert, die Verbesserung der Verbrennungseffizienz, die durch die Zunahme der Verbrennungsbereiche erreicht wird, überwiegt.
Der Unterschied in der Konzentration von O₂ in dem Zylinder 11 führt, wie in 9 zu sehen ist, ebenso zu einer Verschiebung des Werts der Stärke der Verwirbelung zu einer Zeit, wenn die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt (d. h., der Wert der Stärke und der Verwirbelung, wenn der Grad des konstanten Volumens der Verbrennung maximiert ist). Insbesondere wenn die Konzentration von O₂ groß ist, ist der Wert der Stärke der Verwirbelung zu der Zeit, zu der die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs von einer Zunahme zu einer Abnahme wechselt, groß, im Vergleich dazu, wenn die Konzentration von O₂ klein ist. Das liegt daran, dass, wenn die Konzentration von O₂ groß ist, eine Menge des O₂ ausreicht, um Kraftstoffzerstäubungen in einer Überschneidungsfläche zwischen den Verbrennungsbereichen zu verbrennen ohne die Beeinträchtigung der Verbrennungseffizient zu verursachen, selbst wenn die Überschneidungsfläche relativ groß ist. Mit anderen Worten, wenn die Konzentration von O₂ klein ist, resultiert eine Zunahme der Überschneidungsfläche zwischen den Verbrennungsbereichen in einem Mangel der Menge von O₂, die zum Verbrennen der Kraftstoffzerstäubungen in der Überschneidungsfläche erforderlich ist, sodass der Wert der Stärke der Verwirbelung zu der Zeit, zu der die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs von einer Zunahme zu einer Abnahme wechselt, klein ist, im Vergleich dazu, wenn die Konzentration von O₂ groß ist.
Wenn die horizontale Achse des Graphs in 9 geändert wird, um die Zerstäubungsüberschneidung darzustellen (d. h, der Grad der Überschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen), zeigt der Graph, dass, wenn die Konzentration von O₂ in dem Zylinder 11 groß ist, der Grad der Überlappung zwischen den Verbrennungsbereichen, der die optimale Verbrennungsgeschwindigkeit, das heißt den Schwellenwert erreicht, groß ist, im Vergleich dazu, wenn die Konzentration von O₂ in dem Zylinder 11 klein ist. Demzufolge wird in Schritt S14 ein Verhältnis in 10 zwischen dem schnellen Wert (d. h., dem Grad der Überschneidung zwischen den Sollverbrennungsbereichen) und der Konzentration von O₂ in dem Speicher 51 in der Form eines Kennfelds gespeichert. Das Verhältnis zeigt, dass, je größer die Konzentration von O₂ ist, desto größer ist der Schwellenwert. Die ECU 50 bestimmt den Schwellenwert, der in Schritt S14 verwendet werden soll, durch Heraussuchen unter Verwendung des Kennfeldes, das in dem Speicher 51 als eine Funktion der Konzentration von O₂ des Einlassgases, das in Schritt S11 bestimmt wird, gespeichert ist. Die ECU 50 dient als ein Schwellenwertbestimmer zum Durchführen des Vorgangs S14.
Die Routine schreitet zu Schritt S15 fort, wobei bestimmt wird, ob die Zerstäubungsüberschneidung, die in Schritt S13 hergeleitet wird, kleiner als der Schwellenwert ist, der in Schritt S14 bestimmt wird, oder nicht. Falls eine JA-Antwort erlangt wird, was bedeutet, dass die Zerstäubungsüberschneidung kleiner als der Schwellenwert ist, setzt die Routine danach bei Schritt S16 fort, wobei die SCVs 41 in einer Schließrichtung bewegt werden, um die Stärke der Verwirbelung in den Zylindern 11 zu erhöhen. Falls insbesondere die Zerstäubungsüberschneidung, die in Schritt S13 bestimmt wird, X1 ist, schließt die ECU 50 die SCVs 41, wie in 11 gezeigt ist, um einen Betrag, zur Erzeugung einer zusätzlichen Stärke einer Verwirbelung, wie durch ”Y1” in 11 angezeigt ist, in jedem der Zylinder 11, um eine Differenz zwischen der Zerstäubungsüberschneidung X1 und dem Schwellenwert auszugleichen. Der Speicher 51 speichert in sich das Verhältnis zwischen der Zerstäubungsüberschneidung und der Stärke der Verwirbelung, wie in 11 dargestellt ist. In Schritt S16 oder S18, die später beschrieben werden, bestimmt die ECU 50 eine zusätzliche Stärke der Verwirbelung, die erforderlich ist, um die Differenz zwischen der Zerstäubungsüberschneidung X1 und dem Schwellenwert zu beseitigen, durch Heraussuchen unter Verwendung des Verhältnisses der 11, die in dem Speicher 51 gespeichert ist. Die Zunahme der Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 dehnt die Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 auf die Sollverbrennungsbereiche aus. Wenn in Rückbezug auf die 2 und 3 die Stärke der Verwirbelungen in Schritt S16 erhöht wird, bewirkt das, dass die Verbrennungsbereiche in jedem der Zylinder 11 von solchen in dem oberen linken Sektor auf solche in dem unteren linken Sektor aus den 2 und 3 geändert werden. Hierdurch wird die thermische Effizienz in der Verbrennungsmaschine 10 verbessert. Danach wird die Routine beendet.
Falls andererseits eine NEIN-Antwort in Schritt S15 erlangt wird, was bedeutet, dass die Zerstäubungsüberschneidung größer oder gleich dem Schwellenwert ist, setzt die Routine bei Schritt S17 fort, wobei bestimmt wird, ob die Zerstäubungsüberschneidung größer als der Schwellenwert ist oder nicht. Falls eine JA-Antwort erlangt wird, was bedeutet, dass die Zerstäubungsüberschneidung größer als der Schwellenwert ist, setzt die Routine danach bei Schritt S18 fort, wobei die SCVs 41 in eine Öffnungsrichtung bewegt werden, um die Stärke der Verwirbelung in dem Zylinder 11 zu verringern. Insbesondere regelt die ECU 50 die Öffnung der SCVs 41, um die Zerstäubungsüberschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen in dem Zylinder 11 mit denjenigen zwischen den Soll-verbrennungsbereichen (d. h., dem Schwellenwert) in Einklang zu bringen. Falls die Zerstäubungsüberschneidung, die in Schritt S13 bestimmt wird, X2 ist, die in 11 gezeigt ist, ändert die ECU 50 die Öffnungspositionen der SCVs 41 um einen Betrag, zur Verringerung der Stärke der Verwirbelung in jedem der Zylinder 11 um einen Betrag, wie durch ”Y2” in 11 angezeigt ist, um eine Differenz zwischen der Zerstäubungsüberschneidung X2 und dem Schwellenwert auszugleichen. Das bewirkt, dass die Zerstäubungsüberschneidung zwischen den Verbrennungsbereichen in jedem der Zylinder 11 auf diejenige zwischen den Sollverbrennungsbereichen verringert wird. Wenn in Rückbezug auf die 2 und 3 die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 verringert wird, bewirkt das, dass die Verbrennungsbereiche in jedem der Zylinder 11 von denjenigen in dem unteren rechten Sektor auf diejenigen des oberen rechten Sektors in den in jeder der 2 und 3 geändert werden. Das verbessert die thermische Effizienz in der Verbrennungsmaschine 10. Danach wird die Routine beendet. Die ECU 50 dient als ein Bestimmungsmittel zum Durchführen der Vorgänge in den Schritten S13 bis S15 und S17.
Wenn anderenfalls eine NEIN-Antwort in Schritt S17 erlangt wird, was bedeutet, dass die Zerstäubungsüberschneidung gleich dem Schwellenwert ist, setzt die Routine danach bei Schritt S19 fort, wobei die geöffneten Positionen der SCVs 41 beibehalten werden wie sie sind. Das bewirkt, dass die Verbrennungsbereiche in jedem der Zylinder 11 passend zu den Sollverbrennungsbereichen beibehalten werden, ohne dass die Stärke der Verwirbelung, mit anderen Worten eine Beeinträchtigung der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylindern 11, geändert wird. Nach Schritt S19 wird die Routine beendet. Die ECU 50, welche die Vorgänge in den Schritten S16, S18 und S19 und den SCVs 41 durchführt, dient als ein Verwirbelungsregler.
Wie obenstehend beschrieben ist, steuern die Schritte S16 oder S18 die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11, um die Zerstäubungsüberschneidung mit dem Schwellenwert in Einklang zu bringen. Die Verbrennungsbereiche, die in Schritt S12 berechnet werden, und die Sollverbrennungsbereiche hängen von den Parametern ab (d. h., dem Zustand der Kraftstoffzerstäubung und dem Zustand des Gases in den Zylindern 11), wie es in den Schritten S16 oder S18 hergeleitet wird. Das bedeutet, dass die Verwirbelungssteuerung in Schritt S16 oder S18 als eine Funktion der oben genannten Parameter erreicht wird. Insbesondere dient die ECU 50 zum Steuern der Verwirbelung des Gases in jedem der Zylinder 11 in Abhängigkeit von zumindest einem der Parameter, die in den 12 bis 17 dargestellt sind. 12 zeigt ein Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung und der Stärke einer Verwirbelung. 13 zeigt ein Verhältnis zwischen dem Druck, bei dem Kraftstoff in den Zylindern 11 zerstäubt wird, und der Stärke der Verwirbelung. 14 zeigt ein Verhältnis zwischen der Einspritzdauer, in welcher der Kraftstoff in den Zylindern 11 zerstäubt wird, und der Stärke einer Verwirbelung. 15 zeigt ein Verhältnis zwischen der Menge des Kraftstoffs, die in den Zylindern 11 zerstäubt werden soll, und der Stärke einer Verwirbelung. 16 zeigt ein Verhältnis zwischen der Dichte des Gases in den Zylindern 11 und der Stärke einer Verwirbelung. 17 zeigt ein Verhältnis zwischen der Konzentration von O₂ in den Zylindern 11 und der Stärke einer Verwirbelung.
Wenn beispielsweise die Stärke einer Verwirbelung in jedem der Zylinder 11 als Funktion der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung, die in dem Zylinder 11 ausgestoßen wird, gesteuert wird, wie in 12 gezeigt ist, erhöht die ECU 50 mit einer Abnahme der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung die Stärke der Verwirbelung. Das liegt daran, dass, wie in 2 bereits diskutiert wurde, je niedriger die Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung ist, desto kleiner der Verbrennungsbereich ist, wohingegen, je höher die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung ist, desto größer der Verbrennungsbereich ist, wodurch die thermische Effizienz in dem Zylinder 11 verbessert wird. Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann daher die ECU 50 mit einer Verringerung der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 verbessern. Wenn es anderenfalls erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 zu verringern, kann die ECU 50 mit einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 senken.
Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann die ECU 50 ebenso, wie in 13 gezeigt ist, mit einer Verringerung des Einspritzdrucks die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 verbessern. Das liegt daran, dass die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubung, wie aus den Gleichungen (1) und (2) ersichtlich ist, mit einer Abnahme des Kraftstoffdrucks abnimmt. Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann das die ECU 50 daher mit einer Verringerung des Einspritzdrucks vornehmen. Wenn es anderenfalls erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 zu verringern, kann die ECU 50 mit einer Erhöhung des Einspritzdrucks die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 senken.
Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann die ECU 50 ebenso, wie in 14 gezeigt ist, mit einer Verringerung der Einspritzdauer die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 verbessern. Das liegt daran, dass die Verbrennungsbereiche, wie bereits mit Bezug auf 3 diskutiert wurde, mit einer Abnahme der Einspritzdauer abnehmen, und eine Zunahme der Verbrennungsbereiche durch eine Stärkung der Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 erreicht wird. Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann das die ECU 50 daher mit einer Abnahme der Einspritzdauer vornehmen. Wenn es anderenfalls erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 zu verringern, kann die ECU 50 mit einer Zunahme der Einspritzdauer die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 abschwächen.
Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann die ECU 50 ebenso, wie in 15 dargestellt ist, mit einer Verringerung der Einspritzmenge die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 verbessern. Das liegt daran, dass die Einspritzdauer mit einer Abnahme der Einspritzmenge abnimmt. Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann das die ECU 50 daher mit einer Abnahme der Einspritzmenge vornehmen. Wenn es anderenfalls erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 zu verringern, kann die ECU 50 mit einer Zunahme der Einspritzmenge die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 abschwächen.
Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann die ECU 50 ebenso, wie in 16 gezeigt ist, mit einer Zunahme der Dichte des Gases in den Zylindern 11 die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 verbessern. Das liegt daran, dass die Geschwindigkeit einer Kraftstoffzerstäubung, wie der Gl. (1) entnommen werden kann, mit einer Zunahme der Dichte des Gases abnimmt. Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann das die ECU 50 daher mit einer Erhöhung der Dichte des Gases vornehmen. Wenn es anderenfalls erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 zu verringern, kann die ECU 50 mit einer Verringerung der Dichte das Gases die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 abschwächen.
Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann die ECU 50 ebenso, wie in 17 dargestellt ist, mit einer Erhöhung der Konzentration von O₂ in den Zylindern 11 die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 verbessern. Das liegt daran, dass je höher die Konzentration von O₂ in den Zylindern 11 ist, wie bereits in den 9 und 10 diskutiert wurde, desto größer die Zerstäubungsüberschneidung (d. h., der Schwellenwert) zwischen den Sollverbrennungsbereichen ist, wodurch es erforderlich wird, die Stärke einer Verwirbelung in dem Zylinder 11 zu verbessern, um die Verbrennungsbereiche zu erweitern, damit die Zerstäubungsüberschneidung erlangt wird. Wenn es erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S16 zu erhöhen, kann das die ECU 50 mit einer Erhöhung der Konzentration von O₂ in dem Zylinder 11 vornehmen. Wenn es anderenfalls erforderlich ist, die Stärke der Verwirbelung in Schritt S18 zu verringern, kann die ECU 50 mit einer Verringerung der Konzentration von O₂ in dem Zylinder 11 die Verwirbelung des Gases in den Zylindern 11 abschwächen.
Wie obenstehend beschrieben ist, kann die ECU 50 dazu ausgelegt sein, wenigstens eine von den Verhältnissen zwischen der Stärke einer Verwirbelung in den Zylindern 11 und den Parametern in den 12 bis 17 zu verwenden, um die Stärke einer Verwirbelung in den Zylindern 11 anstatt das Verhältnis in 11 zu regeln, damit die Verbrennungsbereiche in den Zylindern 11 mit den Sollverbrennungsbereichen in Einklang gebracht werden, um die thermische Effizienz in der Verbrennungsmaschine 10 zu verbessern.
Die Gasströmungssteuervorrichtung in dieser Ausführungsform ist, wie der obenstehenden Diskussion zu entnehmen ist, dazu ausgelegt, die Stärke einer Verwirbelung in jedem der Zylinder 11 basierend auf einem Vergleich zwischen der Berechnung der Verbrennungsbereiche in dem Zylinder 11 und den Sollverbrennungsbereichen (d. h., dem Schwellenwert) zu regeln, damit das Gemisch aus Kraftstoffzerstäubung und Gas, das in den Zylinder 11 eingelassen wird, optimiert wird, wodurch die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs in den Zylinder 11 verbessert wird. Das ermöglicht, dass der Kraftstoff schnell verbrannt wird, wenn der Kolben an dem oberen Totpunkt in dem Zylinder 11 liegt, was zu einer Verbesserung des Grads des konstanten Volumens der Verbrennung (d. h., der thermischen Effizienz) führt. Insbesondere dient die Gasströmungssteuervorrichtung dazu, die Stärke der Verwirbelung in dem Zylinder 11 zu steuern, so dass die berechneten Verbrennungsbereiche mit den Sollverbrennungsbereichen in Einklang gebracht werden, wodurch die thermische Effizienz in dem Zylinder 11 optimiert wird. Die Gasströmungssteuervorrichtung berechnet den Grad der Überschneidung oder Überlappung zwischen den berechneten Verbrennungsbereichen in dem Zylinder 11 und diejenige zwischen den Sollverbrennungsbereichen und vergleicht diese, wodurch die Ausführbarkeit erleichtert wird, mit der bestimmt wird, ob die Größe der berechneten Verbrennungsbereiche größer als diejenige der Sollverbrennungsbereiche ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, um das Verständnis derselben zu erleichtern, sollte berücksichtigt werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen ausgeführt werden kann, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass sie alle möglichen Modifikationen der gezeigten Ausführungsform umfasst, die ausgeführt werden können, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen, das in den angehängten Ansprüchen angeführt ist.
Beispielsweise steuert die ECU 50 unter Verwendung der SCVs 140 die Stärke der Verwirbelung in den Zylindern 11 auf den Sollwert bzw. passt sie darauf an, allerdings kann sie es in anderer Weise vornehmen. Insbesondere kann die Anpassung der Stärke der Verwirbelung erreicht werden, indem die Zeit, zu welcher der Betrag, um den die Einlassventile 14 zwischen dem Verwirbelungseinlasskanal 12 und dem Falleinlasskanal 13 geöffnet werden sollen, differenziert wird. Beispielsweise wird die Stärke der Verwirbelung in den Zylindern 11 erhöht, indem das Einlassventil 14 in dem Falleinlasskanal 13 enger geschlossen wird als dasjenige in dem Verwirbelungseinlasskanal 12. Diese Art der Anpassung der Stärke der Verwirbelung beseitigt das Erfordernis der SCVs 41. Die Anpassung der Stärke der Verwirbelung kann anderenfalls erreicht werden, wie es in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung JP 62-45931 in dem einleitenden Teil dieser Anmeldung diskutiert ist, indem ein Nebenkanal ausgebildet ist, der zu einem Ende eines Verwirbelungseinlasskanals (d. h. eines Hauptkanals) führt und zu diesem abgewinkelt ist, und die Strömungsrate des Gases, das durch den Nebenkanal in dem Zylinder der Maschine zugeführt wird, regelt.
Die Gasströmungssteuervorrichtung vergleicht den Draht der Überschneidung zwischen den berechneten Verbrennungsbereichen mit dem Schwellenwert in Schritt S15 oder S17, um zu bestimmen, ob die Stärke der Verwirbelung erhöht oder verringert werden soll, allerdings kann sie dazu ausgelegt sein, die Größe des berechneten Verbrennungsbereichs mit derjenigen eines Sollverbrennungsbereichs zu vergleichen. Beispielsweise wird ein Bereich einer Kraftstoffzerstäubung in dem Zylinder 11, in dem die thermische Effizienz in dem Verbrennungszustand optimiert ist, wie in Schritt S11 hergeleitet wird, als der Sollverbrennungsbereich definiert. Die Größe (z. B. eine Fläche) des Sollverbrennungsbereichs wird mit derjenigen des Verbrennungsbereichs, der in Schritt S12 berechnet wird, verglichen. Wenn die Größe des berechneten Verbrennungsbereichs kleiner als diejenige des Sollausgangsbereichs ist, verbessert die ECU 50 die Stärke der Verwirbelung in dem Zylinder 11. Wenn anderenfalls die Größe des berechneten Verbrennungsbereichs größer als diejenige des Sollausgangsbereichs ist, verringert die ECU 50 die Stärke der Verwirbelung in dem Zylinder 11. Wenn die Größe des berechneten Verbrennungsbereichs gleich derjenigen des Sollverbrennungsbereichs ist, behält die ECU 50 die Stärke der Verwirbelung in dem Zylinder 11 bei wie sie ist.
Die Verbrennungsmaschine 10 der oben genannten Ausführungsform ist mit den Verwirbelungseingangskanälen 12 und den Falleinlasskanälen 13 ausgestattet, allerdings kann die Gasströmungssteuervorrichtung mit anderen Typen von Verbrennungsmaschinen verwendet werden, die lediglich mit den Verwirbelungskanälen 12 oder typischen Einlasskanälen ausgestattet sind, die nicht die Verwirbelung oder den Fall des Gases in die Zylinder derselben erzeugen.
Die Gasströmungssteuervorrichtung der oben genannten Ausführungsform dient dazu, den Betrag zu ändern, um den die Stärke der Verwirbelung (d. h. die Öffnungsposition der SCVs 41) als Funktion einer Differenz zwischen dem Grad der Überschneidung zwischen den berechneten Verbrennungsbereichen und dem Schwellenwert (d. h. einer Differenz oder einer Abweichung zwischen den berechneten Verbrennungsbereichen und den Sollverbrennungsbereichen) modifiziert werden sollte, allerdings kann sie dazu ausgelegt sein, den oben genannten Betrag ungeachtet der Differenz konstant beizubehalten. Auch das ermöglicht es, die berechneten Verbrennungsbereiche mittels der Anpassung der Stärke der Verwirbelung nahe an die Sollverbrennungsbereiche zu bringen.
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 62-45931 [0002, 0084]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Studies on the Penetration of Fuel Spray of Diesel Engine” in der Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers 25(156), 820, 1959, die durch Yutaro Wakuri, Masaru Fujii, Tatsuo Amitani und Reijiro Tsuneya [0056]

Claims

Gasströmungssteuervorrichtung für eine Verbrennungsmaschine, aufweisend: ein Strömungsstärkensteuermittel (41, 50) zum Steuern einer Stärke einer Strömung des Gases innerhalb eines Zylinders einer Verbrennungsmaschine (10), in den Kraftstoff eingespritzt wird, um Kraftstoffzerstäubungen zu erzeugen und in dem Kraftstoffzerstäubungen verbrannt werden, um ein Drehmoment zu erzeugen; ein Erlangungsmittel (S11) zum Erlangen eines Parameters, der einem Zustand des Gases zugeordnet ist, und eines Parameters, der einem Zustand der Kraftstoffzerstäubungen innerhalb des Zylinders zugeordnet ist; ein Berechnungsmittel (S12) zum Berechnen von Verbrennungsbereichen der Kraftstoffzerstäubungen als Funktion des Zustands des Gases und des Zustands der Kraftstoffzerstäubungen, die durch das Erlangungsmittel erlangt werden; und ein Bestimmungsmittel (S13 bis S15, S17) zum Bestimmen, ob die Verbrennungsbereiche, die durch das Berechnungsmittel berechnet werden, eine kleinere Größe als Sollverbrennungsbereiche haben oder nicht, wobei, wenn bestimmt wird, dass die Verbrennungsbereiche kleiner als Sollverbrennungsbereiche sind, das Strömungsstärkensteuermittel (S16, S18) dazu dient, die Stärke der Strömung des Gases zu erhöhen, wohingegen, wenn bestimmt wird, dass die Verbrennungsbereiche größer als Sollverbrennungsbereiche sind, das Strömungsstärkensteuermittel (S16, S18) dazu dient, die Stärke der Strömung des Gases zu verringern.
Gasströmungssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Berechnungsmittel eine Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubungen als Funktion der Parameter, die dem Zustand des Gases und dem Zustand der Kraftstoffzerstäubungen zugeordnet sind, bestimmt, und wobei das Berechnungsmittel bestimmt, dass die Verbrennungsbereiche größer sind, wenn die Geschwindigkeit der Kraftstoffzerstäubungen größer ist.
Gasströmungssteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erlangungsmittel eine Einspritzdauer des Kraftstoffs als den Parameter erlangt, der dem Zustand der Kraftstoffzerstäubungen zugeordnet ist, und wobei das Berechnungsmittel bestimmt, dass die Verbrennungsbereiche größer sind, wenn die Einspritzdauer, die durch das Erlangungsmittel erlangt wird, länger ist.
Gasströmungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bestimmungsmittel ein Zerstäubungsüberschneidungsberechnungsmittel (S13) umfasst zum Berechnen einer Zerstäubungsüberschneidung, die ein Grad der Überschneidung zwischen den Kraftstoffzerstäubungen in den Brennbereichen ist, wobei das Bestimmungsmittel (S15, S17) bestimmt, ob die Zerstäubungsüberschneidung größer als ein Schwellenwert ist oder nicht, der einen Grad der Überschneidung zwischen den Sollverbrennungsbereichen darstellt, und wobei das Strömungsstärkensteuermittel die Stärke der Strömung des Gases innerhalb des Zylinders erhöht, wenn bestimmt wird, dass die Zerstäubungsüberschneidung kleiner als der Schwellenwert ist, wohingegen das Strömungsstärkensteuermittel die Stärke der Strömung des Gases innerhalb des Zylinders verringert, wenn bestimmt wird, dass die Zerstäubungsüberschneidung größer als der Schwellenwert ist.
Gasströmungssteuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Erlangungsmittel eine Konzentration von O₂ in dem Zylinder der Verbrennungsmaschine als den Parameter erlangt, der dem Zustand des Gases zugeordnet ist, und wobei das Bestimmungsmittel ein Schwellenwertbestimmungsmittel (S14) umfasst zum Bestimmen, dass der Schwellwert größer ist, wenn die Konzentration von O₂ größer ist.
Gasströmungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strömungsstärkensteuermittel bei einer Zunahme der Differenz zwischen den Verbrennungsbereichen, die durch das Berechnungsmittel berechnet werden, und den Sollverbrennungsbereichen, einen Betrag erhöht, um den die Stärke der Strömung des Gases erhöht oder verringert wird.
Gasströmungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strömungsstärkensteuermittel die Stärke der Strömung des Gases in dem Zylinder, die erhöht oder verringert werden soll, als Funktion des Parameters, der dem Zustand des Gases zugeordnet ist, und des Parameters, der dem Zustand der Kraftstoffzerstäubungen zugeordnet ist, die durch das Erlangungsmittel erlangt werden, bestimmt.
Gasströmungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, wenn die berechneten Verbrennungsbereiche zu den Sollverbrennungsbereichen passen, das Strömungsstärkensteuermittel (S19) die Stärke der Strömung des Gases beibehält wie sie ist.
Gasströmungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Strömungsstärkensteuermittel eine Stärke einer Verwirbelung, die in dem Zylinder erzeugt wird, als die Stärke der Strömung des Gases in dem Zylinder steuert.