DE102017117781A1

DE102017117781A1 - Motor mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE102017117781A1
Application number: DE102017117781.7A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Ota; Yoshihisa NOU; Akira Kageyama
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2037-08-05
Also published as: JP6299819B2; US20180038306A1; JP2018025111A; US10100775B2; DE102017117781B4

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzventil wird dazu veranlasst, Kraftstoff in einer späteren Hälfte eines Verdichtungshubs derart einzuspritzen, dass eine Kraftstoffkonzentration unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in einem Bereich mit niedriger Last, in dem die Motorlast niedriger als eine vorbestimmte eingestellte Bezugslast ist, in einem mittleren Teil eines Brennraums höher ist als in einem äußeren peripheren Teil davon. Eine Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil wird derart gesteuert, dass eine Schließzeit des Ansaugventils in dem Bereich mit niedriger Last in einem Fall, in dem die Motordrehzahl hoch ist, im Vergleich mit einem Fall, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung nach früh verschoben wird, und Ansaugluft innerhalb eines Zylinders mindestens in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, zu einem Ansaugstutzen zurückgeblasen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit Direkteinspritzung, der mit einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder versehen ist, in dem ein Kolben hin- und her bewegbar angeordnet ist.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmlich besteht bei einem Motor der Bedarf, Energieverluste zu reduzieren, d. h. Kühlverluste, die mit der Freisetzung von Wärmeenergie des Verbrennungsgases aus einer Wandfläche eines Brennraums nach außerhalb des Motors verbunden sind, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern.
Zum Beispiel offenbart die ungeprüfte japanische Patentdruckschrift Nr. 2013-194712 einen Motor, bei dem eine Verbrennungsgeschwindigkeit einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht durch Zusetzen von Ozon zu der in einen Brennraum eingebrachten Ansaugluft erhöht wird, um so die Verbrennung zu beenden, bevor die Flamme eine Wandfläche des Brennraums erreicht. Bei Verwendung des Motors ist es möglich, das Freisetzen von Wärmeenergie nach außerhalb des Motors über eine Wandfläche eines Brennraums wegen des Kontakts einer Flamme mit hoher Temperatur mit der Wandfläche des Brennraums zu verhindern.
In dem in der ungeprüften japanischen Patentdruckschrift Nr. 2013-194712 offenbarten Motor ist es notwendig, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon innerhalb eines Ansaugrohrs oder dergleichen zu installieren, um der Ansaugluft Ozon zuzusetzen. Dies kann den Aufbau des Motors verkomplizieren und kann nachteilig sein, was die Kosten betrifft. Im Hinblick auf Obiges besteht ein Bedarf für die Reduzierung der Kühlverluste mit einer vereinfachten Konfiguration. Weiterhin wird auch bei dem in der ungeprüften japanischen Patentdruckschrift Nr. 2013-194712 offenbarten Motor in einem Fall, in dem Ansaugluft vor dem Start der Verbrennung innerhalb eines Brennraums entlang einer Wandfläche des Brennraums strömt, eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht in der Nähe der Wandfläche des Brennraums erzeugt, und folglich ist es nicht möglich, einen Kontakt des Verbrennungsgases mit der Wandfläche des Brennraums in ausreichender Weise zu vermeiden.
Darstellung der Erfindung
Im Hinblick auf Obiges ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit Direkteinspritzung zu schaffen, der es ermöglicht, die durch Kontakt des Verbrennungsgases mit einer Wandfläche eines Brennraums bewirkten Kühlverluste vorteilhaft zu reduzieren.
Um die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen, ist die vorliegende Erfindung auf einen Motor mit Direkteinspritzung gerichtet, der mit einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder versehen ist, in dem ein Kolben hin- und her bewegbar angeordnet ist. Der Motor mit Direkteinspritzung weist einen in einer Deckenfläche des Brennraums geöffneten Ansaugstutzen, der dazu ausgebildet ist, Ansaugluft in den Zylinder einzuführen, ein Ansaugventil, das dazu ausgebildet ist, einen Öffnungsteil des Ansaugstutzens zu öffnen und zu schließen, ein Kraftstoffeinspritzventil, das auf der Deckenfläche des Brennraums angebracht und dazu ausgebildet ist, Kraftstoff zu einer Kronenfläche des Kolbens einzuspritzen, eine Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil, die dazu ausgebildet ist, das Ansaugventil zu öffnen und zu schließen und eine Schließzeit des Ansaugventils zu ändern, eine Einspritzsteuereinheit, die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoffeinspritzventil zu veranlassen, Kraftstoff in einer späteren Hälfte eines Verdichtungshubs derart einzuspritzen, dass eine Kraftstoffkonzentration in einem Bereich mit niedriger Last, in dem eine Motorlast niedriger als eine vorbestimmte eingestellte Bezugslast ist, unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in einem mittleren Teil des Brennraums höher als in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums ist, und eine Ventilsteuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil derart zu steuern, dass eine Schließzeit des Ansaugventils in einem Fall, in dem eine Motordrehzahl hoch ist, im Vergleich mit einem Fall, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, in dem Bereich mit niedriger Last auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung nach früh verschoben wird, und dass Ansaugluft innerhalb des Zylinders mindestens in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, zu dem Ansaugstutzen zurückgeblasen wird.
Gemäß dem Motor mit Direkteinspritzung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Kraftstoffeinsparung durch wirksames Reduzieren von Kühlverlusten mit einer vereinfachten Konfiguration zu erhöhen.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Motorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Motorkörpers,
3 ist eine schematische Draufsicht einer Deckenfläche eines Brennraums,
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils,
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem eines Motors zeigt,
6 ist ein Diagramm, das einen Betriebsbereich des Motors zeigt,
7 ist ein Diagramm, das einen Ventilhub eines Ansaugventils zum Beschreiben einer Schließzeit des Ansaugventils zeigt,
8 ist ein Diagramm, das schematisch eine innerhalb eines Brennraums gebildete Kraftstoff-Luft-Gemischschicht zeigt,
9A bis 9C sind Diagramme, die eine Beziehung zwischen einem Einspritzmuster und einer Form einer Kraftstoff-Luft-Gemischschichtsschicht in einem Bereich mit niedriger Last zeigen, wobei 9A ein Diagramm in einem ersten Einspritzmodus ist, 9B ein Diagramm in einem Zwischen-Einspritzmodus ist, und 9C ein Diagramm in einem zweiten Einspritzmodus ist,
10A bis 10D sind Diagramme, die schematisch eine Ansaugströmung innerhalb eines Zylinders in einem Fall zeigen, in dem eine Schließzeit eines Ansaugventils auf einer nach spät verschobenen Seite liegt, wobei 10A ein Diagramm ist, das einen Zustand vor einem unteren Totpunkt für die Ansaugung zeigt, 10B ein Diagramm ist, das einen Zustand nach dem unteren Totpunkt für die Ansaugung zeigt, unmittelbar bevor ein Ansaugventil geschlossen wird, 10C ein Diagramm ist, nachdem das Ansaugventil geschlossen wurde, und 10D ein Diagramm ist, das einen Zustand in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung zeigt,
11 ist ein Diagramm zum Beschreiben einer Beziehung zwischen einer Schließzeit eines Ansaugventils und einer Verteilung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht,
12 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Schließzeit eines Ansaugventils und einer Motordrehzahl in einem Bereich mit niedriger Last zeigt,
13A bis 13D sind Diagramme, die schematisch eine Ansaugströmung innerhalb eines Zylinders in der Ausführungsform zeigen, wobei 13A ein Diagramm ist, das einen Zustand vor einem unteren Totpunkt für die Ansaugung zeigt, 13B ein Diagramm nach dem unteren Totpunkt für die Ansaugung ist, unmittelbar bevor ein Ansaugventil geschlossen wird, 13C ein Diagramm ist, das einen Zustand zeigt, nachdem das Ansaugventil geschlossen wurde, und 13D ein Diagramm ist, das einen Zustand in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung zeigt,
14A und 14B sind Diagramme, die ein Ergebnis einer numerischen Berechnung einer Ansaugströmung innerhalb eines Zylinders zeigen, wobei 14A ein Ergebnis der vorliegenden Erfindung zeigt, und 14B ein Ergebnis eines Vergleichsbeispiel zeigt, und
15A und 15B sind Diagramme, die eine Temperaturverteilung des Verbrennungsgases zeigen, wobei 15A eine Temperaturverteilung der vorliegenden Erfindung zeigt, und 15B eine Temperaturverteilung des Vergleichsbeispiels zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
(1) Allgemeine Konfiguration des Motorsystems
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Motorsystems zeigt, bei dem ein Motor mit Direkteinspritzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Das Motorsystem der Ausführungsform weist einen 4-Takt-Motorkörper 1, einen Ansaugkanal 30, der dazu ausgebildet, Luft für die Verbrennung in den Motorkörper 1 einzuführen, einen Abgaskanal 40, der dazu ausgebildet ist, in dem Motorkörper 1 erzeugtes Abgas abzuführen, und eine Abgasrückführung (AGR) 50 auf, die dazu ausgebildet ist, einen Teil des Abgases in die Ansaugluft zurückzuführen. Der Motorkörper 1 ist zum Beispiel ein 4-Zylinder-Motor mit vier Zylindern 2. Obwohl der Typ von Kraftstoff, der dem Motorkörper 1 zuzuführen ist, nicht eingeschränkt ist, wird in der Ausführungsform ein auf Benzin basierter Kraftstoff verwendet. Das Motorsystem ist in einem Fahrzeug eingebaut, und der Motorkörper 1 wird als Antrieb für das Fahrzeug verwendet.
Ein Luftfilter 31, ein Drosselventil 32 und ein Schwallbehälter 33 sind in dem Ansaugkanal 30 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite aus vorgesehen. Luft, die durch diese Elemente hindurchtritt, wird in den Motorkörper 1 eingebracht.
Das Drosselventil 32 ist dazu ausgebildet, den Ansaugkanal 30 zu öffnen und zu schließen. Es wird angemerkt, dass in der Ausführungsform das Drosselventil 32 im Wesentlichen während eines Betriebs des Motors in einem völlig geöffneten Zustand oder in einem Öffnungsgrad nahe dem völlig geöffneten Zustand gehalten wird. Das Drosselventil 32 wird nur in einem bestimmten Betriebszustand, wie z. B. einer Zeit, wenn der Motor abgeschaltet ist, zum Schließen des Ansaugkanals 30 geschlossen.
Eine Katalysator-Vorrichtung 41, die einen Dreiweg-Katalysator oder dergleichen enthält und dazu ausgebildet ist, das Abgas zu reinigen, ist in dem Abgaskanal 40 vorgesehen.
Die Abgasrückführung 50 weist einen AGR-Kanal 51, ein AGR-Ventil 52, das dazu ausgebildet ist, den AGR-Kanal 51 zu öffnen und zu schließen, und einen AGR-Kühler 53 auf. Der AGR-Kanal 51 stellt eine Verbindung zwischen einem mit Bezug auf die Katalysator-Vorrichtung 41 stromaufwärtigen Teil des Abgaskanals 40 und einem mit Bezug auf das Drosselventil 32 (in dem in 1 gezeigten Beispiel der Schwallbehälter 33) stromabwärtigen Teil des Ansaugkanals 30 her. Ein Teil des durch den Abgaskanal 40 strömenden Abgases wird durch den AGR-Kanal 51 in den Ansaugkanal 30 zurückgeführt. Die Menge des in den Ansaugkanal 30 zurückgeführten Abgases, d. h. die Menge von AGR-Gas wird durch den Öffnungsgrad des AGR-Ventils 52 eingestellt. Der AGR-Kühler 53 ist dazu ausgebildet, das AGR-Gas zu kühlen. Nach dem Kühlen durch den AGR-Kühler 53 wird das AGR-Gas in den Ansaugkanal 30 zurückgeführt.
(2) Konfiguration des Motorkörpers
Als nächstes wird eine Konfiguration des Motorkörpers 1 beschrieben.
2 ist eine Schnittansicht, die einen Teil des Motorkörpers 1 vergrößert zeigt. Im Folgenden wird eine in 2 gezeigte Oben/Unten-Richtung einfach als Oben/Unten-Richtung bezeichnet, und eine obere Seite in 2 und eine untere Seite in 2 werden einfach als obere Seite und untere Seite bezeichnet.
Wie in 2 gezeigt, weist der Motorkörper 1 einen Zylinderblock 3, in dem die Zylinder 2 ausgebildet sind, einen Zylinderkopf 4, der auf einer oberen Fläche des Zylinderblocks 3 ausgebildet ist, und Kolben 5 auf, die jeweils in den Zylindern 2 hin- und herbewegbar angeordnet sind.
Ein Brennraum 8 ist über dem Kolben 5 gebildet. Insbesondere ist der Brennraum 8 durch eine Wandfläche (eine Innenfläche) des Zylinders 2, eine Kronenfläche 6 des Kolbens 5 und eine untere Fläche des Zylinderkopfes 4 definiert. Der Brennraum 8 ist vom sogenannten Pultdachtyp, bei dem der Brennraum 8 von dem äußeren Umfang zur Mitte hin nach oben ansteigt. Eine Deckenfläche 8a des Brennraums 8 (eine untere Fläche des Zylinderkopfes 4) hat eine Form eines Dreiecksdachs, bestehend aus zwei geneigten Fläche, d. h. einer Fläche auf der Ansaugseite, wo ein zu beschreibendes Ansaugventil 13 angebracht ist, und einer Fläche auf der Abgasseite, wo ein zu beschreibendes Abgasventil 14 angebracht ist.
Eine nach unten vorstehende Mulde 7 ist in einem Bereich der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 einschließlich eines Mittelteils davon ausgebildet. Genauer gesagt, ist ein nach oben ausgewölbter Teil auf der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 derart gebildet, dass der ausgewölbte Teil den Mittelteil der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 umgibt. Die Mulde 7 ist innerhalb des ausgewölbten Teils definiert. Die Mulde 7 ist derart ausgebildet, dass sie ein Volumen aufweist, das einen großen Teil des Brennraums 8 ausmacht, wenn der Kolben 5 zum oberen Totpunkt angehoben wird. Ein äußerer peripherer Teil der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 mit Bezug auf den ausgewölbten Teil, nämlich ein äußerer peripherer Teil mit Bezug auf die Mulde 7 erstreckt sich allgemein entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8, wenn der Kolben 5 zum oberen Totpunkt angehoben wird.
In der Ausführungsform wird ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Motorkörpers 1, in anderen Worten, ein Verhältnis zwischen einem Volumen des Brennraums 8 in einem Fall, in dem der Kolben 5 den unteren Totpunkt erreicht, und einem Volumen des Brennraums 8 in einem Fall, in dem der Kolben 5 den oberen Totpunkt erreicht, auf nicht kleiner als 17, aber nicht größer als 35 eingestellt (z. B. etwa 25).
Ein Ansaugstutzen 11 zum Zuführen von Luft von dem Ansaugkanal 30 in den Zylinder 2 und ein Auslassstutzen 12 zum Abführen des in dem Zylinder 2 erzeugten Verbrennungsgases in den Abgaskanal 40 sind in dem Zylinderkopf 4 ausgebildet. Sowohl der Ansaugstutzen 11 als auch der Auslassstutzen 12 ist in der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 geöffnet. Die Öffnungsteile des Ansaugstutzens 11 und des Auslassstutzens 12 werden jeweils durch das Ansaugventil 13 und das Abgasventil 14 geöffnet und geschlossen. Insbesondere weist der Zylinderkopf 4 das Ansaugventil 13, das dazu ausgebildet ist, einen Öffnungsteil des in der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 ausgebildeten Ansaugstutzens 11 zu öffnen und zu schließen, und das Abgasventil 14 auf, das dazu ausgebildet ist, einen Öffnungsteil des in der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 ausgebildeten Auslassstutzens 12 zu öffnen und zu schließen.
In der Ausführungsform sind jeweils zwei Ansaugstutzen 11 und jeweils zwei Auslassstutzen 12 mit Bezug auf einen Zylinder 2 gebildet. Wie in 3 (einer schematischen Draufsicht der Deckenfläche 8a des Brennraums 8) gezeigt, sind jeweils zwei Ansaugstutzen 11 und jeweils zwei Auslassstutzen 12 in der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 geöffnet. Weiterhin sind jeweils zwei Ansaugventile 13 und jeweils zwei Abgasventile 14 an einem Zylinder 2 gebildet. Darüber hinaus sind die Ansaugventile 13 und die Abgasventile 14 (Öffnungsteile der Ansaugstutzen 11 und Öffnungsteile der Auslassstutzen 12) in Abschnitten der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 gebildet, die einander mit Bezug auf eine gerade Linie durch die Mitte der Deckenfläche 8a gegenüber liegen. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind der Bereich eines Öffnungsteils des Ansaugstutzens 11, nämlich der Bereich eines Ventilkopfes des Ansaugventils 13, und der Bereich eines Öffnungsteils des Auslassstutzens 12, nämlich der Bereich eines Ventilkopfes des Abgasventils 14, verschieden voneinander.
Wie in 2 gezeigt, ist der Ansaugstutzen 11 ein sogenannter Tumble-Anschluss, der von der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 nach oben und von dem Brennraum 8 radial nach außen zunehmend gekrümmt ist. Genauer gesagt, ist der Ansaugstutzen 11 derart ausgebildet, dass er eine derartige Form hat, dass die Mittellinie des Ansaugstutzens 11 im Wesentlichen im rechten Winkel (etwa 85° bis etwa 95°) mit Bezug auf die Deckenfläche 8a des Brennraums 8 angeordnet ist.
Das Ansaugventil 13 wird durch einen Öffnungs-/Schließmechanismus 15 für das Ansaugventil (eine Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil) geöffnet und geschlossen. Der Öffnungs-/Schließmechanismus 15 für das Ansaugventil weist einen Veränderungsmechanismus 15a für die Öffnungs-/Schließzeit des Ansaugventils auf, der in der Lage ist, eine Öffnungs-/Schließzeit des Ansaugventils 13 zu ändern, um eine Öffnungszeit und eine Schließzeit des Ansaugventils 13 gemäß einem Betriebszustand oder dergleichen zu ändern. In der Ausführungsform wird eine Öffnungs-/Schließzeit des Ansaugventils 13 in einem Zustand geändert, dass ein Öffnungszeitraum des Ansaugventils 13 unverändert gehalten wird.
In der Ausführungsform ist ein Wärmeisolierungselement 71 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit auf einer Wandfläche (einer Innenfläche) des Brennraums 8 ausgebildet, um Kühlverluste zu reduzieren, indem verhindert wird, dass Wärme des Verbrennungsgases innerhalb des Brennraums 8 nach außerhalb des Brennraums 8 freigesetzt wird. Insbesondere ist das Wärmeisolierungselement 71 auf einem oberen Ende einer Innenfläche des Zylinders 2, der Kronenfläche 6 des Kolbens 5, der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 und einem Ventilkopf von sowohl dem Ansaugventil 13 als auch dem Abgasventil 14 ausgebildet. Es wird angemerkt, dass das auf einer Wandfläche des Zylinders 2 ausgebildete Wärmeisolierungselement 71 nur in einem Bereich auf der oberen Seite mit Bezug auf einen Kolbenring in einem Zustand ausgebildet ist, dass der Kolben 5 den oberen Totpunkt erreicht, so dass der Kolbenring nicht über das Wärmeisolierungselement 71 gleitet.
Außer dass das Wärmeisolierungselement 71 aus einem Material mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit besteht, wie weiter oben beschrieben, ist das Material für das Wärmeisolierungselement 71 nicht speziell eingeschränkt. Es wird angemerkt, dass es jedoch bevorzugt ist, ein Material mit einer kleineren volumetrischen spezifischen Wärme als der einer Wandfläche des Brennraums 8 als Material für das Wärmeisolierungselement 71 zu verwenden. Insbesondere in einem Fall, in dem der Motorkörper 1 durch Kühlwasser gekühlt wird, ändert sich die Temperatur des Gases innerhalb des Brennraums 8, wenn ein Verbrennungszyklus fortschreitet, aber die Temperatur einer Wandfläche des Brennraums 8 wird im Wesentlichen unverändert gehalten. Als Ergebnis können Kühlverluste mit dem Temperaturunterschied zunehmen. Im Hinblick auf Obiges ist das Ausbilden des Wärmeisolierungselements 71 aus einem Material mit einer kleinen volumetrischen spezifischen Wärme vorteilhaft für das Reduzieren von Kühlverlusten, da die Temperatur des Wärmeisolierungselements 71 sich ändert, wenn die Temperatur des Gases innerhalb des Brennraums 8 sich ändert.
Zum Beispiel kann das Wärmeisolierungselement 71 durch Beschichten eines Keramikmaterials wie z. B. ZrO₂ auf einer Wandfläche des Brennraums 8 durch Plasmaspritzen gebildet werden. Es wird angemerkt, dass die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische spezifische Wärme des Wärmeisolierungselements 71 durch Vorsehen von zahlreichen Poren in dem Keramikmaterial weiter reduziert werden kann. Weiterhin ist in dem in 2 gezeigten Beispiel eine Wärmeisolierschicht 72 zusätzlich auf einer Innenfläche des Ansaugstutzens 11 ausgebildet.
Die Zylinderkopf 4 weist ferner ein Kraftstoffeinspritzventil 21, das dazu ausgebildet, Kraftstoff in den Brennraum 8 einzuspritzen, und eine Zündkerze 22 (siehe 3) auf, die dazu ausgebildet ist, eine in dem Brennraum 8 gebildete Kraftstoff-Luft-Gemischschicht zu zünden.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist das Kraftstoffeinspritzventil 21 derart angeordnet, dass ein distales Ende davon (ein Ende des Kraftstoffeinspritzventils 21 auf der Seite des Brennraums 8) sich in der Mitte der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 befindet und im Wesentlichen der Mitte der Mulde 7 gegenüberliegt. Andererseits ist die Zündkerze 22 derart angeordnet, dass ein distales Ende davon seitlich zu dem Kraftstoffeinspritzventil 21 und zwischen dem Ansaugventil 13 und dem Abgasventil 14 angeordnet ist.
Das Kraftstoffeinspritzventil 21 spritzt durch eine nicht gezeigte Kraftstoffpumpe zugeführten Kraftstoff in den Brennraum 8 ein. In der Ausführungsform verwendet das Kraftstoffeinspritzventil 21 ein sich nach außen öffnendes Ventil.
4 ist eine schematische Schnittansicht des Kraftstoffeinspritzventils 21. Wie in 4 gezeigt, weist das Kraftstoffeinspritzventil 21 ein Kraftstoffrohr 21c mit einer Düsenöffnung 21b, die in einem distalen Ende des Kraftstoffrohrs 21e (einem Ende des Kraftstoffrohrs 21c auf der Seite des Brennraums 8) gebildet ist, und ein nach außen öffnendes Ventil 21a auf, das auf der Innenseite des Kraftstoffrohrs 21e angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Düsenöffnung 21b zu öffnen und zu schließen. Wie weiter oben beschrieben, ist das Kraftstoffeinspritzventil 21 derart angeordnet, dass ein distales Ende davon, d. h. die Düsenöffnung 21b, der Mitte der Mulde 7 gegenüberliegt, und in einer derartigen Stellung, dass die Mittelachsen der Düsenöffnung 21b und des Kraftstoffrohrs 21e sich parallel zu einer Mittelachse des Zylinders 2 erstrecken. Das sich nach außen öffnende Ventil 21a ist mit einem Piezo-Element 21d verbunden, das dazu ausgebildet ist, sich je nach einer angelegten Spannung zu verformen. Das sich nach außen öffnende Ventil 21a kommt in einem Zustand, in dem keine Spannung an das Piezo-Element 21d angelegt ist, in Kontakt mit der Düsenöffnung 21b, um die Düsenöffnung 21b zu schließen. Weiterhin wird das Piezo-Element 21d durch Anlegen einer Spannung verformt und ragt zu einem distalen Ende davon in die Düsenöffnung 21b hinein, um die Düsenöffnung 21b zu öffnen.
Die Düsenöffnung 21b und ein Teil des sich nach außen öffnenden Ventils 21a, der sich in Kontakt mit der Düsenöffnung 21b befindet, haben eine konische Form, so dass der Durchmesser zu einem distalen Ende davon zunimmt. Kraftstoff wird durch die Düsenöffnung 21b in Form eines Kegels (insbesondere mit einer Hohlkegelform) in einem Zustand eingespritzt, in dem eine Mittelachse der Düsenöffnung 21b, nämlich eine Mittelachse des Zylinders 2 allgemein als Mitte definiert ist. Zum Beispiel ist der Konuswinkel der Kegelform von 90° bis 100° (der Konuswinkel eines Hohlteils in dem Hohlkegel ist etwa 70°).
In diesem Beispiel ändern sich ein Öffnungszeitraum und eine Hubhöhe des sich nach außen öffnenden Ventils 21a (die Hubhöhe ist ein Projektionswert des sich nach außen öffnenden Ventils 21a aus einer Schließstellung und ist ein Öffnungsgrad der Düsenöffnung 21b) in Abhängigkeit von einem Spannungsanlagezeitraum und einem Betrag der an das Piezo-Element 21d angelegten Spannung. Weiterhin ändern sich die Eindringtiefe des aus der Düsenöffnung 21b eingespritzten Kraftstoffs, die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge und der Partikeldurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit von einer Hubhöhe des sich nach außen öffnenden Ventils 21a. Insbesondere wenn die Hubhöhe zunimmt, und der Öffnungsgrad der Düsenöffnung 21b zunimmt, nimmt die Eindringteife des eingespritzten Kraftstoffs zu, nimmt die Kraftstoffeinspritzmenge pro Zeiteinheit zu, und nimmt der Partikeldurchmesser des eingespritzten Kraftstoffs zu.
Gemäß der oben erwähnten Konfiguration ist das Kraftstoffeinspritzventil 21 in der Lage, eine mehrstufige Einspritzung von etwa zwanzigmal in einem Intervall von 1 bis 2 msec durchzuführen. Weiterhin ist das Kraftstoffeinspritzventil 21 in der Lage, die Kraftstoffeinspritzung in einer radialen Richtung (einer zu den Mittelachsen der Düsenöffnung 21b und des Kraftstoffrohrs 21c orthogonalen Richtung) und die Kraftstoffeinspritzung in einer Achsrichtung (einer mit den Mittelachsen der Düsenöffnung 21b und des Kraftstoffrohrs 21e ausgerichteten Richtung) unabhängig voneinander zu steuern, indem ein Kraftstoffeinspritzintervall und eine Hubhöhe des sich nach außen öffnenden Ventils 21a individuell verändert werden.
Zum Beispiel ermöglicht eine Verkürzung eines Kraftstoffeinspritzintervalls, die Kraftstoffeinspritzung in einer Achsrichtung zu beschleunigen. Insbesondere in einem Fall, in dem ein Kraftstoffeinspritzintervall kurz ist, wird kontinuierlich ein negativer Druckbereich auf der Innenseite eines Hohlkegels gebildet, und ein negativer Druckbereich mit einer großen Länge in einer Achsrichtung wird gebildet. Daher verbreitet sich in einem Fall, in dem ein Kraftstoffeinspritzintervall kurz ist, die Kraftstoffeinspritzung leicht dadurch in einer Achsrichtung, dass der Kraftstoff zu dem negativen Druckbereich hin angezogen wird.
Andererseits wird in einem Fall, in dem eine Hubhöhe des Kraftstoffeinspritzventils 21 zunimmt, die Kraftstoffeinspritzung in einer radialen Richtung beschleunigt. Insbesondere in einem Fall, in dem eine Hubhöhe groß ist, nimmt der Partikeldurchmesser der Kraftstoffeinspritzung zu, wie weiter oben beschrieben, und das kinetische Momentum der Kraftstoffeinspritzung nimmt zu. Daher ist es in einem Fall, in dem eine Hubhöhe groß ist, weniger wahrscheinlich, dass die Kraftstoffeinspritzung zu einem negativen Druckbereich hin angezogen wird, und die Kraftstoffeinspritzung verbreitet sich radial nach außen.
(3) Steuersystem
(3-1) Systemkonfiguration
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem des Motors zeigt. Wie in 5 gezeigt, wird ein Motorsystem der Ausführungsform durch ein PCM (”Power Train Control Module”, ein Motorsteuermodul, in anderen Worten, eine Steuervorrichtung mit diversen Steuereinheiten) 100 gesteuert. Wie gut bekannt ist, ist das PCM 100 ein Mikroprozessor, der aus einer CPU, einem ROM und einem RAM besteht. Das PCM 100 entspricht in den Ansprüchen einer Einspritzsteuereinheit und einer Ventilsteuereinheit.
Das PCM 100 ist elektrisch mit diversen Sensoren zum Erfassen eines Betriebszustands des Motors verbunden.
Zum Beispiel ist ein Kurbelwinkelsensor SN1, der dazu ausgebildet ist, einen Drehwinkel einer Kurbelwelle und eine Drehgeschwindigkeit eines Motors, d. h. eine Motordrehzahl zu erfassen, in dem Zylinderblock 3 vorgesehen. Weiterhin ist ein Luftströmungssensor SN2, der dazu ausgebildet ist, eine Luftmenge (eine Frischluftmenge) zu erfassen, die durch den Luftfilter 31 hindurchtritt und in jeden Zylinder 2 eingezogen wird, in dem Ansaugkanal 30 vorgesehen. Weiterhin ist ein Gaspedalstellungssensor SN3, der dazu ausgebildet ist, einen Öffnungswinkel (eine Gaspedal-Stellung) eines nicht gezeigten, von einem Fahrer bedienten Gaspedals zu erfassen, in einem Fahrzeug vorgesehen.
Das PCM 100 steuert die jeweiligen Teile des Motors, während es diverse Bestimmungen und Berechnungen auf Grundlage von Eingangssignalen von den diversen Sensoren durchführt. Insbesondere ist das PCM 100 elektrisch mit dem Drosselventil 32, dem Veränderungsmechanismus 15a der Öffnungs-/Schließzeit für die Ansaugung, dem Kraftstoffeinspritzventil 21, dem AGR-Ventil 52 und der Zündkerze 22 verbunden und gibt Steuersignale zum Ansteuern dieser Vorrichtungen jeweils auf Grundlage des Berechnungsergebnisses oder dergleichen aus.
Insbesondere berechnet das PCM 100 eine Kraftstoffeinspritzmenge gemäß einem Anforderungswert für die Motorlast, der aus einer Gaspedalstellung, einer Motordrehzahl und dergleichen erhalten wird, und bewirkt, dass das Kraftstoffeinspritzventil 21 Kraftstoff gemäß der berechneten Kraftstoffeinspritzmenge einspritzt. Weiterhin ändert das PCM 100 einen Einspritzmodus gemäß einem in 6 gezeigten Betriebsbereich. 6 zeigt eine Darstellung, in der die horizontale Achse eine Motordrehzahl bezeichnet, und die vertikale Achse eine Motorlast bezeichnet. In der Ausführungsform ist ein Betriebsbereich in einen Bereich A1 mit niedriger Last, in dem die Motorlast niedriger als eine vorbestimmte eingestellte Bezugslast T1 ist, und einen Bereich A2 mit hoher Last aufgeteilt, in dem die Motorlast gleich der oder höher als die Bezugslast T1 ist. Weiterhin ist der Bereich A1 mit niedriger Last in Abhängigkeit von einer Motorlast in einen ersten Bereich A1_a, einen zweiten Bereich A1_c und einen Zwischenbereich A1_b aufgeteilt. Die Art der Steuerung von jedem Bereich wird im Folgenden beschrieben.
(3-2) Bereich mit niedriger Last
In dem Bereich A1 mit niedriger Last wird eine Verbrennung mit homogener Kompressionszündung durchgeführt, bei der Kraftstoff und Luft vorab zu einer Kraftstoff-Luft-Mischung gemischt werden, und die Kraftstoff-Luft-Gemischschicht dazu veranlasst wird, in der Nähe eines oberen Totpunkts (OT) für die Verdichtung zu zünden. Daher ist in dem Bereich A1 mit niedriger Last die Zündung durch die Zündkerze 22 abgeschaltet.
Weiterhin wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last eine Schließzeit des Ansaugventils 13 derart gesteuert, dass sie sich auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung befindet, um so Kühlverluste zu reduzieren.
Insbesondere das Einstellen einer Schließzeit des Ansaugventils 13 auf eine mehr nach spät verschobene Seite ermöglicht es, einen Zeitraum, nachdem das Ansaugventil 13 geschlossen wurde, bis zum oberen Totpunkt für die Verdichtung zu verkürzen, in anderen Worten, einen Zeitraum, während dem die Ansaugluft verdichtet wird. Weiterhin ist es möglich, einen Zeitraum zu verkürzen, während dem Ansaugluft mit hoher Temperatur durch die Verdichtung in Kontakt mit einer Wandfläche des Zylinders 2 (einer Wandfläche des Brennraums 8) kommt. Daher ermöglicht es die Einstellung einer Schließzeit des Ansaugventils 13 auf eine mehr nach spät verschobene Seite, Wärmeenergie von Ansaugluft mit hoher Temperatur zu unterdrücken, welche durch den Kontakt über eine Wandfläche des Zylinders 2 nach außerhalb freigesetzt wird, wie weiter oben beschrieben. Im Hinblick auf Obiges wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last, wie weiter oben beschrieben, eine Schließzeit des Ansaugventils 13 derart gesteuert, dass sie einen Zeitpunkt auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung durch den Veränderungsmechanismus 15a der Öffnungs-/Schließzeit für die Ansaugung darstellt. In diesem Beispiel ermöglicht das Einstellen einer Schließzeit des Ansaugventils 13 auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung, Pumpverluste zu reduzieren und den Energiewirkungsgrad zu verbessern. Es wird angemerkt, dass in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 sich auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung befindet, ein effektives Verdichtungsverhältnis reduziert ist. Jedoch ist der Bereich A1 mit niedriger Last ein Bereich, im dem die Motorlast klein ist. Daher ist es möglich, einen Motorausgang wie gefordert sicherzustellen, auch in einem Fall, in dem das effektive Verdichtungsverhältnis reduziert ist.
Es wird angemerkt, dass, wie in 7 gezeigt, eine Schließzeit des Ansaugventils 13 ein Zeitpunkt ist (ein Zeitpunkt in Bezug auf einen Kurbelwinkel), an dem die Hubhöhe des Ansaugventils 13 maximiert ist und danach minimiert wird, mit Ausnahme eines Rampenteils R, und ein Zeitpunkt ist, an dem die Ansaugströmung in den Zylinder 2 im Wesentlichen angehalten ist. Zum Beispiel ist eine Schließzeit des Ansaugventils 13 ein Zeitpunkt, an dem die Hubhöhe des Ansaugventils 13 auf 0,4 mm oder weniger abgesenkt ist.
Weiterhin ist in dem Bereich A1 mit niedriger Last der Brennwert einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht klein, und die Verbrennungstemperatur ist relativ niedrig. Daher ist es möglich, die Menge von durch Verbrennung erzeugtem NOx (so genanntes Roh-NOx) zu reduzieren. Entsprechend ist es in dem Bereich A1 mit niedriger Last nicht notwendig, auf NOx mit einem Dreiwege-Katalysator zu reinigen, und es ist nicht notwendig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, das in der Lage ist, durch den Dreiwege-Katalysator auf NOx zu reinigen. Im Hinblick auf Obiges wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht derart gesteuert, dass es sich in einem mageren Bereich befindet, d. h. bei einem Überschuss-Verhältnis λ > 1, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern.
Weiterhin wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last das AGR-Gas in den Zylinder 2 zurückgeführt. Insbesondere wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last das AGR-Ventil 52 geöffnet, und ein Teil des Abgases innerhalb des Abgaskanals 40 wird in den Ansaugkanal 30 als AGR-Gas zurückgeführt.
In der Ausführungsform wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last das AGR-Gas derart zurückgeführt, dass ein G/K-Verhältnis, das ein Verhältnis eines Gesamtgasgewichts innerhalb des Brennraums 8 mit Bezug auf eine Kraftstoffmenge ist, gleich oder größer als 35 ist. Weiterhin wird das AGR-Verhältnis (ein Verhältnis des AGR-Gasgewichts mit Bezug auf das Gesamtgasgewicht innerhalb des Zylinders 2) erhöht, wenn die Motorlast zunimmt.
Weiterhin wird in dem Bereich A1 mit niedriger Last in der späteren Hälfte eines Verdichtungshubs (während eines Zeitraums von 90° KW (Kurbelwinkel) vor dem oberen Totpunkt für die Verdichtung bis zu dem oberen Totpunkt für die Verdichtung) die gesamte Menge von Kraftstoff (die gesamte Menge von pro Verbrennungszyklus eingespritztem Kraftstoff) von dem Kraftstoffeinspritzventil 21 eingespritzt. Zum Beispiel wird die gesamte Menge von Kraftstoff in den Brennraum 8 in der Nähe von 30° KW vor dem oberen Totpunkt für die Verdichtung eingespritzt.
Wie weiter oben beschrieben, wird durch Einspritzen der gesamten Menge von Kraftstoff in der späteren Hälfte eines Verdichtungshubs, wie in 8 gezeigt, in dem Bereich A1 mit niedriger Last eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht Q, deren Kraftstoffkonzentration hoch ist, in einem mittleren Teil des Brennraums 8 in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung gebildet, insbesondere unmittelbar vor dem Start der Verbrennung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht innerhalb des Brennraums 8. Insbesondere wird eine geschichtete Kraftstoff-Luft-Gemischschicht, deren Kraftstoffkonzentration in einem mittleren Teil des Brennraums 8 hoch ist und deren Kraftstoffkonzentration in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 niedrig ist, innerhalb des Brennraums 8 gebildet. Es wird angemerkt, dass ein äußerer peripherer Teil des Brennraums 8 eine Nähe eines oberen Teils der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 (einer Fläche des Wärmeisolierungselements 71, die auf der Kronenfläche 6 gebildet ist), einer Wandfläche des Zylinders 2 (einer Fläche des Wärmeisolierungselements 71 auf einer Wandfläche) und der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 bedeutet.
In der Ausführungsform wird ein Einspritzmodus in Abhängigkeit von einer Motorlast derart umgeschaltet, dass eine Gasschicht im Wesentlichen ohne Kraftstoff (im Folgenden auch als verbrennungslose Gasschicht bezeichnet, soweit notwendig) in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 gebildet wird, in anderen Worten, die Kraftstoffkonzentration in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 wird unmittelbar vor dem Start der Verbrennung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht im Wesentlichen null.
Insbesondere sind aus dem Bereich A1 mit niedriger Last Einspritzmodi in einem ersten Bereich A1_a, in dem die Motorlast signifikant niedrig ist, in einem zweiten Bereich A1_c, in dem die Motorlast höher ist als die Motorlast in dem ersten Bereich A1_a, und in einem Zwischenbereich A1_b zwischen dem ersten Bereich A1_a und dem zweiten Bereich A1_c ein erster Einspritzmodus, ein zweiter Einspritzmodus bzw. ein Zwischenbereich-Einspritzmodus, wie in 9A, 9B und 9C gezeigt. Im Folgenden werden die jeweiligen Einspritzmodi näher beschrieben.
9A zeigt den ersten Einspritzmodus, der in dem ersten Bereich A1_a ausgeführt wird, in dem die Motorlast in dem Bereich A1 mit niedriger Last signifikant niedrig ist. In dem ersten Einspritzmodus wird die Einspritzung, deren Hubhöhe des Kraftstoffeinspritzventils 21 klein ist und deren Einspritzintervall kurz ist, kontinuierlich mehrere Male ausgeführt. Es wird angemerkt, dass die Anzahl von Einspritzungen nicht auf das in 9A gezeigte Beispiel beschränkt ist und wie notwendig geändert werden kann.
Wie weiter oben beschrieben, ist in einem Fall, in dem das Einspritzintervall kurz ist, die Länge der Kraftstoffeinspritzung in einer Achsrichtung groß. Weiterhin ist in einem Fall, in dem die Hubhöhe klein ist, die Verbreitung der Kraftstoffeinspritzung radial nach außen unterdrückt. Daher haben in dem ersten Einspritzmodus die Kraftstoffeinspritzung und eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht eine in Längsrichtung längliche Form, deren Länge in einer Achsrichtung relativ lang im Vergleich mit der Länge in einer radialen Richtung ist. Es wird angemerkt, dass in dem ersten Bereich A1_a die Motorlast besonders niedrig ist, und die Menge von eingespritztem Kraftstoff klein ist. Daher hat die Kraftstoff-Luft-Gemischschicht eine kleine Länge in einer Achsrichtung, während sie eine in Längsrichtung längliche Form beibehält. Dies ermöglicht es, eine verbrennungslose Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 zu bilden.
9C zeigt den zweiten Einspritzmodus, der in dem zweiten Bereich A1_c ausgeführt wird. In dem zweiten Einspritzmodus wird die Einspritzung, deren Hubhöhe des Kraftstoffeinspritzventils 21 größer als in dem ersten Einspritzmodus ist und deren Einspritzintervall länger als in dem ersten Einspritzmodus ist, kontinuierlich mehrere Male ausgeführt. Es wird angemerkt, dass die Anzahl von Einspritzungen nicht auf das in 9C gezeigte Beispiel beschränkt ist und wie notwendig geändert werden kann.
Wie weiter oben beschrieben, ist in einem Fall, in dem das Einspritzintervall lang ist, die Länge der Kraftstoffeinspritzung in einer Achsrichtung kurz. Weiterhin verbreitet sich in einem Fall, in dem die Hubhöhe groß ist, die Kraftstoffeinspritzung radial nach außen. Daher hat in dem zweiten Einspritzmodus die Kraftstoffeinspritzung und eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht eine in Querrichtung längliche Form, deren Länge in einer radialen Richtung relativ groß im Vergleich mit der Länge in einer Achsrichtung ist. Es wird angemerkt, dass in der Nähe des oberen Totpunkts für die Verdichtung die Größe des Brennraums 8 in einer radialen Richtung größer als in einer Achsrichtung ist, und in einer radialen Richtung ist noch Platz. Daher erreicht eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht eine Wandfläche des Brennraums 8 nicht, selbst in einem Fall, in dem die Kraftstoffeinspritzung und eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht eine in Querrichtung längliche Form aufweisen. Somit ist es möglich, eine verbrennungslose Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 zu bilden.
9B zeigt den Zwischenbereich-Einspritzmodus, der in dem Zwischenbereich A1_c ausgeführt wird. Der Zwischenbereich-Einspritzmodus ist ein Modus, der durch Kombinieren des ersten Einspritzmodus und des zweiten Einspritzmodus erhalten wird.
Zum Beispiel wird, wie in 9B gezeigt, nachdem die Einspritzung in dem zweiten Einspritzmodus ausgeführt wurde (nachdem die Einspritzung, deren Hubhöhe groß ist und deren Einspritzintervall lang ist, kontinuierlich mehrere Male ausgeführt wurde), die Einspritzung in dem ersten Einspritzmodus ausgeführt (die Einspritzung, deren Hubhöhe klein ist und deren Einspritzintervall kurz ist, wird kontinuierlich mehrere Male ausgeführt). Es wird angemerkt, dass die Einspritzung in dem ersten Einspritzmodus ausgeführt werden kann, und danach die Einspritzung in dem zweiten Einspritzmodus ausgeführt werden kann, an Stelle des oben erwähnten Betriebs. Weiterhin ist die Anzahl von Einspritzungen nicht auf das in 9B gezeigte Beispiel beschränkt und kann wie notwendig geändert werden.
In dem Zwischenbereich-Einspritzmodus wird durch Kombinieren des ersten Einspritzmodus und des zweiten Einspritzmodus insbesondere die Verbreitung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschichtsschicht radial nach außen eingestellt. Als Ergebnis der Einstellung hat eine Kraftstoff-Luft-Gemischschichtsschicht eine Form, deren Länge groß ist im Vergleich mit einer Kraftstoff-Luft-Gemischschichtsschicht in dem ersten Einspritzmodus und deren Länge klein ist im Vergleich mit einer Kraftstoff-Luft-Gemischschichtsschicht in dem zweiten Einspritzmodus. Gemäß dieser Konfiguration ist es in dem Zwischenbereich A1_b, als einem Grenzbereich zwischen dem ersten Bereich A1_a und dem zweiten Bereich A1_c, möglich, die Verbreitung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht in einer Achsrichtung und in einer radialen Richtung geeignet einzustellen und eine verbrennungslose Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 zu bilden.
Es wird angemerkt, dass der Zwischenbereich-Einspritzmodus weggelassen werden kann. Weiterhin besteht in der Ausführungsform, wie weiter oben beschrieben, in dem Bereich A1 mit niedriger Last ein Überschuss von Luft, deren Überschuss-Verhältnis λ größer als 1 ist und die nicht zur Verbrennung beiträgt. Daher ist es auch in einem Fall, in dem eine Luftschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 gebildet wird, wie weiter oben beschrieben, möglich, eine Luftmenge sicherzustellen, die notwendig für die Verbrennung in einem mittleren Teil des Brennraums 8 ist, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem mittleren Teil in einem geeigneten Bereich einzustellen.
Wie weiter oben beschrieben, ist es in einem Fall, in dem die oben erwähnten Einspritzmodi in den Bereichen A1_a bis A1_c des Bereichs A1 mit niedriger Last ausgeführt werden, prinzipiell möglich, eine verbrennungslose Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 zu bilden und die Kraftstoffkonzentration in dem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 auf im Wesentlichen null einzustellen. Jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung eine Verteilung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht und des innerhalb des Zylinders 2 erzeugten Verbrennungsgases näher untersucht. Als Ergebnis der Untersuchung haben die Erfinder gefunden, dass ein Fall vorliegt, in dem eine verbrennungslose Gasschicht je nach Betriebszustand in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 nicht geeignet gebildet wird, selbst wenn die jeweiligen Einspritzmodi ausgeführt werden. Insbesondere haben die Erfinder gefunden, dass in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung liegt, wie weiter oben beschrieben, und in einem Fall, in dem der nach spät verschobene Betrag relativ groß und die Motordrehzahl hoch ist, kann es schwierig sein, eine verbrennungslose Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 geeignet zu bilden.
Dieser Sachverhalt wird unter Verwendung von 10A bis 10D und 11 beschrieben. 10A bis 10D und 11 sind Zeichnungen, die schematisch eine Ansaugströmung innerhalb des Zylinders 2 in einem Fall zeigen, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung relativ stark nach spät verschoben ist, und die Motordrehzahl hoch ist.
Zunächst strömt, wie in 10A gezeigt, in einem Fall, in dem der Kolben 5 vor den unteren Totpunkt für die Ansaugung abgesenkt ist, und in einem Zustand, dass das Ansaugventil 13 geöffnet ist, Ansaugluft (Luft und AGR-Gas enthaltendes Gas) durch den Ansaugstutzen 11 in den Zylinder 2. In diesem Fall wird eine Tumble-Strömung innerhalb des Zylinders 2 erzeugt. Insbesondere innerhalb des Zylinders 2 strömt Ansaugluft nach unten, während sie sich vom Ansaugstutzen 11 durch einen Teil des Zylinders 2 nahe der Abgasseite zu der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 bewegt, und strömt nach oben, während sie sich von der Nähe der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 durch einen Teil des Zylinders 2 auf der Ansaugseite bewegt. Danach nimmt, wenn der Kolben 5 beginnt, über den unteren Totpunkt für die Ansaugung angehoben zu werden, wie in 10B gezeigt, die Aufwärtsströmung der Ansaugluft innerhalb des Zylinders 2 zu, wenn die Ansaugluft von dem Kolben 5 gedrückt wird. In diesem Fall, in dem das Ansaugventil 13 geöffnet ist, wird bewirkt, dass die Ansaugluft innerhalb des Zylinders 2 zu dem Ansaugstutzen 11 zurückgeführt wird, und die Ansaugluft innerhalb des Zylinders 2 strömt zu dem Ansaugventil 13. Die Strömung der Ansaugluft zu dem Ansaugventil 13 nimmt zu, wenn der Kolben 5 nach oben angehoben wird, in anderen Worten, wenn das Volumen des Brennraums 8 abnimmt. Weiterhin nimmt die Strömung der Ansaugluft zu, wenn die Hubgeschwindigkeit des Kolbens 5 zunimmt, in anderen Worten, wenn die Motordrehzahl zunimmt.
Wenn das Ansaugventil 13 in einem Zustand, in dem der Kolben 5 auf einen bestimmten Wert angehoben ist, geschlossen wird, und Ansaugluft kräftig zu dem Ansaugventil 13 strömt, wie in 10C gezeigt, trifft die Ansaugluft auf das Ansaugventil 13 und wird dazu veranlasst, zu der Abgasseite entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu strömen. Daher wird, nachdem die Ansaugluft von der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 zu dem Ansaugventil 13 innerhalb des Zylinders 2 gerichtet wurde, in anderen Worten, innerhalb des Brennraums 8, eine relativ starke Ansaugströmung zu dem Abgasventil 14 entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 erzeugt.
Daher ist, wie in 10D gezeigt, in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung eine Strömung von Ansaugluft von der Ansaugseite zu der Abgasseite stärker als eine Strömung von Ansaugluft von der Abgasseite zu der Ansaugseite. Insbesondere wird in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung eine sogenannte Quetschströmung erzeugt, die von einem Raum zwischen einem äußeren peripheren Teil der Kronenfläche 6 des Kolbens 5 und der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu der Mitte des Brennraums 8 gerichtet ist. Jedoch kommt eine Strömung von Ansaugluft entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu der Quetschströmung hinzu, wenn die Ansaugluft von der Ansaugseite zu der Abgasseite strömt. Daher ist die Strömung von der Ansaugseite zu der Abgasseite (eine Strömung, die durch den Pfeil mit ausgezogener Linie in 10D angegeben ist) stärker als die Quetschströmung von der Abgasseite zu der Ansaugseite (eine Strömung, die durch den Pfeil mit gestrichelter Linie in 10D angegeben ist). Somit wird eine starke Strömung von der Ansaugseite zu der Abgasseite in der Nähe der Deckenfläche 8a innerhalb des Brennraums 8 erzeugt.
Daher kann auch in einem Fall, in dem die jeweiligen Einspritzmodi vor einem oberen Totpunkt für die Verdichtung ausgeführt werden, eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht in dem oben erwähnten Zustand entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu der Abgasseite strömen. Daher kann, anders als in einem Fall, in dem die Kraftstoff-Luft-Gemischschicht Q gebildet wird, wie durch die ausgezogene Linie in 11 angegeben (in einem Zustand, in dem kaum Ansaugluft innerhalb des Zylinders 2 strömt), eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 gebildet werden, wie durch die gestrichelte Linie in 11 angegeben.
Im Hinblick auf Obiges wird in der Ausführungsform, wie in 12 gezeigt, in dem Bereich A1 mit niedriger Last eine Schließzeit des Ansaugventils 13 derart gesteuert, dass sie nach früh verschoben ist, so dass die Schließzeit des Ansaugventils 13 sich dem unteren Totpunkt für die Ansaugung (UT) nähert, wenn die Motordrehzahl zunimmt.
Insbesondere wird das Ansaugventil 13 zu einem Zeitpunkt geschlossen, an dem die Hubhöhe des Kolbens 5 klein ist, und die Strömung von Ansaugluft zu dem Ansaugventil 13 wird geschwächt, wenn die Motordrehzahl zunimmt, d. h. wenn die Hubgeschwindigkeit des Kolbens 5 zunimmt, und entsprechend die Strömung von Ansaugluft innerhalb des Zylinders 2 zunimmt, in anderen Worten, wenn die Strömung von Ansaugluft zu dem Ansaugventil 13 in einem in 10B gezeigten Zustand zunimmt. Die oben erwähnte Konfiguration ermöglicht es, die Strömung entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu schwächen, und ermöglicht es, eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht in einem mittleren Teil des Brennraums 8 geeignet zu bilden und eine verbrennungslose Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 (in der Nähe der Deckenfläche 8a des Brennraums 8) zu bilden.
Es wird angemerkt, dass in der Ausführungsform in allen Bereichen des Bereichs A1 mit niedriger Last eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf einen Zeitpunkt eingestellt wird, an dem die Ansaugluft zu dem Ansaugstutzen 11 zurückgeblasen wird. Alternativ kann eine Schließzeit des Ansaugventils 13 in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl in dem Bereich A1 mit niedriger Last niedrig ist, auf einen Zeitpunkt eingestellt werden, an dem die Ansaugluft zu dem Ansaugstutzen 11 zurückgeblasen wird, und eine Schließzeit des Ansaugventils 13 kann auf einen Zeitpunkt eingestellt werden, an dem in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl in dem Bereich A1 mit niedriger Last hoch ist, keine Ansaugluft zurückgeblasen wird.
13A bis 13D sind Diagramme, die schematisch eine Ansaugströmung innerhalb des Zylinders 2 in einem Fall zeigen, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 im Vergleich mit der in 10A bis 10D gezeigten Konfiguration nach früh verschoben ist. Wie in 13B und 13C gezeigt, ermöglicht auch in einem Fall, in dem eine Tumble-Strömung innerhalb des Zylinders 2 erzeugt wird, wenn der Kolben 5 abgesenkt wird (siehe 13A), das Schließen des Ansaugventils 13 an einem frühen Zeitpunkt, nachdem der Kolben 5 begann, angehoben zu werden, die Strömung von Ansaugluft zu dem Ansaugventil 13 zu schwachen und zu veranlassen, dass Ansaugluft zunehmend in die Nähe der Mitte der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 strömt. Daher ist es, wie in 13D gezeigt, möglich, eine Differenz zwischen einer Strömung von Ansaugluft von der Ansaugseite zu der Abgasseite und einer Strömung von Ansaugluft von der Abgasseite zu der Ansaugseite in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung zu reduzieren und die Strömung entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu schwächen.
(3-3) Bereich mit hoher Last
Die Steuerung in dem Bereich A2 mit hoher Last wird kurz beschrieben.
In dem Bereich A2 mit hoher Last wird Kraftstoff in einem Zeitraum von der späteren Hälfte eines Verdichtungshubs bis zum Anfangsstadium eines Expansionstakts eingespritzt, so dass die Verbrennung in einem Zustand gestartet wird, in dem eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht innerhalb des Brennraums 8 homogener ist (ein Zustand, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des Brennraums 8 gleichmäßig gestaltet ist), um so eine Verschlechterung der Rauchemission zu unterdrücken, und eine in der Gesamtheit des Brennraums 8 gebildete Kraftstoff-Luft-Gemischschicht wird gezündet, wodurch die Verbrennung gestartet wird.
Weiterhin wird in dem Bereich A2 mit hoher Last das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, um so eine NOx-Reinigung durch einen Dreiwege-Katalysator auszuführen. Insbesondere wird das Überschuss-Verhältnis λ auf 1 eingestellt. Weiterhin wird in dem Bereich A2 mit hoher Last das AGR-Ventil 52 von einem völlig geöffneten Zustand geschlossen, so dass die Rückkehr von AGR-Gas reduziert oder angehalten wird, und das G/K-Verhältnis wird auf einen Wert kleiner als 35 eingestellt.
(4) Vorteilhafte Wirkungen
Wie weiter oben beschrieben, wird in der Ausführungsform in dem Bereich A1 mit niedriger Last Kraftstoff derart eingespritzt, dass eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht, deren Kraftstoffkonzentration in einem mittleren Teil des Brennraums 8 höher als eine Kraftstoffkonzentration in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 ist, innerhalb des Brennraums 8 gebildet wird. Dies ermöglicht es, die Menge von in der Nähe einer Wandfläche des Brennraums 8 erzeugtem Verbrennungsgas zu reduzieren. Insbesondere wird in der Ausführungsform Kraftstoff mehrere Male vor einem oberen Totpunkt für die Verdichtung eingespritzt. Dies ermöglicht es, eine verbrennungslose Gasschicht im Wesentlichen ohne Kraftstoff in der Nähe einer Wandfläche des Brennraums 8 zu bilden und eine Kraftstoff-Luft-Mischung in diesem Zustand zu verbrennen. Daher ist es möglich, einen Kontakt zwischen Verbrennungsgas und einer Wandfläche des Brennraums 8 durch die Existenz einer verbrennungslosen Gasschicht zu vermeiden und eine Zunahme der Wärmeenergie des Verbrennungsgases zu unterdrücken, das von einer Wandfläche des Brennraums 8 nach außerhalb freigesetzt wird, in anderen Worten, eine Zunahme der Kühlverluste zu unterdrücken, wodurch es möglich ist, die Kraftstoffeinsparung zu verbessern.
Weiterhin ist in dem Bereich A1 mit niedriger Last eine Schließzeit des Ansaugventils 13 mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung nach spät verschoben und wird nach früh verschoben, wenn die Motordrehzahl zunimmt. Dies ist vorteilhaft für das Sichern der Verbesserung der Kraftstoffeinsparung.
Insbesondere, wie weiter oben beschrieben, ermöglicht es das Verschieben einer Schließzeit des Ansaugventils 13 nach spät mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung, einen Zeitraum zu verkürzen, während dem die Ansaugluft verdichtet wird, Wärmeenergie der Ansaugluft mit hoher Temperatur durch die Verdichtung zu reduzieren, die über eine Wandfläche des Brennraums 8 nach außerhalb freigesetzt wird, und Pumpverluste zu reduzieren.
Weiterhin, wie weiter oben beschrieben, ermöglicht es das Verschieben einer Schließzeit des Ansaugventils 13 nach früh in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl hoch ist, die Gasströmung zu dem Ansaugstutzen 11 zu schwachen, nachdem das Ansaugventil 13 geschlossen wurde, folglich die Gasströmung entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung zu schwachen und Kühlverluste durch Vermeiden von Kontakt zwischen Verbrennungsgas und der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 sicher zu reduzieren. Insbesondere ist in der Ausführungsform das Schwachen der Gasströmung entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 vorteilhaft für das sichere Bilden einer verbrennungslosen Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 und für das wirksame Reduzieren von Kühlverlusten.
14A und 14B zeigen ein Ergebnis einer numerischen Analyse einer Ansaugströmung innerhalb des Brennraums 8 in einem Fall, in dem die Motordrehzahl 3.000 U/min ist.
14A zeigt ein Ergebnis in einem Fall, in dem die Steuerung gemäß der Ausführungsform ausgeführt wird. Insbesondere zeigt 14A ein Ergebnis in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf ABDC (nach dem unteren Totpunkt für die Ansaugung) 60° KW (Kurbelwinkel) eingestellt wird. Weiterhin zeigt 14A ein Ergebnis in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf ABDC 50° KW, in anderen Worten BTDC (vor dem oberen Totpunkt für die Verdichtung) 130° KW, auf ABDC 80° KW, in anderen Worten BTDC 100° KW und auf ABDC 152° KW, in anderen Worten BTDC 28° KW in dieser Reihenfolge von oben eingestellt ist.
Andererseits zeigt 14B ein Ergebnis eines Vergleichsbeispiels in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf den gleichen Zeitpunkt eingestellt ist wie die Schließzeit des Ansaugventils 13 in einem Fall, in dem die Motordrehzahl 2.000 U/min ist. Insbesondere zeigt 14B ein Ergebnis in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf ABDC (nach dem unteren Totpunkt für die Verdichtung) 80° KW eingestellt ist. Weiterhin zeigt 14B ein Ergebnis in einem Fall, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 auf ABDC 50° KW eingestellt ist, in anderen Worten BTDC (vor dem oberen Totpunkt für die Verdichtung) 130° KW, auf ABDC 80° KW, in anderen Worten BTDC 100° KW, und auf ABDC 152° KW, in anderen Worten BTDC 28° KW in dieser Reihenfolge von oben eingestellt ist. Es wird angemerkt, dass in 14A und 14B ein hellerer Teil anzeigt, dass die Gasströmung stark ist. Weiterhin zeigt in jeder von 14A und 14B das unterste Diagramm vergrößert den Brennraum 8.
Weiterhin sind 15A und 15B Diagramme, die 14A bzw. 14B entsprechen. 15A zeigt eine Temperaturverteilung (ein Ergebnis einer numerischen Analyse) innerhalb des Brennraums 8, unmittelbar nachdem die Verbrennung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht begonnen hat (BTDC 15° KW), in einem Fall, in dem die Steuerung gemäß der Ausführungsform ausgeführt wird. 15B zeigt eine Temperaturverteilung (ein Ergebnis einer numerischen Analyse) innerhalb des Brennraums 8, unmittelbar nachdem die Verbrennung einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht begonnen hat (BTDC 15° KW), bei einem Vergleichsbeispiel. Es wird angemerkt, dass 15A und 15B Schnittansichten sind, in denen die rechte Seite der Ansaugseite entspricht, und die linke Seite der Abgasseite entspricht.
Wie in 14B in dem Vergleichsbeispiel gezeigt, strömt Ansaugluft innerhalb des Zylinders 2 kräftig zu dem Ansaugventil 13, unmittelbar bevor das Ansaugventil 13 geschlossen wird. Weiterhin strömt als Ergebnis auch Ansaugluft von der Ansaugseite zu der Abgasseite kräftig in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung. Weiterhin strömt, wie in 15B gezeigt, wenn die Ansaugluft kräftig strömt, Verbrennungsgas entlang der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 in einem Bereich, der durch das Symbol X1 markiert ist, und kommt in Kontakt mit der Deckenfläche 8a des Brennraums 8.
Andererseits wird, wie in 14A gezeigt, in der Ausführungsform eine Gasströmung zu einem mittleren Teil der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 innerhalb des Zylinders 2 gebildet, nachdem das Ansaugventil 13 geschlossen wurde, und die Strömung von der Ansaugseite zu der Abgasseite wird in der Nähe eines oberen Totpunkts für die Verdichtung geschwächt. Weiterhin wird, wie in 15A gezeigt, wenn die Strömung geschwächt wird, Kontakt des Verbrennungsgases mit hoher Temperatur mit der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 vermieden.
Auf diese Weise ermöglicht es in der Ausführungsform das Verschieben einer Schließzeit des Ansaugventils 13 nach früh, wenn die Motordrehzahl zunimmt, einen Kontakt von Verbrennungsgas mit hoher Temperatur mit der Deckenfläche 8a des Brennraums 8 zu vermeiden, um dadurch Kühlverluste zu reduzieren.
(5) Modifikationen
In der Ausführungsform ist ein Fall beschrieben, in dem eine Schließzeit des Ansaugventils 13 nach früh verschoben wird, wenn die Motordrehzahl in dem Bereich A1 mit niedriger Last zunimmt. Falls eine Schließzeit des Ansaugventils 13 derart gesteuert wird, dass sie nach früh verschoben wird, wenn die Motordrehzahl zunimmt, kann eine Schließzeit des Ansaugventils 13 stufenweise in Abhängigkeit von der Motordrehzahl geändert werden.
Weiterhin ist in der Ausführungsform ein Fall beschrieben, in dem Kraftstoff in den in 9A bis 9C gezeigten Einspritzmodi in dem Bereich A1 mit niedriger Last eingespritzt wird. Jedoch ist ein bestimmtes Einspritzmuster nicht auf Obiges beschränkt, falls Kraftstoff in der späteren Hälfte eines Verdichtungshubs in dem Bereich A1 mit niedriger Last derart eingespritzt wird, dass die Kraftstoffkonzentration innerhalb des Brennraums 8 unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in einem mittleren Teil des Brennraums 8 höher ist als in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8. Es wird jedoch angemerkt, dass das Veranlassen, dass Kraftstoff mehrere Male in der späteren Hälfte eines Verdichtungshubs eingespritzt wird, es ermöglicht, einen Kraftstoffsprühabstand zu verkürzen und den Kraftstoff sicher zu schichten. Weiterhin ist die in 9A bis 9C gezeigte Einstellung der Einspritzmodi vorteilhaft für das Bilden einer verbrennungslosen Gasschicht in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums 8 und für das sichere Reduzieren von Kühlverlusten. Weiterhin kann das Wärmeisolierungselement 71 weggelassen werden. Es wird jedoch angemerkt, dass das Vorsehen des Wärmeisolierungselements 71 vorteilhaft für das Reduzieren von Kühlverlusten ist.
Weiterhin kann Kraftstoff, der nicht auf Benzin basiert, als Kraftstoff verwendet werden.
Wie weiter oben beschrieben, ist ein Motor mit Direkteinspritzung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Motor mit Direkteinspritzung, der mit einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder versehen ist, in dem ein Kolben hin- und herbewegbar angeordnet ist. Der Motor mit Direkteinspritzung weist einen in einer Deckenfläche des Brennraums geöffneten Ansaugstutzen, der dazu ausgebildet ist, Ansaugluft in den Zylinder einzuführen, ein Ansaugventil, das dazu ausgebildet ist, einen Öffnungsteil des Ansaugstutzens zu öffnen und zu schließen, ein Kraftstoffeinspritzventil, das auf der Deckenfläche des Brennraums angebracht und dazu ausgebildet ist, Kraftstoff zu einer Kronenfläche des Kolbens einzuspritzen, eine Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil, die dazu ausgebildet ist, das Ansaugventil zu öffnen und zu schließen und eine Schließzeit des Ansaugventils zu ändern, eine Einspritzsteuereinheit, die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoffeinspritzventil zu veranlassen, Kraftstoff in einer späteren Hälfte eines Verdichtungshubs derart einzuspritzen, dass eine Kraftstoffkonzentration unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in einem mittleren Teil des Brennraums höher ist als in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums in einem Bereich mit niedriger Last, in dem eine Motorlast niedriger ist als eine vorbestimmte eingestellte Bezugslast, und eine Ventilsteuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil derart zu steuern, dass eine Schließzeit des Ansaugventils in einem Fall, in dem eine Motordrehzahl hoch ist, im Vergleich mit einem Fall, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, in dem Bereich mit niedriger Last auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung nach früh verschoben wird, und dass Ansaugluft innerhalb des Zylinders mindestens in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, zu dem Ansaugstutzen zurückgeblasen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Kraftstoff von der Seite der Deckenfläche des Brennraums zu der Kronenfläche des Kolbens in der späteren Hälfte des Verdichtungshubs derart eingespritzt, dass eine Kraftstoff-Luft-Mischung, deren Kraftstoffkonzentration in dem mittleren Teil des Brennraums höher ist als in dem äußeren peripheren Teil des Brennraums, innerhalb des Brennraums in dem Bereich mit niedriger Last gebildet wird. Dies ermöglicht es, die Menge des in der Nähe der Wandfläche des Brennraums erzeugten Verbrennungsgases zu reduzieren. Daher ist es möglich, eine Zunahme der Wärmeenergie von Verbrennungsgas, die über die Wandfläche des Brennraums nach außerhalb freigesetzt wird, zu unterdrücken, in anderen Worten, eine Zunahme der Kühlverluste zu unterdrücken, wodurch es möglich ist, die Kraftstoffeinsparung zu verbessern.
Weiterhin wird in der vorliegenden Erfindung die Schließzeit des Ansaugventils derart gesteuert, dass sie auf der nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung liegt, und wird nach früh verschoben, wenn die Motordrehzahl in dem Bereich mit niedriger Last zunimmt. Dies ermöglicht es, Wärmeenergie von Ansaugluft mit hoher Temperatur durch Verdichtung, die über die Wandfläche des Brennraums nach außerhalb freigesetzt wird, zu unterdrücken und Kontakt von Verbrennungsgas, das durch die Ansaugluft innerhalb des Zylinders getragen werden kann, mit der Wandfläche des Brennraums zu vermeiden, wodurch es möglich ist, Kühlverluste zu reduzieren.
Insbesondere das Einstellen der Schließzeit des Ansaugventils der nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung ermöglicht es, einen Zeitraum, nachdem das Ansaugventil geschlossen wurde, bis zu dem oberen Totpunkt für die Verdichtung zu verkürzen, während dem die Ansaugluft verdichtet wird. Insbesondere ist es möglich, einen Zeitraum zu verkürzen, während dem Ansaugluft mit hoher Temperatur durch Verdichtung in Kontakt mit der Wandfläche des Brennraums kommt. Daher ist es möglich, Wärmeenergie von Ansaugluft mit hoher Temperatur, die über die Wandfläche des Brennraums nach außerhalb freigesetzt wird, zu unterdrücken.
Jedoch wird in einem Fall, in dem die Schließzeit des Ansaugventils auf der nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung liegt, und ein Zeitpunkt ist, an dem Ansaugluft zu dem Ansaugstutzen zurückgeblasen wird, die Ansaugluft zu dem Ansaugstutzen innerhalb des Zylinders gerichtet, wenn der Kolben während eines Zeitraums von dem Zeitpunkt in der Nähe des unteren Totpunkts für die Ansaugung zu der Deckenfläche des Brennraums angehoben wird, bis das Ansaugventil geschlossen wird.
In einem Fall, in dem Ansaugluft kräftig zu dem Ansaugstutzen strömt, kann die Ansaugströmung innerhalb des Zylinders bleiben, auch nachdem das Ansaugventil geschlossen wurde. Als Ergebnis kann, nachdem das Ansaugventil geschlossen wurde, Ansaugluft, die zu dem Ansaugstutzen geströmt ist, auf das Ansaugventil und die Deckenfläche des Brennraums auftreffen, wo das Ansaugventil angeordnet ist, und kann weiter entlang der Deckenfläche des Brennraums strömen. Dann können in der Nähe des oberen Totpunkts für die Verdichtung die Ansaugluft und eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht entlang der Deckenfläche des Brennraums strömen, und das durch Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Gemischschicht erzeugte Verbrennungsgas kommt wahrscheinlich in Kontakt mit der Deckenfläche des Brennraums, in anderen Worten der Wandfläche des Brennraums.
Dagegen wird gemäß der vorliegenden Erfindung, wie weiter oben beschrieben, die Schließzeit des Ansaugventils derart gesteuert, dass sie auf der nach früh verschobenen Seite liegt, wenn die Motordrehzahl in dem Bereich mit niedriger Last zunimmt. Insbesondere wird das Ansaugventil zu einem Zeitpunkt geschlossen, der näher an dem unteren Totpunkt für die Ansaugung liegt, wenn die Motordrehzahl zunimmt. In anderen Worten, das Ansaugventil wird zu einem Zeitpunkt geschlossen, an dem die Hubhöhe des Kolbens klein ist, und die Strömung von Ansaugluft zu dem Ansaugstutzen relativ klein ist, wenn die Hubgeschwindigkeit des Kolbens zunimmt, und entsprechend die Ansaugströmung innerhalb des Zylinders zunimmt. Dies ermöglicht es, eine Zunahme der Temperatur der Ansaugluft durch Verdichtung zu vermeiden, während die Schließzeit des Ansaugventils auf der nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf den unteren Totpunkt für die Ansaugung gehalten wird, und eine Strömung von Ansaugluft, einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht und folglich von Verbrennungsgas entlang der Deckenfläche des Brennraums unabhängig von der Motordrehzahl zu vermeiden. Die oben erwähnte Konfiguration ist vorteilhaft für das Vermeiden von Kontakt des Verbrennungsgases mit der Wandfläche des Brennraums.
Bei dem Motor mit Direkteinspritzung der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt die Ventilsteuereinheit die Antriebsvorrichtung für das Ansaugventil derart steuern, dass eine Schließzeit des Ansaugventils nach früh verschoben wird, wenn die Motordrehzahl in dem Bereich mit niedriger Last zunimmt.
Gemäß der oben erwähnten Konfiguration ist es möglich, eine Strömung von Ansaugluft zu dem Ansaugstutzen sicher zu vermeiden, die zur Zunahme tendiert, wenn die Motordrehzahl zunimmt, und eine Strömung von Ansaugluft und einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht entlang der Wandfläche des Brennraums zu vermeiden und folglich einen Kontakt zwischen dem Verbrennungsgas und der Wandfläche des Brennraums zu vermeiden, um dadurch Kühlverluste zu reduzieren.
Bei dem Motor mit Direkteinspritzung der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt die Einspritzsteuereinheit die Kraftstoffeinspritzung derart steuern, dass Kraftstoff mehrere Male an einem weiter nach früh verschobenen Zeitpunkt als einem oberen Totpunkt für die Verdichtung eingespritzt wird, um so eine Gasschicht im Wesentlichen ohne Kraftstoff in der Nähe einer Wandfläche des Brennraums innerhalb des Brennraums unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in dem Bereich mit niedriger Last zu bilden.
Gemäß der oben erwähnten Konfiguration ist es möglich, eine Gasschicht im Wesentlichen ohne Verbrennungsgas in der Nähe der Wandfläche des Brennraums zu bilden, wenn eine Kraftstoff-Luft-Gemischschicht verbrannt wird, und einen Kontakt von Verbrennungsgas mit der Wandfläche des Brennraums sicher zu vermeiden.
Diese Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-155451 , angemeldet am B. August 2016, deren Inhalt hiermit hierin aufgenommen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig durch Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, versteht es sich, dass sich diverse Änderungen und Modifikationen für die Fachperson auf diesem Gebiet ergeben. Daher sollen diese, außer wenn ansonsten derartige Änderungen und Modifikationen vom Schutzbereich der im Folgenden definierten vorliegenden Erfindung abweichen, als hierin eingeschlossen angesehen werden.
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 2013-194712 [0003, 0004, 0004]
JP 2016-155451 [0113]

Claims

Motor mit Direkteinspritzung, der mit einem einen Brennraum (8) aufweisenden Zylinder (2) versehen ist, in dem ein Kolben (5) hin- und her bewegbar angeordnet ist, aufweisend: einen in einer Deckenfläche (8a) des Brennraums (8) geöffneten Ansaugstutzen (11), der dazu ausgebildet ist, Ansaugluft in den Zylinder (2) einzuführen, ein Ansaugventil (13), das dazu ausgebildet ist, einen Öffnungsteil des Ansaugstutzens (11) zu öffnen und zu schließen, ein Kraftstoffeinspritzventil (21), das auf der Deckenfläche (8a) des Brennraums (8) angebracht und dazu ausgebildet ist, Kraftstoff zu einer Kronenfläche (6) des Kolbens (5) einzuspritzen, eine Antriebsvorrichtung (15) für das Ansaugventil, die dazu ausgebildet ist, das Ansaugventil (13) zu öffnen und zu schließen und eine Schließzeit des Ansaugventils (13) zu ändern, eine Einspritzsteuereinheit (100), die dazu ausgebildet ist, das Kraftstoffeinspritzventil (21) dazu zu veranlassen, Kraftstoff in einer späteren Hälfte eines Verdichtungshubs derart einzuspritzen, dass eine Kraftstoffkonzentration in einem Bereich (A1) mit niedriger Last, in dem eine Motorlast niedriger als eine vorbestimmte eingestellte Bezugslast (T1) ist, unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in einem mittleren Teil des Brennraums (8) höher als in einem äußeren peripheren Teil des Brennraums (8) ist, und eine Ventilsteuereinheit (100), die dazu ausgebildet ist, die Antriebsvorrichtung (15) für das Ansaugventil derart zu steuern, dass eine Schließzeit des Ansaugventils (13) in einem Fall, in dem eine Motordrehzahl hoch ist, im Vergleich mit einem Fall, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, in dem Bereich (A1) mit niedriger Last auf einer nach spät verschobenen Seite mit Bezug auf einen unteren Totpunkt für die Ansaugung nach früh verschoben wird, und dass Ansaugluft innerhalb des Zylinders (2) in dem Bereich (A1) mit niedriger Last mindestens in einem Bereich, in dem die Motordrehzahl niedrig ist, zu dem Ansaugstutzen (11) zurückgeblasen wird.
Motor mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuereinheit (100) die Antriebsvorrichtung (15) für das Ansaugventil derart steuert, dass eine Schließzeit des Ansaugventils (13) nach früh verschoben wird, wenn die Motordrehzahl in dem Bereich mit niedriger Last (1) zunimmt.
Motor mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einspritzsteuereinheit (100) die Kraftstoffeinspritzung derart steuert, dass Kraftstoff mehrere Male an einem weiter nach früh verschobenen Zeitpunkt als einem oberen Totpunkt für die Verdichtung eingespritzt wird, um so eine Gasschicht zu bilden, die im Wesentlichen keinen Kraftstoff in der Nähe einer Wandfläche des Brennraums (8) innerhalb des Brennraums (8) unmittelbar vor dem Start der Verbrennung in dem Bereich (A1) mit niedriger Last enthält.