DE102017119411A1 - Direkteinspritzmotor und steuerverfahren dafür - Google Patents

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Masahiko Fujimoto
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Abstract

Ein Direkteinspritzmotor umfasst ein Kraftstoffeinspritzventil, das ausgelegt ist, um Kraftstoff in einen Zylinder einzuspritzen, ein Wassereinspritzventil, das ausgelegt ist, um Wasser in den Zylinder einzuspritzen, und einen variablen Ventilmechanismus, der ausgelegt ist, um einen Betriebszeitpunkt sowohl eines Einlassventils als auch eines Auslassventils zu ändern. Während eines Betriebs in einem Niederlastbereich wird ein negativer Überlappungszeitraum, bei dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil über einem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind, durch den variablen Ventilmechanismus gebildet und während des negativen Überlappungsbereichs wird jeweils von dem Kraftstoffeinspritzventil Kraftstoff eingespritzt und von dem Wassereinspritzventil wird Wasser eingespritzt. Dies bewirkt eine Dampfreformierungsreaktion, so dass mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff und eingespritztem Wasser in dem Zylinder während des negativen Überlappungszeitraums zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, der ausgelegt ist, um benzinhaltigen Kraftstoff nach Reformieren des Kraftstoffs zu verbrennen.
  • Technischer Hintergrund
  • Ein in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2010-25031 veröffentlichter Motor ist als Motor bekannt, der ausgelegt ist, um wie vorstehend beschrieben reformierten Kraftstoff zu verbrennen. Der in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2010-25031 offenbarte Motor umfasst einen Zylinder, einen Ansaugkanal und einen Abgaskanal, die mit dem Zylinder verbunden sind, einen Injektor, der ausgelegt ist, um Kraftstoff zu einem stromabwärts liegenden Ende (einem Ansaug-Port) des Ansaugkanals einzuspritzen, eine Reformierkammer, die an einer Mitte des Abgaskanals ausgebildet ist, einen Reformierkatalysator, der in der Reformierkammer angeordnet ist, einen Abgaseinlasskanal zum Verbinden zwischen der Reformierkammer und dem Abgaskanal an der stromaufwärts befindlichen Seite der Reformierkammer, ein Einlassrohr für reformiertes Gas zum Verbinden zwischen der Reformierkammer und dem Ansaugkanal und eine Wassereinspritzdüse sowie eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung, die an dem Abgaseinlasskanal montiert ist. Von der Wassereinspritzdüse eingespritztes Wasser und von der Kraftstoffzufuhrvorrichntung zugeführter Kraftstoff reagieren miteinander, während sie während des Durchquerens der Reformierkammer (des reformierenden Katalysators) eine enotherme Reaktion durchlaufen, und wandeln sich zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid um (eine Dampfreformierungsreaktion). Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltender reformierter Kraftstoff, mit anderen Worten reformiertes Gas, wird durch das Einlassrohr für reformiertes Gas in den Ansaugkanal eingeleitet und wird nach Mischen mit von dem Injektor eingespritztem Kraftstoff in den Zylinder (den Brennraum) eingeleitet.
  • Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes reformiertes Gas weist gegenüber Kraftstoff vor dem Reformieren eine hohe Magergrenze auf und ein Brennwert von reformiertem Gas ist hoch. Durch Einleiten von Kraftstoff, der reformiertes Gas enthält, zur Verbrennung in einen Zylinder wird daher eine die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Motors verbessernde Wirkung erwartet.
  • Bei dem in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2010-25031 offenbarten Motor wird in der mitten in dem Abgaskanal ausgebildeten Reformierkammer Kraftstoff reformiert, und reformierter Kraftstoff, mit anderen Worten reformiertes Gas, wird durch das Einlassrohr für reformiertes Gas in den Zylinder eingeleitet. Dies erschwert das Einleiten des gesamten reformierten Gases in den Zylinder. Zum Beispiel kann ein Teil reformierten Gases in eine andere Bahn (einen Abgaskanal an der stromabwärts liegenden Seite der Reformierkammer) als den Einleitkanal zu dem Zylinder strömen, oder nicht reformierter Kraftstoff kann in dem Abgaskanal oder an einer Innenwand der Reformierkammer anhaften und dort verbleiben. Bei Auftreten der vorstehend erwähnten Bedingungen wird nur ein Teil des reformierten Gases für die Verbrennung genutzt. Dies kann die Wirkung durch Reformieren von Kraftstoff aufwiegen und dann das Erhalten einer hinreichenden Wirkung zum Verbessern von Kraftstoffwirtschaftlichkeit erschweren.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Im Hinblick auf das Vorstehende besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Direkteinspritzmotor und ein Steuerverfahren dafür vorzusehen, die durch rückstandsloses Verwenden von reformiertem Kraftstoff das Verbessern von Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors ermöglichen.
  • Ein Direkteinspritzmotor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Zylinder, der ausgelegt ist, um einen Kolben hin- und herbewegbar aufzunehmen; ein Kraftstoffeinspritzventil, das ausgelegt ist, um benzinhaltigen Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen; ein Wassereinspritzventil, das ausgelegt ist, um Wasser in den Zylinder einzuspritzen; ein Einlassventil, das ausgelegt ist, um einen Ansaug-Port zum Einleiten von Luft in den Zylinder zu öffnen und zu schließen; ein Auslassventil, das ausgelegt ist, um einen Abgas-Port zum Ablassen von verbranntem Gas aus dem Zylinder zu öffnen und zu schließen; einen variablen Ventilmechanismus, der ausgelegt ist, um einen Betriebszeitpunkt sowohl des Einlassventils als auch des Auslassventils zu ändern; ein Kraftstoffeinspritzsteuermodul, das ausgelegt ist, um das Kraftstoffeinspritzventil zu steuern; ein Wassereinspritzsteuermodul, das ausgelegt ist, um das Wassereinspritzventil zu steuern; ein Ventilsteuermodul, das ausgelegt ist, um den variablen Ventilmechanismus zu steuern; und ein Rechenmodul, das ausgelegt ist, um beruhend auf einem Betriebszustand des Motors verschiedene Berechnungen durchzuführen. Während eines Betriebs in einem Niederlastbereich, in dem eine Last des Motors niedriger als eine vorbestimmte Last ist, steuert das Ventilsteuermodul den variablen Ventilmechanismus so, dass ein negativer Überlappungszeitraum gebildet wird, in dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil über einem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich ermittelt das Rechenmodul als Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil und als Einspritzzeitpunkt von Wasser durch das Wassereinspritzventil einen Einspritzzeitpunkt, bei dem in dem Zylinder während des negativen Überlappungszeitraums eine Dampfreformierungsreaktion auftritt, wobei die Dampfreformierungsreaktion solcher Art ist, dass mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff und eingespritztem Wasser zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich steuern das Kraftstoffeinspritzsteuermodul bzw. das Wassereinspritzsteuermodul, um bei einem Zeitpunkt innerhalb des negativen Überlappungszeitraums, der von dem Rechenmodul ermittelt wird, Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil einzuspritzen und Wasser von dem Wassereinspritzventil einzuspritzen.
  • Ein Steuerverfahren gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kommt ferner bei einem Direkteinspritzmotor zur Anwendung, der versehen ist mit: einem Zylinder, der ausgelegt ist, um einen Kolben hin- und herbewegbar aufzunehmen, einem Kraftstoffeinspritzventil, das ausgelegt ist, um benzinhaltigen Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen, einem Wassereinspritzventil, das ausgelegt ist, um Wasser in den Zylinder einzuspritzen, einem Einlassventil, das ausgelegt ist, um einen Ansaug-Port zum Einleiten von Luft in den Zylinder zu öffnen und zu schließen, einem Auslassventil, das ausgelegt ist, um einen Abgas-Port zum Ablassen von verbrannten Gas von dem Zylinder zu öffnen und zu schließen, und einem variablen Ventilmechanismus, der ausgelegt ist, um einen Betriebszeitpunkt sowohl des Einlassventils als auch des Auslassventils zu ändern. Das Steuerverfahren umfasst während eines Betriebs in einem Niederlastbereich, in dem eine Last des Motors niedriger als eine vorbestimmte Last ist, das Steuern des variablen Ventilmechanismus in solcher Art, dass ein negativer Überlappungszeitraum gebildet wird, in dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil über einem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind; das Ermitteln als Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil und als Einspritzzeitpunkt von Wasser durch das Wassereinspritzventil eines Einspritzzeitpunkts, bei dem in dem Zylinder während des negativen Überlappungszeitraums eine Dampfreformierungsreaktion auftritt, wobei die Dampfreformierungsreaktion solcher Art ist, dass mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff und eingespritztem Wasser zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird; und Steuern, um bei einem Zeitpunkt innerhalb des negativen Überlappungszeitraums, der durch die Ermittlung ermittelt wurde, Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil einzuspritzen bzw. Wasser von dem Wassereinspritzventil einzuspritzen.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen bei Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den Begleitzeichnungen besser hervor.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm, das eine Gesamtkonfiguration eines Direkteinspritzmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Motorkörpers;
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Festlegen von Hubkennlinien eines Einlassventils und eines Auslassventils zeigt;
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem des Motors zeigt;
  • 5 ist ein Kennfelddiagramm, das Unterschiede bei der Steuerung abhängig von einem Betriebszustand des Motors zeigt;
  • 6 ist ein Zeitdiagramm zum Beschreiben von Steuerungsinhalt, der in einem Bereich niedriger bis mittlerer Last (in einem ersten Betriebsbereich) des Motors auszuführen ist;
  • 7 ist ein Graph zum Beschreiben, dass Enthalpie (ein Brennwert) durch Reformieren von Kraftstoff zunimmt; und
  • 8 ist ein Graph zum Beschreiben, dass sich ein Zeitpunkt der Selbstzündung abhängig von einer Kraftstoffreformierungsrate ändert.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • (1) Gesamtkonfiguration des Motors
  • 1 und 2 sind Diagramme, die einen Direkteinspritzmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Der in 1 und 2 gezeigte Motor ist ein in einem Fahrzeug als Antriebsquelle für Fortbewegung eingebauter Viertakt-Benzinmotor. Der Motor umfasst einen Mehrzylinderreihenmotorkörper 1 mit vier Zylindern 2, die in einer Reihe angeordnet sind, einen Ansaugkanal 20 zum Leiten von Ansaugluft, die zu dem Motorkörper 1 einzuleiten ist, einen Abgaskanal 30 zum Leiten von Abgas, das von dem Motorkörper 1 abgelassen wird, und eine Wasserzufuhrvorrichtung 50 zum Zuführen von Wasser, das aus dem durch den Abgaskanal 30 tretenden Abgas extrahiert wird, zu jedem Zylinder 2 des Motorkörpers 1.
  • Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Motorkörper 1 einen Zylinderblock 3, in dem die Zylinder 2 ausgebildet sind, einen Zylinderkopf 4, der an einer Oberseite des Zylinderblocks 3 so ausgebildet ist, dass er die Zylinder 2 von oben bedeckt, und einen Kolben 5, der in jedem Zylinder 2 hin- und herbewegbar aufgenommen ist.
  • Über dem Kolben 5 ist ein Brennraum C ausgebildet. In dem Brennraum C wird von einem später zu beschreibenden Kraftstoffeinspritzventil 11 eingespritzter Benzin als Kraftstoff zugeführt. In dem Brennraum C wird ferner zugeführter Kraftstoff (Benzin) verbrannt, und der Kolben 5, der durch eine Expansionskraft durch die Verbrennung nach unten geschoben wird, wird abwechselnd nach oben und unten bewegt.
  • Eine Kurbelwelle 15 als Ausgangswelle des Motorkörpers 1 ist unterhalb des Kolbens 5 angeordnet. Die Kurbelwelle 15 ist mittels einer Pleuelstange 14 mit dem Kolben 5 verbunden und wird bei Hin- und Herbewegung des Kolbens 5 um eine Mittelachse derselben gedreht. In dem Zylinderblock 3 ist ein Kurbelwinkelsensor SN1 zum Detektieren eines Drehwinkels (eines Kurbelwinkels) der Kurbelwelle 15 angeordnet. Zu beachten ist, dass der Kurbelwinkelsensor SN1 auch als Sensor zum Detektieren einer Drehzahl der Kurbelwelle 15, mit anderen Worten einer ausgegebenen Drehzahl des Motorkörpers 1, dient.
  • Eine Ausnehmung 10, die an der Seite gegenüber dem Zylinderkopf 4 nach unten ausgespart ist, ist in einem mittleren Abschnitt einer Kronenfläche (einer Oberseite) des Kolbens 5 ausgebildet. Die Ausnehmung 10 ist so ausgebildet, dass sie ein Volumen aufweist, das einen großen Teil des Brennraums C einnimmt, wenn der Kolben 5 zu dem oberen Totpunkt angehoben wird.
  • In dem Zylinderkopf 4 ist pro Zylinder 2 ein Kraftstoffeinspritzventil 11, das ausgelegt ist, um von einer nicht gezeigten Kraftstoffpumpe zugeführten Kraftstoff (Benzin) in den Brennraum C einzuspritzen, angeordnet (insgesamt vier Kraftstoffeinspritzventile 11). Jedes Kraftstoffeinspritzventil 11 ist so angeordnet, dass es von der Seite an der Einlassseite Kraftstoff in den Brennraum C einspritzt.
  • In dem Zylinderkopf 4 ist ferner pro Zylinder 2 ein Wassereinspritzventil 13, das ausgelegt ist, um von der Wasserzufuhrvorrichtung 50 zugeführtes Wasser in den Brennraum C einzuspritzen, angeordnet (insgesamt vier Wassereinspritzventile 13). Jedes Wassereinspritzventil 13 ist angeordnet, um von der Seite an der Auslassseite Wasser in den Brennraum C einzuspritzen. Das Wassereinspritzventil 13 ist mit anderen Worten so angeordnet, dass es bezüglich der Mittelachse des Zylinders 2 zu dem Kraftstoffeinspritzventil 11 weist.
  • In dem Zylinderkopf 4 ist ferner pro Zylinder 2 eine Zündkerze 12, die ausgelegt ist, um dem Brennraum C einen Funken zu liefern, angeordnet (insgesamt vier Zündkerzen 12). Jede Zündkerze 12 weist eine an dem Brennraum C in der Nähe der Mittelachse des Zylinders 2 angeordnete Elektrode auf. Jede Zündkerze 12 zündet durch Liefern eines Funken, der an der Elektrode als Zündenergie erzeugt wird, zwangsweise von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 eingespritzten Kraftstoff.
  • Bei Liefern eines Funkens von einer Elektrode der Zündkerze 12 wird nahe der Elektrode ein Flammenkern gebildet und ein Verbrennungsbereich breitet sich allmählich von dem Flammenkern nach außen aus (Flammenausbreitung). Zu beachten ist, dass in der Ausführungsform nicht der gesamte in den Brennraum C eingespritzte Kraftstoff durch Flammenausbreitung verbrannt wird und mindestens ein Teil des Kraftstoffs durch Selbstzündung verbrannt wird. Wie vorstehend beschrieben bewirkt in der Ausführungsform eine so genannte SPCCI-Verbrennung (funkengesteuerte Kompressionszündung) in allen Betriebsbereichen des Motors das Ausführen einer Selbstzündung von Kraftstoff um den Flammenkern.
  • Zum Ausführen von SPCCI-Verbrennung, wie sie vorstehend beschrieben ist, muss durch Verdichtung mit dem Kolben 5 unmittelbar vor Fremdzündung eine ausreichend hohe Temperatur als Innentemperatur des Zylinders (nachstehend als Zylindertemperatur bezeichnet) sichergestellt werden. Im Hinblick auf das Vorstehende wird in der Ausführungsform ein geometrisches Verdichtungsverhältnis jedes Zylinders 2, mit anderen Worten ein Verhältnis zwischen einem Volumen des Brennraums C bei Kolben 5 am oberen Totpunkt und einem Volumen des Brennraums C bei Kolben 5 an dem unteren Totpunkt, auf nicht kleiner als 16, aber nicht größer als 30 eingestellt.
  • In dem Zylinderkopf 4 sind, wie in 2 gezeigt, pro Zylinder 2 ein Ansaug-Port 6 zum Einleiten von von dem Ansaugkanal 20 zugeführter Luft in den Brennraum C, ein Abgas-Port 7 zum Ablassen von verbranntem Gas (Abgas), das in dem Brennraum C erzeugt wird, in den Abgaskanal 30, ein Einlassventil 8 zum Öffnen und Schließen einer Öffnung der Ansaug-Ports 6 an der Seite des Brennraums C und ein Auslassventil 9 zum Öffnen und Schließen einer Öffnung des Abgas-Ports 7 an der Seite des Brennraums C vorgesehen.
  • Das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 werden durch eine nicht gezeigte Ventiltriebvorrichtung angetrieben, um verbunden mit Drehung der Kurbelwelle 15 zu öffnen und zu schließen.
  • Eine Ventiltriebvorrichtung für das Einlassventil 8 umfasst innen als eine Art variabler Ventilmechanismus einen Schaltmechanismus 18 (siehe 4) zum Umschalten von Hubkennlinien des Einlassventils 8 zwischen zwei Stufen. Auch wenn dies nicht eingehend beschrieben ist, umfasst der Schaltmechanismus 18 zwei Arten von Nocken, deren Profile sich voneinander unterscheiden, sowie eine Verschiebungsantriebseinheit zum Verschieben eines der zwei Nocken, um gegen das Einlassventil 8 zu drücken. Ein Veranlassen der Verschiebungsantriebseinheit, den Nocken zum Drücken gegen das Einlassventil 8 zu schalten, ermöglicht ferner das Umschalten von Hubkennlinien des Einlassventils 8 zwischen einer ersten Kennlinie, die in 3 durch eine Wellenform durchgehender Linie IN1 angedeutet ist, und einer zweiten Kennlinie, die in 3 durch eine Wellenform gestrichelter Linie IN2 angedeutet ist.
  • Die zweite Kennlinie IN2 ist solcher Art, dass verglichen mit der ersten Kennlinie IN1 der Hubbetrag groß und der Ventilöffnungszeitraum lang ist. Wird die zweite Kennlinie IN2 gewählt, wird das Einlassventil 8 so angetrieben, dass der Ventilöffnungszeitraum den gesamten Zeitraum eines Ansaugtakts überlappt, das Einlassventil 8 wird mit anderen vor dem oberen Auslass-Totpunkt (OT) geöffnet und wird nach dem unteren Ansaug-Totpunkt (der rechte UT) geschlossen. Wenn dagegen die erste Kennlinie IN1 gewählt wird, wird das Einlassventil 8 so angetrieben, dass das Einlassventil 8 nach dem oberen Auslass-Totpunkt (während eines Ansaugtakts) geöffnet wird und nach dem unteren Ansaug-Totpunkt geschlossen wird. Die erste Kennlinie IN1 des Einlassventils 8 wird mit anderen Worten so eingestellt, dass der Ventilöffnungszeitpunkt zu der Spätverstellseite verschoben wird (die Spitze des Hubbetrags wird demgemäß zu der Spätverstellseite verschoben), während der Ventilschließzeitpunkt bezüglich der zweiten Kennlinie IN2 im Wesentlichen unverändert gehalten wird.
  • Eine Ventiltriebvorrichtung für das Auslassventil 9 umfasst analog innen als eine Art variabler Ventilmechanismus einen Schaltmechanismus 19 (siehe 4) zum Umschalten von Öffnungs- und Schließkennlinien des Auslassventils 9 zwischen zwei Stufen. Der Schaltmechanismus 19 weist den gleichen Aufbau wie der Schaltmechanismus 18 für ein Einlassventil auf. Das Umschalten eines Nocken zum Drücken gegen das Auslassventil 9 zwischen zwei Arten von Nocken ermöglicht das Umschalten von Hubkennlinien des Auslassventils 9 zwischen einer in 3 durch eine Wellenform durchgehender Linie EX1 angedeuteten Kennlinie und einer in 3 durch eine Wellenform gestrichelter Linie EX2 angedeuteten zweiten Kennlinie. Die zweite Kennlinie EX2 ist solcher Art, dass verglichen mit der ersten Kennlinie EX1 der Hubbetrag groß und der Ventilöffnungszeitraum lang ist. Wenn die zweite Kennlinie EX2 gewählt wird, wird das Auslassventil 9 so angetrieben, dass der Ventilöffnungszeitraum den gesamten Zeitraum eines Auspufftakts überlappt, das Auslassventil 9 wird mit anderen Worten vor dem unteren Arbeits-Totpunkt (der linke UT) geöffnet und nach dem oberen Auslass-Totpunkt (OT) geschlossen. Wenn dagegen die erste Kennlinie EX1 gewählt wird, wird das Auslassventil 9 so angetrieben, dass das Auslassventil 9 vor dem unteren Arbeits-Totpunkt geöffnet wird und vor dem oberen Auslass-Totpunkt (während eines Arbeitstakts) geschlossen wird. Die erste Kennlinie EX1 des Auslassventils 9 wird mit anderen Worten auf eine solche Kennlinie eingestellt, dass der Ventilschließzeitpunkt zu der Frühverstellseite verschoben wird (die Spitze des Hubbetrags wird demgemäß zu der Frühverstellseite verschoben), während der Ventilöffnungszeitpunkt bezüglich der zweiten Kennlinie EX2 im Wesentlichen unverändert gehalten wird.
  • Zu beachten ist, dass in der Schrift ein Öffnungszeitpunkt und ein Schließzeitpunkt des Einlassventils 8/des Auslassventils 9 ein Öffnungszeitpunkt bzw. ein Schließzeitpunkt in einem Fall sind, bei dem ein anderer Abschnitt als Rampenabschnitte, die zu Beginn und am Ende einer Ventilhubkurve ausgebildet sind (Pufferzonen, in denen eine Änderung des Ventilhubbetrags moderat ist), als Ventilöffnungszeitraum definiert ist. Der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt geben keinen Zeitpunkt an, wenn der Hubbetrag ganz null ist. In der Ausführungsform ist ein Zeitpunkt, bei dem der Ventilhubbetrag von 0 mm auf 0,4 mm vergrößert ist, ein Öffnungszeitpunkt, und ein Zeitpunkt, bei dem der Ventilhubbetrag danach auf 0,4 mm verringert wird, ist ein Ventilschließzeitpunkt.
  • Wenn jeweils eine Hubkennlinie des Einlassventils und eine Hubkennlinie des Auslassventils 9 auf die erste Kennlinie IN1 und die erste Kennlinie EX1 gesetzt werden, werden das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 in einem vorbestimmten Zeitraum von einem bestimmten Punkt in einem Auspufftakt zu einem bestimmten Punkt in einem Ansaugtakt beide in einem geschlossenen Zustand gehalten. Es wird mit anderen Worten ein negativer Überlappungszeitraum X gebildet, in dem das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 beide über dem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind. Bei Ausbilden des negativen Überlappungszeitraums X wie vorstehend beschrieben wird ein Teil von verbranntem Gas, das durch Verbrennung in einem unmittelbar vorherigen Arbeitstakt erzeugt wurde, nicht aus dem Zylinder 2 abgelassen und verbleibt im Zylinder 2. Es wird mit anderen Worten innere AGR ausgeführt, so dass ein Teil von verbranntem Gas in dem Zylinder 2 verbleiben kann, um das Innere des Zylinders 2 auf einen Zustand hoher Temperatur zu bringen.
  • Unter der Annahme, dass ein Teil des negativen Überlappungszeitraums X, der einem Kurbelwinkelbereich von einem Schließzeitpunkt des Auslassventils 9 zu dem oberen Auslass-Totpunkt entspricht, ein ersterer Teil X1 ist und ein Teil des negativen Überlappungszeitraums X, der einem Kurbelwinkelbereich von dem oberen Auslass-Totpunkt zu einem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 8 entspricht, ein letzterer Teil X2 ist, sind in der Ausführungsform Hubkennlinien des Einlassventils 8 und des Auslassventils 9 (die erste Kennlinie IN1 und die erste Kennlinie EX1) so festgelegt, dass der letztere Teil X2 länger als der erstere Teil X1 ist.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Ansaugkanal 20 ein gemeinsames Ansaugrohr 22 als Einzelrohr und einen Ansaugkrümmer 21, der von einem stromabwärts liegenden Ende des gemeinsamen Ansaugrohrs 22 abzweigend ausgebildet ist. Jedes Zweigrohr des Ansaugkrümmers 21 ist so mit dem Motorkörper 1 (dem Zylinderkopf 4) verbunden, dass es mittels des Ansaug-Ports 6 mit jedem Zylinder 2 kommuniziert. Ein stromabwärts liegendes Ende des gemeinsamen Ansaugrohrs 22 ist mit einem Sammelabschnitt von Zweigrohren des Ansaugkrümmers 21 (ein Abschnitt, an dem stromaufwärts liegende Enden von Zweigrohren zusammenkommen) verbunden. Zu beachten ist, dass in der Schrift ”stromaufwärts” (oder ”stromabwärts”) des Ansaugkanals 20 stromaufwärts (oder stromabwärts) in der Strömungsrichtung einer durch den Ansaugkanal 20 strömenden Ansaugluft meint.
  • An dem gemeinsamen Ansaugrohr 22 sind ein Luftfilter 25 zum Entfernen von in Ansaugluft enthaltenen Fremdstoffen und eine Drosselklappe 27, die dazu dient, zu öffnen und zu schließen, um den Durchsatz von durch das gemeinsame Ansaugrohr 22 strömender Ansaugluft anzupassen, in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts liegenden Seite angeordnet sind. Ferner sind an der stromabwärts liegenden Seite des gemeinsamen Ansaugrohrs 22 bezüglich der Drosselklappe 27 ein Luftmengensensor SN2 zum Detektieren eines Durchsatzes von durch das gemeinsame Ansaugrohr 22 strömender Ansaugluft und ein Ansauglufttemperatursensor SN3 zum Detektieren einer Temperatur von Ansaugluft an der stromabwärts liegenden Seite des gemeinsamen Ansaugrohrs 22 angeordnet.
  • Der Abgaskanal 30 umfasst ein gemeinsames Abgasrohr 32 als einzelnes Rohr und einen Abgaskrümmer 31, der von einem stromaufwärts liegenden Ende des gemeinsamen Abgasrohrs 32 abzweigend ausgebildet ist. Jedes Zweigrohr des Abgaskrümmers 31 ist so mit dem Motorkörper 1 (dem Zylinderkopf 4) verbunden, dass es mittels des Abgas-Ports 7 mit jedem Zylinder 2 kommuniziert. Ein stromaufwärts liegendes Ende des gemeinsamen Abgasrohrs 32 ist mit einem Sammelabschnitt von Zweigrohren des Abgaskrümmers 31 (ein Abschnitt, an dem stromabwärts liegende Enden von Zweigrohren zusammenkommen) verbunden. Zu beachten ist, dass in der Schrift ”stromaufwärts” (oder ”stromabwärts”) des Abgaskanals 30 stromaufwärts (oder stromabwärts) in der Strömungsrichtung eines durch den Abgaskanal 30 strömenden Abgases meint.
  • Von der stromaufwärts liegenden Seite des gemeinsamen Abgasrohrs 32 sind eine katalytische Vorrichtung 35, ein Wärmetauscher 54 und ein Kondensator 51 in dieser Reihenfolge angeordnet.
  • Die katalytische Vorrichtung 35 ist ausgelegt, um in Abgas enthaltene Schadstoffe zu entfernen. Die katalytische Vorrichtung 35 umfasst innen einen Dreiwegekatalysator, einen Oxidationskatalysator oder einen NOx-Katalysator oder eine Kombination derselben. Die katalytische Vorrichtung 35 kann zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten Katalysator einen Filter zum Zurückhalten von PM, das in Abgas enthalten ist, umfassen.
  • Der Kondensator 51 ist ausgelegt, um in Abgas enthaltenen Dampf zu kondensieren. Der Wärmetauscher 54 ist ausgelegt, um in dem Kondensator 51 erzeugtes kondensiertes Wasser zu erwärmen. Der Kondensator 51 und der Wärmetauscher 54 sind Elemente, die einen Teil der Wasserzufuhrvorrichtung 50 bilden, die später näher beschrieben wird.
  • (2) Spezifische Konfiguration der Wasserzufuhrvorrichtung
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Wasserzufuhrvorrichtung 50 den Kondensator 51, den Wärmetauscher 54, einen Wassertank 52 zum Speichern von in dem Kondensator 51 erzeugtem kondensierten Wasser, eine Wasserförderpumpe 53 zum Herauspumpen von in dem Wassertank 52 gespeichertem kondensierten Wasser hin zu dem Wärmetauscher 54, ein Speicherrail 56 zum Speichern von Wasser hoher Temperatur und hohen Drucks, das von der Wasserförderpumpe 53 druckbeaufschlagt und von dem Wärmetauscher 54 erwärmt wird, während die Wassertemperatur und der Wasserdruck gehalten werden, ein erstes Wasserrohr 61 zum Verbinden zwischen dem Kondensator 51 und dem Wassertank 52, ein zweites Wasserrohr 62 zum Verbinden zwischen dem Wassertank 52 und dem Wärmetauscher 54, ein drittes Wasserrohr 63 zum Verbinden zwischen dem Wärmetauscher 54 und dem Speicherrail 56 sowie mehrere (vier) Verteilerrohre 64 zum Verbinden zwischen dem Speicherrail 56 und dem Wassereinspritzventil 13 jedes Zylinders 2.
  • Der Kondensator 51 ist ein Wärmetauscher zum Kondensieren von Dampf, der in durch das gemeinsame Abgasrohr 32 strömendem Abgas enthalten ist. Der Kondensator 51 kondensiert in Abgas enthaltenen Dampf durch Kühlen des Abgases durch Wärmetausch mit einem vorbestimmten Kühlmittel (z. B. Motorkühlwasser). In dem Kondensator 51 erzeugtes kondensiertes Wasser strömt stromabwärts durch das erste Wasserrohr 61 und wird in dem Wassertank 52 gespeichert.
  • Die Wasserförderpumpe 53 ist mitten in dem zweiten Wasserrohr 62 angeordnet und ausgelegt, um in dem Wassertank 52 gespeichertes kondensiertes Wasser hin zu dem Wärmetauscher 54 zu fördern, während sie das kondensierte Wasser mit Druck beaufschlagt.
  • Der Wärmetauscher 54 ist ausgelegt, um von der Wasserförderpumpe 53 zugeführtes Wasser durch Wärmetausch mit Abgas zu erwärmen, bevor das Abgas in den Kondensator 51 strömt. Auch wenn auf eine nähere Darstellung verzichtet wird, umfasst der Wärmetauscher 54 ein langgestrecktes dünnes Rohr 54a kleinen Durchmessers, das an einer Stelle zwischen der Katalysatorvorrichtung 35 und dem Kondensator 51 in einen Abschnitt des gemeinsamen Abgasrohrs 32 eingeführt ist, sowie ein Isoliergehäuse 54b, das ausgebildet ist, um den Abschnitt des gemeinsamen Abgasrohrs 32 dort abzudecken, wo das dünne Rohr 54a eingeführt ist.
  • Von dem Wärmetauscher 54 erwärmtes Wasser wird stromabwärts durch das dritte Wasserrohr 63 gefördert und in dem Speicherrail 56 gespeichert. An dem Speicherrail 56 ist ein Wasserdrucksensor SN4 zum Detektieren eines Drucks von Wasser in dem Speicherrail 56 angeordnet.
  • Die Temperatur und der Druck von in dem Speicherrail 56 gespeicherten Wasser werden wie vorstehend beschrieben durch den Wärmetauscher 54 und Druckbeaufschlagung durch die Wasserförderpumpe 53 auf 200°C oder höher und 10 MPa oder höher angehoben. Da der Druck von in dem Speicherrail 56 gespeicherten Wasser bei 10 MPa oder höher liegt, siedet Wasser nicht, selbst wenn es auf 200°C oder höher erwärmt wird, und wird in einem flüssigen Zustand gehalten. In dem Speicherrail 56 in dem vorstehend erwähnten Zustand gespeichertes Wasser wird ferner durch das Wassereinspritzventil 13 nach Bedarf in den Zylinder 2 eingespritzt. Im Einzelnen ist in der Ausführungsform von dem Wassereinspritzventil 13 in den Zylinder 2 eingespritztes Wasser verflüssigtes Wasser hoher Temperatur und hohen Drucks mit einer Temperatur von 200°C oder höher und einem Druck von 10 MPa oder höher.
  • (3) Steuersystem des Motors
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem des Motors zeigt.
  • Ein in 4 gezeigtes PCM 100 ist ein Mikroprozessor zum integralen Steuern des Motors und ist durch eine CPU, einen ROM, RAM und dergleichen, die gut bekannt sind, gebildet.
  • In das PCM 100 werden Detektionssignale von verschiedenen Sensoren eingegeben. Beispielsweise ist das PCM 100 mit dem Kurbelwinkelsensor SN1, dem Luftmengensensor SN2, dem Ansauglufttemperatursensor SN3 und dem Wasserdrucksensor SN4 elektrisch verbunden. Von diesen Sensoren detektierte Informationen (d. h. ein Kurbelwinkel, eine Ansaugluftdurchsatz, eine Ansauglufttemperatur, ein Wasserdruck, etc.) werden sukzessive als elektrisches Signal in das PCM 100 eingegeben.
  • Ferner umfasst ein Fahrzeug einen Gaspedalsensor SN5 zum Detektieren eines Öffnungswinkels eines (nicht gezeigten) Gaspedals, das von einem das Fahrzeug fahrenden Fahrer betätigt wird. Ein Detektionssignal von dem Gaspedalsensor SN5 wird ebenfalls in das PCM 100 eingegeben.
  • Das PCM 100 steuert die Elemente des Motors, während es beruhend auf Eingangssignalen von den verschiedenen Sensoren verschiedene Ermittlungen und Berechnungen vornimmt. Konkret ist das PCM 100 mit den Kraftstoffeinspritzventilen 11, den Wassereinspritzventilen 13, den Schaltmechanismen 18 und 19 für die Einlassventile 8 und die Auslassventile 9, der Drosselklappe 27, der Wasserförderpumpe 53, den Zündkerzen 12 und dergleichen elektrisch verbunden. Das PCM 100 gibt beruhend auf einem Ergebnis einer Berechnung oder dergleichen Signale zum jeweiligen Steuern dieser Vorrichtungen aus.
  • Als Funktionselemente, die die vorstehend erwähnte Steuerung betreffen, umfasst das PCM 100 ein Rechenmodul 101, ein Kraftstoffeinspritzsteuermodul 102, ein Wassereinspritzsteuermodul 103, ein Ventilsteuermodul 104 und ein Zündsteuermodul 105.
  • Das Rechenmodul 101 führt beruhend auf einem Betriebszustand des Motors, der anhand von Detektionswerten der Sensoren SN1 bis SN5 zu spezifizieren ist, verschiedene Berechnungen durch. Das Kraftstoffeinspritzsteuermodul 102 steuert das Kraftstoffeinspritzventil 11 beruhend auf einem Berechnungsergebnis des Rechenmoduls 101. Das Wassereinspritzsteuermodul 103 steuert das Wassereinspritzventil 13 und die Wasserzufuhrvorrichtung 50 (die Wasserförderpumpe 53) beruhend auf einem Berechnungsergebnis des Rechenmoduls 101. Das Ventilsteuermodul 104 steuert die Schaltmechanismen 18 und 19 beruhend auf einem Berechnungsergebnis des Rechenmoduls 101. Das Zündsteuermodul 105 steuert die Zündkerze 12 beruhend auf einem Berechnungsergebnis des Rechenmoduls 101.
  • Genauer gesagt ermittelt das Rechenmodul 101 eine Einspritzmenge und einen Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil 11 beruhend auf einer Motorlast, die aus Detektionswerten (einem Ansaugluftdurchsatz und einem Gaspedalöffnungswinkel) des Luftmengensensors SN2 und des Gaspedalsensors SN5 zu spezifizieren ist, und beruhend auf einer Motordrehzahl, die von dem Kurbelwinkelsensor SN1 detektiert wird. Das Kraftstoffeinspritzsteuermodul 102 steuert das Kraftstoffeinspritzventil 11 gemäß der Ermittlung des Rechenmoduls 101.
  • Ferner ermittelt das Rechenmodul 101 eine Einspritzmenge und einen Einspritzzeitpunkt von Wasser durch das Wassereinspritzventil 13 beruhend auf der Motorlast und der Motordrehzahl und beruhend auf einer Ansauglufttemperatur, die von dem Ansauglufttemperatursensor SN3 detektiert wird. Das Wassereinspritzsteuermodul 103 steuert das Wassereinspritzventil 13 gemäß der Ermittlung des Rechenmoduls 101. Zusätzlich zu dem Vorstehenden treibt das Wassereinspritzsteuermodul 103 die Wasserförderpumpe 53 so an, dass beruhend auf dem von dem Wasserdrucksensor detektierten Innendruck des Speicherrails 56 ein Innendruck des Speicherrails 56 (ein Druck von in dem Speicherrail 56 gespeichertem Wasser) bei einem erforderlichen Druck (10 MPa) oder höher gehalten wird.
  • Ferner ermittelt das Rechenmodul 101 beruhend auf der Motorlast, der Motordrehzahl und dergleichen welcher von einem Zustand, bei dem Hubkennlinien des Einlassventils 8 und Hubkennlinien des Auslassventils 9 jeweils die erste Kennlinie IN1 und die erste Kennlinie EX1 sind, und einem Zustand, bei dem Hubkennlinien des Einlassventils 8 und Hubkennlinien des Auslassventils 9 jeweils die zweite Kennlinie IN2 und die zweite Kennlinie EX2 sind, gewählt werden soll. Das Ventilsteuermodul 104 steuert die Schaltmechanismen 18 und 19 gemäß der Ermittlung des Rechenmoduls 101.
  • Ferner ermittelt das Rechenmodul 101 beruhend auf der Motorlast, der Motordrehzahl oder dergleichen einen Zeitpunkt (einen Zündzeitpunkt), bei dem von der Zündkerze 12 ein Funke abgegeben wird. Das Zündsteuermodul 105 steuert die Zündkerze 12 gemäß der Ermittlung des Rechenmoduls 101.
  • (4) Betriebszustandsabhängige Steuerung
  • Als Nächstes wird eine Steuerung des Kraftstoffeinspritzventils 11, der Schaltmechanismen 18 und 19 sowie des Wassereinspritzventils 13 durch das PCM 100 näher beschrieben.
  • 5 ist ein Kennfelddiagramm zum Beschrieben von Unterschieden bei der Steuerung in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Motors (einer Motorlast/einer Motordrehzahl). Wie vorstehend beschrieben wird in der Ausführungsform SPCCI-Verbrennung, bei der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch von der Zündkerze 12 gezündet wird, um Selbstzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches um einen Zündpunkt zu bewirken, in allen Betriebsbereichen des Motors ausgeführt. In der Ausführungsform wird SPCCI-Verbrennung unterschiedlicher Modalitäten in einem ersten Betriebsbereich A1, der einen Niederlastbereich des Motors umfasst, und in einem zweiten Betriebsbereich A2, in dem die Last höher als in dem ersten Betriebsbereich A1 ist, ausgeführt. Im Einzelnen wird in dem ersten Betriebsbereich A1 an der Niederlastseite SPCCI-Verbrennung, bei nach Reformieren von Kraftstoff der Kraftstoff selbstgezündet wird, durchgeführt, und in dem zweiten Betriebsbereich A2 an der Hochlastseite wird SPCCI-Verbrennung, bei der Kraftstoff ohne einen Reformiervorgang selbstgezündet wird, durchgeführt. Das Vorhandensein oder Fehlen von Wassereinspritzung durch das Wassereinspritzventil 13, Ventilkennlinien des Einlassventils 8 und des Auslassventils 9 und ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt durch das Kraftstoffeinspritzventil 11 unterscheiden sich daher zwischen dem ersten Betriebsbereich A1 und dem zweiten Betriebsbereich A2 voneinander.
  • (i) Steuerung im ersten Betriebsbereich
  • 6 ist ein Zeitdiagramm zum Beschreiben von Steuerungsinhalt, der in dem ersten Betriebsbereich A1 an der Niederlastseite durchzuführen ist. Wie in 6 dargestellt ist, werden in dem ersten Betriebsbereich A1 die Schaltmechanismen 18 und 19 so gesteuert, dass die Hubkennlinie des Einlassventils 8 bzw. die Hubkennlinie des Auslassventils 9 die erste Kennlinie IN1 und die erste Kennlinie EX1 wird, und in einem Zeitraum, der den oberen Auslass-Totpunkt (den linken OT) umfasst, wird der negative Überlappungszeitraum X gebildet. Während des negativen Überlappungszeitraums X wird ferner Wasser von dem Wassereinspritzventil 13 eingespritzt und Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 eingespritzt. Ferner wird in der Nähe des oberen Verdichtungs-Totpunkts (dem rechten OT) ein Funke von der Zündkerze 12 abgegeben.
  • In dem ersteren Teil X1 des negativen Überlappungszeitraums X wird im Einzelnen von dem Wassereinspritzventil 13, der ein Zeitraum von einer Schließzeit des Auslassventils 9 zu dem oberen Auslass-Totpunkt ist, Wassereinspritzung durchgeführt, wird im Einzelnen an einem Zeitpunkt in dem ersteren Teil X1 durchgeführt,
    wenn die Zylindertemperatur auf eine Temperatur, die in einem Temperaturbereich enthalten ist, in dem es zu einer Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff kommt, oder auf eine Temperatur, die den Temperaturbereich übersteigt, angestiegen ist. Im Einzelnen ist in dem ersteren Teil X1 des negativen Überlappungszeitraums X der Kolben 5 in einem Zustand angehoben, in dem sowohl das Einlassventil 8 als auch das Auslassventil 9 geschlossen sind. Daher wird begleitet von einem Anheben des Kolbens 5 Gas (überwiegend verbranntes Gas) in dem Zylinder 2 verdichtet. Dann wird die Zylindertemperatur auf eine Temperatur, die in einem Temperaturbereich enthalten ist, in dem eine Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff auftritt, oder eine Temperatur, die den Temperaturbereich an einem Zeitpunkt, bevor der Kolben 5 den oberen Auslass-Totpunkt erreicht, übersteigt, angehoben. Zu beachten ist, dass die Niedertemperatur-Oxidationsreaktion eine langsame Oxidationsreaktion ist, die in einer Phase vor einer Hochtemperatur-Oxidationsreaktion auftritt, d. h. eine Reaktion, bei der Kraftstoff kräftig oxidiert (eine Flammenerzeugung begleitende Reaktion), tritt auf, und ist eine Reaktion, die in einem Temperaturbereich von nicht weniger als etwa 500°C, aber nicht höher als 650°C auftritt. Im Folgenden wird ein Temperaturbereich (etwa 600 bis 650°C), bei dem die vorstehend erwähnte Niedertemperatur-Oxidationsreaktion auftritt, als Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich bezeichnet.
  • Zum Ausführen von Wassereinspritzung bei dem vorstehend erwähnten Zeitpunkt ermittelt das Rechenmodul 101 anhand von Berechnung beruhend auf einer Motorlast/einer Motordrehzahl, einer Ansauglufttemperatur und dergleichen an jedem Zeitpunkt, der von dem Kurbelwinkelsensor SN1, dem Luftmengensensor SN2, dem Gaspedalsensor SN5 und dem Ansauglufttemperatursensor SN3 zu spezifizieren ist, einen bestimmten Kurbelwinkel, bei dem die Zylindertemperatur auf eine vorbestimmte Temperatur (z. B. eine Temperatur in einem Bereich von 500 bis 750°C), die in dem Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich enthalten ist, oder eine Temperatur, die den Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich übersteigt, angehoben wird. Danach steuert das Wassereinspritzsteuermodul 103, um Wasser ein vorbestimmten Menge von dem Wassereinspritzventil 13 an einem Zeitpunkt einzuspritzen, bei dem der von dem Rechenmodul 101 ermittelte spezifische Kurbelwinkel erreicht wird.
  • Bei einem Zeitpunkt etwas später als die Wassereinspritzung des Wassereinspritzventils 13 wird von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 Kraftstoffeinspritzung durchgeführt. Im Einzelnen ermittelt das Rechenmodul 101 als Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 11 einen spezifischen Kurbelwinkel, bei dem der Zeitpunkt später als der Zeitpunkt der Wassereinspritzung durch das Wassereinspritzventil 13 und früher als der obere Auslass-Totpunkt liegt. Danach steuert das Kraftstoffeinspritzsteuermodul 102, um Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 an einem Zeitpunkt einzuspritzen, bei dem der von dem Rechenmodul 101 ermittelte spezifische Kurbelwinkel erreicht wird. Ferner wird die in diesem Fall einzuspritzende Kraftstoffmenge beruhend auf einer Motorlast/einer Motordrehzahl ermittelt und wird so ermittelt, dass zum Beispiel bei einer gleichen Motordrehzahl die Einspritzmenge um so größer ist, je höher die Motorlast ist.
  • Ein Teil des Kraftstoffs und Wassers, die wie vorstehend beschrieben in den Zylinder 2 eingespritzt werden, reagiert während eines negativen Überlappungszeitraums in einer Hochtemperaturumgebung und wird zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Diese Reaktion wird als sogenannte Dampfreformierungsreaktion, bei der Kraftstoff (Benzin) mithilfe von Wasser reformiert wird, bezeichnet. Die Reaktion wird durch die folgende Formel (1) dargestellt. Zu beachten ist, dass die Formel (1) eine Reformierungsreaktion von Isooktan (C8H18) angibt, das eine repräsentative Komponente von Benzin ist. C8H18 + 8H2O → 8CO + 17H2 + 11 MJ/kg (1) wobei ”+11 MJ/kg” an der rechten Seite angibt, dass jedes Mal, da eine Reaktion von 1 kg abläuft, Wärme von 11 MJ absorbiert wird. Diese Reaktion ist mit anderen Worten eine endotherme Reaktion.
  • Die vorstehend erwähnte Dampfreformierungsreaktion läuft wahrscheinlich ab, wenn der Höchstwert einer Zylindertemperatur während des negativen Überlappungszeitraums X steigt, und läuft wahrscheinlich ab, wenn ein Zeitraum, in dem die Zylindertemperatur den Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich übersteigt, nach Kraftstoffeinspritzung zunimmt. Im Hinblick auf das Vorstehende ist es unter der Annahme, dass ein Verhältnis von Kraftstoff, der zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) wird, zu dem eingespritzten Kraftstoff (Benzin) eine Kraftstoffreformierungsrate ist, möglich, durch Ändern des Einspritzzeitpunkts von Kraftstoff die Kraftstoffreformierungsrate anzupassen. In einem Zustand, in dem der Höchstwert einer Zylindertemperatur während des negativen Überlappungszeitraums X der gleiche ist, ist zum Beispiel die Kraftstoffreformierungsrate um so höher, je früher der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt liegt, und ist die Kraftstoffreformierungsrate um so niedriger, je später der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt liegt. Selbst in einem Fall, da der Höchstwert einer Zylindertemperatur aufgrund einer unterschiedlichen Motorlast oder dergleichen differiert, ist es mit anderen Worten möglich, durch Anpasse des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts die Kraftstoffreformierungsrate im Wesentlichen gleich zu machen. Verglichen mit einem Fall, da der Höchstwert eines Zylinderdrucks niedrig ist, ist es in einem Fall, da der Höchstwert eines Zylinderdrucks hoch ist, konkret möglich, durch Spätverstellen des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts die Kraftstoffreformierungsrate im Wesentlichen gleich zu machen.
  • In der Ausführungsform wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt so angepasst, dass die vorstehend erwähnte Kraftstoffreformierungsrate im Wesentlichen nicht niedriger als 40%, aber nicht höher als 60% ist. Dies liegt daran, dass der vorstehend erwähnte Bereich zum Erhalten von Kraftstoffeigenschaften geeignet ist, die sich für die später näher beschriebene SPCCI-Verbrennung eignen. Durch das Einstellen der Kraftstoffreformierungsrate von 40% auf 60% kann reformierter Kraftstoff ein Gemisch sein, in dem Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Benzin (C8H18) gemischt sind.
  • Kraftstoff (eine Mischung aus Benzin, Wasserstoff und Kohlenmonoxid), der wie vorstehend beschrieben während des negativen Überlappungszeitraums X reformiert wird, wird mit Luft gemischt, um begleitet von einem Öffnen des Einlassventils 8, das nach dem Reformiervorgang ausgeführt wird, in den Zylinder 2 eingeleitet zu werden. Wenn der Zeitpunkt des Verdichtungstakts erreicht ist und das Einlassventil 8 geschlossen wird, beginnt Gas in dem Zylinder 2 (eine Mischung aus reformiertem Kraftstoff, Luft und verbranntem Gas) dann im Wesentlichen ab dem Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils 8 verdichtet zu werden, und das Innere des Zylinders 2 wird in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht, unmittelbar bevor der Kraftstoff in der Nähe des oberen Verdichtungs-Totpunkts (der rechte OT) selbstentzündbar ist. In der Ausführungsform wird mit anderen Worten ein effektives Verdichtungsverhältnis jedes Zylinders 2, mit anderen Worten ein Verhältnis zwischen dem Volumen des Brennraums C bei dem Kolben 5 an dem oberen Totpunkt und dem Volumen des Brennraums C bei einem Zeitpunkt, da das Einlassventil 8 geschlossen wird, auf einen Wert gesetzt, bei dem das Innere des Zylinders 2 in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht wird, bis unmittelbar bevor Kraftstoff selbstentzündbar ist (bis zu einem Zustand, in dem Kraftstoff durch Fremdzündung mühelos selbstgezündet wird).
  • An einem Zeitpunkt, an dem wie vorstehend beschrieben das Innere des Zylinders 2 in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht wird, wird durch die Zündkerze 12 Fremdzündung ausgeführt. Zum Beispiel ermittelt das Rechenmodul 101 beruhend auf einem Kennfeld oder dergleichen, in dem der Kraftstoffsollzündzeitpunkt vorab für jeden Betriebszustand ermittelt ist (eine Motorlast/eine Motordrehzahl), als Zündzeitpunkt der Zündkerze 12 einen spezifischen Kurbelwinkel, bei dem ein Kraftstoffsollzündzeitpunkt erreichbar ist, Danach liefert das Zündsteuermodul 105 der Zündkerze 12 Energie, um bei einem Zeitpunkt, bei dem der von dem Rechenmodul 101 ermittelte spezifische Kurbelwinkel erreicht ist, von einer Elektrode der Zündkerze 12 einen Funken abzugeben
  • 6 zeigt beispielhaft einen Fall, bei dem Fremdzündung im Wesentlichen gleichzeitig mit dem oberen Verdichtungs-Totpunkt ausgeführt wird. In der Nähe einer Elektrode der Zündkerze 12 wird durch erzwungene Zündung aufgrund Fremdzündung ein Flammenkern gebildet, und das Innere des Zylinders 2 wird weiterhin durch Ausbildung des Flammenkerns in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht. Dann wird Kraftstoff in einem Zustand unmittelbar vor Selbstzündung bei einem Zeitpunkt, bei dem Fremdzündung eintritt, ausgelöst durch die Bildung des Flammenkerns um den Flammenkern herum mehrfach gleichzeitig selbstgezündet. Im Einzelnen wird eine SPCCI-Verbrennung, bei der ausgelöst durch Fremdzündung (Bildung eines Flammenkerns) Kraftstoff selbstentzündet und verbrannt wird, ausgeführt.
  • In dem in 6 gezeigten Beispiel ist der Zündzeitpunkt auf einen Zeitpunkt gestellt, der im Wesentlichen mit dem oberen Verdichtungs-Totpunkt zusammenfällt. Alternativ kann der Zündzeitpunkt abhängig von einem Betriebszustand des Motors (einer Motorlast/einer Motordrehzahl) auf einen Zeitpunkt gesetzt werden, der von dem oberen Verdichtungs-Totpunkt zu der Frühverstellseite verschoben ist, oder kann auf einen Zeitpunkt gesetzt werden, der von dem oberen Verdichtungs-Totpunkt zu der Spätverstellseite verschoben ist. In jedem Fall wird der Zündzeitpunkt so gesetzt, dass er in einer späteren Phase eines Verdichtungstakts oder einer Anfangsphase eines Arbeitstakts enthalten ist. Zu beachten ist, dass in der Schrift eine spätere Phase eines Verdichtungstakts ein Bereich von 60° CA vor dem oberen Verdichtungs-Totpunkt (VOT) bis zum oberen Verdichtungs-Totpunkt ist und eine Anfangsphase eines Arbeitstakts ein Bereich von dem oberen Verdichtungs-Totpunkt bis 60° CA nach dem oberen Verdichtungs-Totpunkt (NOT) ist. In der Ausführungsform wird die Zündkerze 12 im Einzelnen so gesteuert, dass der Zündzeitpunkt in einer späteren Phase eines Verdichtungstakts oder in einer Anfangsphase eines Arbeitstakts (VOT 60° CA bis NOT 60° CA) enthalten ist.
  • (ii) Steuerung im zweiten Betriebsbereich
  • In dem zweiten Betriebsbereich A2, in dem die Last höher als in dem ersten Betriebsbereich A1 ist, wird eine normale SPCCI-Verbrennung, die keinen Kraftstoffreformierungsprozess begleitet, durchgeführt. In dem zweiten Betriebsbereich A2 werden konkret die Schaltmechanismen 18 und 19 so gesteuert, dass die Hubkennlinie des Einlassventils 8 und die Hubkennlinie des Auslassventils 9 die zweite Kennlinie IN2 bzw. die zweite Kennlinie EX2 sind (siehe 3). Dies geschieht, um die Bildung des negativen Überlappungszeitraums X zu eliminieren und in den Zylinder 2 eine große Menge Luft (Frischluft) einzuleiten, die für einen Hochlastzustand ausreicht. Ferner wird beispielsweise Kraftstoff während eines Zeitraums ab einem Schließzeitpunkt des Einlassventils 8 zu dem oberen Verdichtungs-Totpunkt (mit anderen Worten während eines Verdichtungstakts) von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 eingespritzt und nach der Kraftstoffeinspritzung wird Fremdzündung durch die Zündkerze 12 ausgeführt. Dann wird durch zwangsweise Zündung aufgrund von Fremdzündung SPCCI-Verbrennung ausgeführt, so dass ein Flammenkern ausgebildet wird und Kraftstoff um den Flammenkern selbstentzündet wird. Zu beachten ist, dass es in dem zweiten Betriebsbereich A2 nicht erforderlich ist, einen Kraftstoffreformierungsprozess durch eine Dampfreformierungsreaktion auszuführen. Daher wird Wassereinspritzung durch das Wassereinspritzventil 13 natürlich gestoppt.
  • (5) Vorteilhafte Wirkungen
  • Bei dem Motor der Ausführungsform werden wie vorstehend beschrieben das Einlassventil 8 und das Auslassventil 9 so gesteuert, dass der negative Überlappungszeitraum X, in dem sowohl das Einlassventil 8 als auch das Auslassventil 9 während eines Betriebs in dem ersten Betriebsbereich A1, in dem die Last relativ niedrig ist, über dem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind. Ferner werden während des negativen Überlappungszeitraums X Kraftstoff und Wasser von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 bzw. dem Wassereinspritzventil 13 eingespritzt und ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs reagiert mit Wasser in dem Zylinder 2 und wird zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt (eine Dampfreformierungsreaktion). Die vorstehend erwähnte Auslegung ermöglicht das restlose Verwenden von reformiertem Kraftstoff und ist beim Verbessern von Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors vorteilhaft.
  • In der Ausführungsform wird konkret der negative Überlappungszeitraum X, in dem sowohl das Einlassventil 8 als auch das Auslassventil 9 über dem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind, gebildet, wodurch innere AGR ausgeführt wird, so dass verbranntes Gas in dem Zylinder 2 verbleiben kann. Das verbleibende verbrannte Gas (inneres AGR-Gas) wird ferner durch Anheben des Kolbens 5 während des negativen Überlappungszeitraums X verdichtet und das Innere des Zylinders 2 wird in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht. Das Einspritzen von Kraftstoff und Wasser in den Zylinder 2 in einem Hochtemperatur- und Hochdruckzustand lässt ferner einen Teil von eingespritztem Kraftstoff mit Wasser reagieren, während Wärme um den Kraftstoff herum absorbiert wird, wodurch der Teil des Kraftstoff in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt wird (eine Dampfreformierungsreaktion). Zu beachten ist, dass verglichen mit Kraftstoff (Benzin) vor Reformieren Wasserstoff und Kohlenmonoxid hohe Enthalpie aufweisen. Wenn angenommen wird, dass die gesamte Menge an Isooktan (C8H18), die eine repräsentative Komponente von Benzin ist, k in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt wird (H2 + CO), weist beispielsweise, wie in 7 gezeigt, reformierter Kraftstoff Enthalpie auf, die um 24% höher als die Enthalpie von Isooktan vor Reformieren ist. Bei Verbrennen von reformiertem Kraftstoff in einem Arbeitstakt, wie vorstehend beschrieben, wird einhergehend mit der Verbrennung eine größere Wärmemenge erzeugt. Verglichen mit einem Fall, bei dem Kraftstoff nicht reformiert wird, nimmt daher die Arbeit (Volumenarbeit) beim Schieben des Kolbens 5 nach unten zu. Dies bedeutet, dass ein Teil der Wärme (Abwärme), die von dem Zylinder 2 abzugeben ist, als Arbeit gewonnen wird, es wird mit anderen Worten eine Abwärmerückgewinnung ausgeführt. Im Einzelnen ist es möglich, die angegebene Wirksamkeit, d. h. ein Verhältnis, bei dem als Kraftstoff gelieferte Energie in Arbeit umgewandelt wird, durch die Abwärmerückgewinnung zu verbessern. Zusätzlich zu dem Vorstehenden wird Kraftstoff in dem Zylinder 2 reformiert. Im Gegensatz beispielsweise zu einem Fall, in dem Kraftstoff an der Außenseite des Zylinders 2 reformiert wird und der reformierte Kraftstoff in den Zylinder 2 eingeleitet wird, ist es daher möglich, im Grunde die gesamte Menge reformierten Kraftstoffs in dem Zylinder 2 zu verbrennen und mithilfe der Verbrennungsenergie effizient Arbeit zu gewinnen. Weiterhin wird einhergehend mit einem Fortschreiten einer Reformierungsreaktion Wärme absorbiert. Daher ist es möglich, einen Anstieg der Zylindertemperatur während des negativen Überlappungszeitraums X zu unterbinden und einen Kühlverlust des Motors zu reduzieren. Wie vorstehend beschrieben kann bei der Ausführungsform der angegebene Wirkungsgrad durch Abwärmerückgewinnung verbessert und Kühlverlust reduziert werden. Dies ist beim Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors vorteilhaft.
  • In der Ausführungsform wird ferner Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 bei einem Zeitpunkt etwas später als Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil 13 eingespritzt. Dies ermöglicht vor Beginn einer Kraftstoffreformierungsreaktion das Zuführen einer ausreichenden Wassermenge in den Zylinder 2 und das Erleichtern der Kraftstoffreformierungsreaktion.
  • In der Ausführungsform wird ferner nach Beginn des negativen Überlappungszeitraums X an einem Zeitpunkt, bei dem die Zylindertemperatur auf eine in dem Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich (ein Temperaturbereich, bei dem es zu einer Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff kommt) enthaltene Temperatur oder eine den Temperaturbereich übersteigende Temperatur angehoben ist, Wasser von dem Wassereinspritzventil 13 eingespritzt. Im Gegensatz zu einem Fall, bei dem beispielsweise Wasser in einer Anfangsphase des negativen Überlappungszeitraums X eingespritzt wird, kann daher unterbunden werden, dass ein Anstieg der Zylindertemperatur durch Wassereinspritzung behindert wird, und die Zylindertemperatur kann daher effizient angehoben werden. In einer Anfangsphase des negativen Überlappungszeitraums X wird im Einzelnen der Kolben 5 bei einer relativ hohen Geschwindigkeit in dem Zylinder 2 in einem abgedichteten Zustand angehoben. Daher wird einhergehend mit einem Anheben (Verdichtung) des Kolbens 5 die Zylindertemperatur schnell erhöht. Wenn aber angenommen wird, dass in einem Zeitraum, in dem wie vorstehend beschrieben die Zylindertemperatur wahrscheinlich ansteigt, Wassereinspritzung ausgeführt wird, kann durch Absorption von latenter Wärme durch eingespritztes Wasser ein Temperaturanstieg erschwert werden und die Zylindertemperatur kann nicht auf einen ausreichend hohen Wert angehoben werden. In der Ausführungsform wird dagegen Wasser bei einem Zeitpunkt eingespritzt, bei dem die Zylindertemperatur in dem Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich auf eine ausreichend hohe Temperatur oder eine den Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich übersteigende Temperatur angehoben ist. Dies ermöglicht das effiziente Anheben der Zylindertemperatur in einer Anfangsphase des negativen Überlappungszeitraums X und das Verwirklichen einer Zylinderumgebung, in der das Innere des Zylinders mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht wird, der zum Reformieren von Kraftstoff erforderlich ist.
  • Bei der Ausführungsform ist ferner der letztere Teil X2 (ein Kurbelwinkelbereich von dem oberen Auslass-Totpunkt zu einem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 8) des negativen Überlappungszeitraums X länger als der erstere Teil X1 (ein Kurbelwinkelbereich von dem Schließzeitpunkt des Auslassventils 9 zu dem oberen Auslass-Totpunkt) des negativen Überlappungszeitraums X eingestellt. Dies ist beim Verhindern eines Rückströmens von kraftstoffhaltigem Gas in dem Zylinder 2 zu dem Ansaug-Port 6 einhergehend mit einem Öffnen des Einlassventils 8 vorteilhaft. Im Einzelnen werden bei der Ausführungsform Kraftstoff und Wasser während des negativen Überlappungszeitraums X eingespritzt. Die Gasmenge in dem Zylinder 2 wird mit anderen Worten während des negativen Überlappungszeitraums X angehoben. Wenn angenommen wird, dass der erstere Teil X1 und der letztere Teil X2 des negativen Überlappungszeitraums X einander entsprechend festgelegt sind, ist verglichen mit dem Beginn des negativen Überlappungszeitraums X (bei einem Schließzeitpunkt des Auslassventils 9) der Zylinderdruck am Ende des negativen Überlappungszeitraums X (bei einem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 8) hoch. Dies kann ein Phänomen hervorrufen, dass unmittelbar nach Öffnen des Einlassventils 8 Gas in dem Zylinder 2 zurück zu dem Ansaug-Port 6 strömt. Dies kann zu einer Abnahme der in dem Zylinder 2 vorhandenen Kraftstoffmenge führen. Bei der Ausführungsform dagegen, bei der der letztere Teil X2 länger als der erstere Teil X1 des negativen Überlappungszeitraums X eingestellt ist, kann ein Phänomen, dass Gas wie vorstehend beschrieben zurück zu dem Ansaug-Port 6 strömt, verhindert werden. Dies ermöglicht ein Sicherstellen von Kraftstoff erwünschter Menge in dem Zylinder 2 sowie das Erzeugen eines ausreichenden Abtriebsdrehmoments.
  • Bei der Ausführungsform wird ferner von der Wasserzufuhrvorrichtung 50 erwärmtes und druckbeaufschlagtes Wasser dem Wassereinspritzventil 13 zugeführt, um Wasser einer Temperatur von 200°C oder höher und eines Drucks von 10 MPa oder höher von dem Wassereinspritzventil 13 einzuspritzen. Dies ermöglicht ein geeignetes Liefern von Wasser einer erforderlichen Menge in den Zylinder 2, während ein Sinken der Zylindertemperatur unterbunden wird. Konkret wird von dem Wassereinspritzventil 13 Wasser bei einem Druck von 10 MPa oder höher eingespritzt. Dies ermöglicht das ungehinderte Einspritzen von Wasser von dem Wassereinspritzventil 13 in den Zylinder 2, der während des negativen Überlappungszeitraums X auf einen druckbeaufschlagten Zustand gebracht wird. Von dem Wassereinspritzventil 13 einzuspritzendes Wasser ist ferner Hochtemperaturwasser von 200°C oder höher. Dies ermöglicht das Unterbinden eines Absinkens der Zylindertemperatur einhergehend mit der Wassereinspritzung und das Verhindern eines Erschwerens einer Kraftstoffreformierungsreaktion durch Temperaturabsinken.
  • Bei der Ausführungsform wird ferner das geometrische Verdichtungsverhältnis jedes Zylinders 2 so festgelegt, dass es nicht kleiner als 16, aber nicht größer als 30 ist. Daher kann ein Hubbetrag (ein Verdichtungsbetrag) eines Kolbens während eines Zeitraums ab einem Schließzeitpunkt des Auslassventils 9 bis zu dem oberen Auslass-Totpunkt gewährleistet und die Zylindertemperatur während des negativen Überlappungszeitraums X ausreichend erhöht werden, ohne den negativen Überlappungszeitraum X übermäßig zu vergrößern. Dies ermöglicht das zuverlässige Reformieren von Kraftstoff in dem Zylinder 2 in einem Hochtemperaturzustand während des negativen Überlappungszeitraums X, während eine übermäßige Abnahme der in den Zylinder 2 einzuleitenden Ansaugluftmenge vermieden wird.
  • In der Ausführungsform wird ferner in dem ersten Betriebsbereich A1, bei dem Steuerung zum Reformieren von Kraftstoff (Wassereinspritzung und Kraftstoffeinspritzung während des negativen Überlappungszeitraums X) ausgeführt wird, SPCCI-Verbrennung ausgeführt, so dass in einem Zylinder durch zwangsweise Zündung aufgrund von Fremdzündung ein Flammenkern gebildet wird und Kraftstoff um den Flammenkern herum selbstentzündet wird. Daher kann mithilfe von Eigenschaften eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden reformierten Kraftstoffs Verbrennung mit verbessertem Wärmewirkungsgrad und mit hoher Steuerbarkeit durchgeführt werden. In reformiertem Kraftstoff enthaltener Wasserstoff weist verglichen mit Kraftstoff (Benzin) vor dem Reformieren im Einzelnen etwa Eigenschaften wie hohe Flammenausbreitungsgeschwindigkeit auf. Das Ausführen von Fremdzündung bezüglich wasserstoffhaltigen reformierten Kraftstoffs mit den vorstehend erwähnten Eigenschaften ermöglicht daher das schnelle und zuverlässige Ausbilden eines Flammenkerns. Bei Ausbilden eines Flammenkerns wird Kraftstoff um den Flammenkern durch eine Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlung in dem Zylinder 2, die mit der Ausbildung des Flammenkerns einhergeht, mehrfach gleichzeitig selbstentzündet. Dies ermöglicht das Abschließen von Verbrennung in einem kurzen Zeitraum und das Ausführen von Verbrennung mit geringerem Auslassverlust und mit verbessertem Wärmewirkungsgrad. Zusätzlich zu dem Vorstehenden kann der Zeitpunkt gesteuert werden, bei dem Kraftstoff durch Fremdzündung selbstentzündet wird. Dies ermöglicht das Erhalten eines gewünschten Verbrennungsmusters für jeden Betriebszustand und das Verbessern von Steuerbarkeit der Verbrennung.
  • Bei der Ausführungsform wird insbesondere die Kraftstoffreformierungsrate, d. h. ein Verhältnis von Kraftstoffs, der zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird, zu eingespritztem Kraftstoff (Benzin), auf nicht weniger als 40%, aber nicht höher als 60% gesetzt. Daher kann eine Situation verhindert werden, bei der Kraftstoff vor Fremdzündung versehentlich selbst zündet, und die Kraftstoffsteuerbarkeit verbessert werden.
  • 8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Zündzeitpunkt und einer Kraftstoffreformierungsrate in einem Fall zeigt, bei dem Kraftstoff ohne Unterstützung durch Fremdzündung (z. B. nur durch Verdichtung) selbstgezündet wird. Aus dem Graph von 8 ist ersichtlich, dass ein Zündzeitpunkt in einem Fall, da Kraftstoff reformiert wird, auf spät verstellt wird, reformierter Kraftstoff weist mit anderen Worten solche Eigenschaften auf, dass in einem Bereich, in dem die Reformierungsrate niedriger als etwa 70% ist, ein Selbstzünden von Kraftstoff unwahrscheinlicher ist. Genauer gesagt wird ein Zündzeitpunkt auf spät verstellt, wenn die Reformierungsrate allmählich von 0% angehoben wird, und wenn die Reformierungsrate etwa 20% erreicht, wird ein am stärksten auf spät verstellter Zündzeitpunkt erhalten. Eine Spätverstellbreite des Zündzeitpunkts wird danach allmählich kleiner, während die Reformierungsrate zunimmt. Wenn die Reformierungsrate etwa 70% erreicht, ist der Zündzeitpunkt gleich dem Zündzeitpunkt von Kraftstoff vor dem Reformieren (die Kraftstoffreformierungsrate ist mit anderen Worten = 0%). Wenn die Reformierungsrate größer als 70% ist, wird ferner verglichen mit Kraftstoff vor einem Reformieren der Zündzeitpunkt auf früh verstellt.
  • In der Ausführungsform, in der Kraftstoff mit der vorstehend erwähnten Beziehung zwischen einer Reformierungsrate und einem Zündzeitpunkt genutzt wird, weist, wenn die Reformierungsrate auf 40% bis 60% eingestellt ist, reformierter Kraftstoff verglichen mit Kraftstoff vor Reformieren solche Eigenschaften auf, dass ein Selbstentzünden von Kraftstoff weniger wahrscheinlich ist. Gemäß dieser Auslegung kann eine Situation vermieden werden, bei der Kraftstoff vor Fremdzündung selbstentzündet werden kann, während ein effektives Verdichtungsverhältnis des Motors auf einen relativ hohen Wert gesetzt wird; und Verbrennung kann mit hoher Steuerbarkeit ausgeführt werden, so dass der Zeitpunkt der Selbstzündung durch Fremdzündung verstellbar ist. Etwa die halbe Kraftstoffmenge wird ferner in Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit hoher Enthalpie umgewandelt. Dies ermöglicht das Verbessern der Effizienz der Abwärmerückgewinnung und ist beim Verbessern von Kraftstoffwirtschaftlichkeit vorteilhaft.
  • (6) Abwandlungen
  • In der Ausführungsform wird von dem Wassereinspritzventil 13 Hochtemperaturwasser einer Temperatur von 200°C oder höher bei einem Druck von 10 MPa oder höher eingespritzt. Von einem Wassereinspritzventil einzuspritzendes Wasser kann eine Temperatur aufweisen, die mindestens höher als die Temperatur von Motorkühlwasser in warmem Zustand ist. Ein Einspritzdruck von Wasser kann ferner ein Druck sein, bei dem während eines negativen Überlappungszeitraums Wasser in einen Zylinder einspritzbar ist (ein Zylinder in einem Hochdruckzustand bedingt durch Verdichtung). Im Hinblick auf diese Punkte kann die Temperatur von Wasser, das von einem Wassereinspritzventil einzuspritzen ist, bei 100°C oder höher liegen und der Einspritzdruck von Wasser kann bei 5 MPa oder höher liegen.
  • In der Ausführungsform wird ferner Wasser von dem Wassereinspritzventil 13 bei einem Zeitpunkt innerhalb des negativen Überlappungszeitraums X eingespritzt, bei dem die Zylindertemperatur auf eine Temperatur (z. B. eine Temperatur von 500 bis 750°C), die in dem Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich enthalten ist, oder eine den Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich übersteigende Temperatur angehoben ist. Der Wassereinspritzzeitpunkt ist aber nicht auf das Vorstehende beschränkt. Wasser kann eingespritzt werden, bevor die Zylindertemperatur den Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich erreicht (mit anderen Worten bei einem Zeitpunkt, bevor die Zylindertemperatur 500°C erreicht). In der Ausführungsform wird ferner Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 11 bei einem Zeitpunkt nach Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil 13 eingespritzt. Der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt ist aber nicht auf das Vorstehende beschränkt. Die Einspritzung von Kraftstoff kann gleichzeitig mit Wassereinspritzung erfolgen. Alternativ kann Kraftstoff vor Wassereinspritzung eingespritzt werden. In jedem Fall können sowohl der Wassereinspritzzeitpunkt als auch der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt auf einen geeigneten Zeitpunkt geändert werden, sofern sowohl Wasser als auch Kraftstoff während eines negativen Überlappungszeitraums eingespritzt werden, und es kommt zu einer Reformierungsreaktion, bei der mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff (Benzin) zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird.
  • In der Ausführungsform wird ferner ein Beispiel beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung bei einem Benzinmotor angewendet wird, bei dem in allen Betriebsbereichen des Motors SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, so dass durch zwangsweise Zündung aufgrund von Fremdzündung ein Flammenkern in einem Zylinder gebildet und Kraftstoff um den Flammenkern herum selbstentzündet wird. Der Motor, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist aber nicht auf den vorstehend erwähnten Motor beschränkt. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung anwendbar bei einem Benzinmotor, bei dem HCCl-Verbrennung ausgeführt wird, so dass Kraftstoff ohne Unterstützung durch Fremdzündung selbstentzündet wird, bei einem Benzinmotor, bei dem SI-Verbrennung ausgeführt wird, so dass nach Fremdzündung Kraftstoff nur durch Flammenausbreitung verbrannt wird, und bei einem Benzinmotor, bei dem der Verbrennungsmodus abhängig von einem Betriebszustand des Motors zwischen zwei oder mehr Verbrennungsmodi von SPCCI-Verbrennung, HCCl-Verbrennung und SI-Verbrennung umgeschaltet werden kann.
  • In der Ausführungsform wird ferner ein Beispiel beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung bei einem Motor genutzt wird, in dem Benzin als Kraftstoff verwendet wird. Der Motor, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist, kann aber ein Motor sein, bei dem Kraftstoff, der Ethanol als Teilkomponente enthält, zusätzlich zu Benzin verwendet wird, sofern der Motor benzinhaltigen Kraftstoff als Hauptkomponente verwendet.
  • (7) Zusammenfassung
  • Das Folgende ist eine Zusammenfassung der Ausführungsform und der Abwandlungen derselben.
  • Ein Direkteinspritzmotor umfasst einen Zylinder, der ausgelegt ist, um einen Kolben hin- und herbewegbar aufzunehmen; ein Kraftstoffeinspritzventil, das ausgelegt ist, um benzinhaltigen Kraftstoff in den Zylinder einzuspritzen; ein Wassereinspritzventil, das ausgelegt ist, um Wasser in den Zylinder einzuspritzen; ein Einlassventil, das ausgelegt ist, um eine Ansaugöffnung zum Einleiten von Luft in den Zylinder zu öffnen und zu schließen; ein Auslassventil, das ausgelegt ist, um eine Abgasöffnung zum Ablassen von verbranntem Gas aus dem Zylinder zu öffnen und zu schließen; variablen Ventilmechanismus, der ausgelegt ist, um einen Betriebszeitpunkt sowohl des Einlassventils als auch des Auslassventils zu ändern; ein Kraftstoffeinspritzsteuermodul, das ausgelegt ist, um das Kraftstoffeinspritzventil zu steuern; ein Wassereinspritzsteuermodul, das ausgelegt ist, um das Wassereinspritzventil zu steuern; ein Ventilsteuermodul, das ausgelegt ist, um den variablen Ventilmechanismus zu steuern; und ein Rechenmodul, das ausgelegt ist, um beruhend auf einem Betriebszustand des Motors verschiedene Berechnungen durchzuführen. Während eines Betriebs in einem Niederlastbereich, in dem eine Last des Motors niedriger als eine vorbestimmte Last ist, steuert das Ventilsteuermodul den variablen Ventilmechanismus so, dass ein negativer Überlappungszeitraum gebildet wird, in dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil über einem oberen Totpunkt des Auspufftakts geschlossen sind. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich ermittelt das Rechenmodul als Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil und als Einspritzzeitpunkt von Wasser durch das Wassereinspritzventil einen Einspritzzeitpunkt, bei dem in dem Zylinder während des negativen Überlappungszeitraums eine Dampfreformierungsreaktion auftritt, wobei die Dampfreformierungsreaktion solcher Art ist, dass mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff und eingespritztem Wasser zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich steuern das Kraftstoffeinspritzsteuermodul bzw. das Wassereinspritzsteuermodul, um bei einem Zeitpunkt innerhalb des negativen Überlappungszeitraums, der von dem Rechenmodul ermittelt wird, Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil einzuspritzen und Wasser von dem Wassereinspritzventil einzuspritzen.
  • Gemäß der vorstehend erwähnten Auslegung wird konkret der negative Überlappungszeitraum, in dem sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil über dem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind, gebildet, wodurch innere AGR ausgeführt wird, so dass verbranntes Gas in dem Zylinder verbleiben kann. Das verbleibende verbrannte Gas (inneres AGR-Gas) wird ferner durch Anheben des Kolbens während des negativen Überlappungszeitraums verdichtet, um das Innere des Zylinders in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand zu bringen. Durch Einspritzen von Kraftstoff und Wasser in den Zylinder in einem Hochtemperatur- und Hochdruckzustand reagiert ferner ein Teil von eingespritztem Kraftstoff mit Wasser, während Wärme um den Kraftstoff herum absorbiert wird, und wird in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt (eine Dampfreformierungsreaktion). Zu beachten ist, dass verglichen mit Kraftstoff (Benzin) vor Reformieren Wasserstoff und Kohlenmonoxid hohe Enthalpie aufweisen. Bei Verbrennen von reformiertem Kraftstoff mit hoher Enthalpie in einem Arbeitstakt, wie vorstehend beschrieben, wird einhergehend mit der Verbrennung eine größere Wärmemenge erzeugt. Verglichen mit einem Fall, bei dem Kraftstoff nicht reformiert wird, nimmt daher die Arbeit (Volumenarbeit) beim Schieben des Kolbens nach unten zu. Dies bedeutet, dass ein Teil der Wärme (Abwärme), die von dem Zylinder abzugeben ist, als Arbeit extrahiert wird, es wird mit anderen Worten eine Abwärmerückgewinnung ausgeführt. Im Einzelnen ist es möglich, die angegebene Wirksamkeit, d. h. ein Verhältnis, bei dem als Kraftstoff gelieferte Energie in Arbeit umgewandelt wird, durch die Abwärmerückgewinnung zu verbessern. Zusätzlich zu dem Vorstehenden wird Kraftstoff in dem Zylinder reformiert. Im Gegensatz beispielsweise zu einem Fall, in dem Kraftstoff an der Außenseite des Zylinders reformiert wird und der reformierte Kraftstoff in den Zylinder eingeleitet wird, ist es daher möglich, im Grunde die gesamte Menge reformierten Kraftstoffs in dem Zylinder zu verbrennen und mithilfe der Verbrennungsenergie effizient Arbeit zu gewinnen. Weiterhin wird einhergehend mit einem Fortschreiten einer Reformierungsreaktion Wärme absorbiert. Daher ist es möglich, einen Anstieg der Zylindertemperatur während des negativen Überlappungszeitraums zu unterbinden und einen Kühlverlust des Motors zu reduzieren. Wie vorstehend beschrieben kann bei der vorliegenden Erfindung der angegebene Wirkungsgrad durch Abwärmerückgewinnung verbessert und Kühlverlust reduziert werden. Dies ist beim Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors vorteilhaft.
  • Während eines Betriebs in dem Niederlastbereich kann das Kraftstoffeinspritzsteuermodul bevorzugt so steuern, dass Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil zum gleichen Zeitpunkt wie Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil oder bei einem späteren Zeitpunkt als Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil eingespritzt wird.
  • Gemäß der vorstehend erwähnten Auslegung kann vor Beginn einer Kraftstoffreformierungsreaktion eine ausreichende Wassermenge in den Zylinder geliefert werden. Dies ist beim Fördern der Kraftstoffreformierungsreaktion vorteilhaft.
  • Bei der vorstehend erwähnten Auslegung kann während des Betriebs in dem Niederlastbereich das Wassereinspritzsteuermodul bevorzugter so steuern, dass Wasser von dem Wassereinspritzventil bei einem Zeitpunkt eingespritzt wird, bei dem eine Temperatur in dem Zylinder auf eine Temperatur, die in einem Temperaturbereich enthalten ist, in dem eine Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff auftritt, oder eine den Temperaturbereich übersteigende Temperatur angehoben ist. Der Zeitpunkt der Wassereinspritzung kann im Einzelnen in diesem Fall ein Zeitpunkt sein, der in einem ersteren Teil des negativen Überlappungszeitraums enthalten ist und der in einem Zeitraum enthalten ist, in dem eine Temperatur in dem Zylinder bei 500 bis 700°C liegt, wobei der erstere Teil ein Zeitraum von einem Schließzeitpunkt des Auslassventils bis zu dem oberen Auslass-Totpunkt ist.
  • Wenn Wasser eingespritzt wird, nachdem beispielsweise wie vorstehend beschrieben die Zylindertemperatur auf eine Temperatur, die in dem Temperaturbereich (dem Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich) enthalten ist, in dem es zu der Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff kommt, oder eine den Temperaturbereich übersteigende Temperatur angehoben wurde, ist im Gegensatz zu einem Fall, bei dem Wasser in einer Anfangsphase des negativen Überlappungszeitraums eingespritzt wird, ein Unterbinden eines Erschwerens ein Anstiegs der Zylindertemperatur durch Wassereinspritzung und ein effizientes Anheben der Zylindertemperatur möglich. In einer Anfangsphase des negativen Überlappungszeitraums wird im Einzelnen der Kolben bei einer relativ hohen Geschwindigkeit in dem Zylinder in einem abgedichteten Zustand angehoben. Daher wird einhergehend mit einem Anheben (Verdichtung) des Kolbens die Zylindertemperatur schnell erhöht. Wenn aber angenommen wird, dass in einem Zeitraum, in dem wie vorstehend beschrieben die Zylindertemperatur wahrscheinlich ansteigt, Wassereinspritzung ausgeführt wird, kann durch Absorption von latenter Wärme durch eingespritztes Wasser ein Temperaturanstieg erschwert werden und die Zylindertemperatur kann nicht auf einen ausreichend hohen Wert angehoben werden. Bei der vorstehend erwähnten Auslegung wird dagegen Wasser bei einem Zeitpunkt eingespritzt, bei dem die Zylindertemperatur in dem Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich auf eine ausreichend hohe Temperatur oder eine den Niedertemperatur-Oxidationsreaktionsbereich übersteigende Temperatur angehoben ist. Dies ermöglicht das effiziente Anheben der Zylindertemperatur in einer Anfangsphase des negativen Überlappungszeitraums und das Verwirklichen einer Zylinderumgebung, in der das Innere des Zylinders mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand gebracht wird, der zum Reformieren von Kraftstoff erforderlich ist.
  • Während des Betriebs in dem Niederlastbereich kann das Ventilsteuermodul bevorzugt so steuern, dass das Einlassventil und das Auslassventil mittels des variablen Ventilmechanismus so geöffnet und geschlossen werden, dass ein Kurbelwinkelbereich von dem oberen Auslass-Totpunkt zu einem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils größer als ein Kurbelwinkelbereich von einem Schließzeitpunkt des Auslassventils zu dem oberen Auslass-Totpunkt ist.
  • In einem Fall, bei dem der letztere Teil des negativen Überlappungszeitraums (der Kurbelwinkelbereich von dem oberen Auslass-Totpunkt zu dem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils) länger als der erstere Teil des negativen Überlappungszeitraums (der Kurbelwinkelbereich von dem Schließzeitpunkt des Auslassventils zu dem oberen Auslass-Totpunkt) eingestellt ist, kann effizient verhindert werden, dass kraftstoffhaltiges Gas in dem Zylinder einhergehend mit einem Öffnen des Einlassventils zurück zu einem Ansaug-Port strömen kann. Im Einzelnen werden bei der vorliegenden Erfindung Kraftstoff und Wasser während des negativen Überlappungszeitraums eingespritzt. Die Gasmenge in dem Zylinder wird mit anderen Worten vergrößert. Wenn angenommen wird, dass der erstere Teil und der letztere Teil des negativen Überlappungszeitraums einander entsprechend festgelegt sind, ist verglichen mit dem Beginn des negativen Überlappungszeitraums (bei dem Schließzeitpunkt des Auslassventils) der Zylinderdruck am Ende des negativen Überlappungszeitraums (bei dem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils hoch. Dies kann ein Phänomen hervorrufen, dass unmittelbar nach Öffnen des Einlassventils Gas in dem Zylinder zurück zu dem Ansaug-Port strömt. Dies kann zu einer Abnahme der in dem Zylinder vorhandenen Kraftstoffmenge führen. Bei der vorstehend erwähnten Auslegung dagegen, bei der der letztere Teil länger als der erstere Teil des negativen Überlappungszeitraums eingestellt ist, kann ein Phänomen, dass Gas wie vorstehend beschrieben zurück zu dem Ansaug-Port strömen kann, verhindert werden. Dies ermöglicht ein Sicherstellen von Kraftstoff erwünschter Menge in dem Zylinder sowie das Erzeugen eines ausreichenden Abtriebsdrehmoments.
  • Der Direkteinspritzmotor kann bevorzugt ferner eine Wasserzufuhrvorrichtung enthalten, die ausgelegt ist, um dem Wassereinspritzventil Wasser zuzuführen, während das Wasser erwärmt und druckbeaufschlagt wird. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich kann das Wassereinspritzventil dazu dienen, von der Wasserzufuhrvorrichtung zugeführtes Wasser einer Temperatur von 100°C oder höher und eines Drucks von 5 MPa oder höher einzuspritzen.
  • Wird wie vorstehend beschrieben Wasser einer relativ hohen Temperatur und eines relativ hohen Drucks von dem Wassereinspritzventil eingespritzt, kann in einem Hochdruckzustand während des negativen Überlappungszeitraums Wasser ungehindert in den Zylinder eingespritzt werden. Ferner kann ein Sinken der Zylindertemperatur einhergehend mit der Wassereinspritzung unterbunden werden. Dies ermöglicht ein Verhindern eines Erschwerens einer Kraftstoffreformierungsreaktion durch Temperaturabfall.
  • Ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Zylinders kann bevorzugt so festlegt werden, dass es nicht kleiner als 16, aber nicht größer als 30 ist.
  • Gemäß der vorstehend erwähnten Auslegung können ein Hubbetrag (ein Verdichtungsbetrag) des Kolbens während des Zeitraums von dem Schließzeitpunkt des Auslassventils zu dem oberen Auslass-Totpunkt sichergestellt werden, ohne dass der negative Überlappungszeitraum übermäßig vergrößert wird, und die Zylindertemperatur während des negativen Überlappungszeitraums ausreichend erhöht werden. Dies ermöglicht das zuverlässige Reformieren von Kraftstoff in dem Zylinder in einem Hochtemperaturzustand während des negativen Überlappungszeitraums, während eine übermäßige Abnahme der in den Zylinder einzuleitenden Ansaugluftmenge vermieden wird.
  • Der Direkteinspritzmotor kann bevorzugt ferner eine Zündkerze umfassen, die ausgelegt ist, um in einer späteren Phase eines Verdichtungstakts oder in einer Anfangsphase eines Arbeitstakts einen Funken abzugeben, um Kraftstoff in dem Zylinder zu zünden. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich kann das Ventilsteuermodul so steuern, dass das Einlassventil mittels des variablen Ventilmechanismus bei einem Zeitpunkt geschlossen wird, bei dem ein effektives Verdichtungsverhältnis erreicht wird, das SPCCI-Verbrennung ausführen kann, wobei die SPCCI-Verbrennung solcher Art ist, dass nach Bilden eines Flammenkerns in dem Zylinder durch zwangsweise Zündung aufgrund der Fremdzündung Kraftstoff um den Flammenkern herum selbstentzündet wird.
  • Gemäß der vorstehend erwähnten Auslegung kann mithilfe von Eigenschaften eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden reformierten Kraftstoffs Verbrennung mit verbessertem Wärmewirkungsgrad und mit hoher Steuerbarkeit durchgeführt werden. In reformiertem Kraftstoff enthaltener Wasserstoff weist verglichen mit Kraftstoff (Benzin) vor dem Reformieren im Einzelnen etwa Eigenschaften wie hohe Flammenausbreitungsgeschwindigkeit auf. Das Ausführen von Fremdzündung bezüglich wasserstoffhaltigen reformierten Kraftstoffs mit den vorstehend erwähnten Eigenschaften ermöglicht daher das schnelle und zuverlässige Ausbilden eines Flammenkerns. Bei Ausbilden eines Flammenkerns wird Kraftstoff um den Flammenkern durch eine Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlung in dem Zylinder, die mit der Ausbildung des Flammenkerns einhergeht, mehrfach gleichzeitig selbstentzündet. Dies ermöglicht das Abschließen von Verbrennung in einem kurzen Zeitraum und das Ausführen von Verbrennung mit geringerem Auslassverlust und mit verbessertem Wärmewirkungsgrad. Zusätzlich zu dem Vorstehenden kann der Zeitpunkt gesteuert werden, bei dem Kraftstoff durch Fremdzündung selbstentzündet wird. Dies ermöglicht das Erhalten eines gewünschten Verbrennungsmusters für jeden Betriebszustand und das Verbessern von Steuerbarkeit der Verbrennung.
  • Bei dem Motor, bei dem wie vorstehend beschrieben SPCCI-Verbrennung während des Betriebs in dem Niederlastbereich ausgeführt wird, ist es bevorzugt, 40 bis 60% des in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs zu reformieren. Während des Betriebs in dem Niederlastbereich kann im Einzelnen das Kraftstoffeinspritzsteuermodul bevorzugt so steuern, dass Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil bei einem Zeitpunkt eingespritzt wird, bei dem eine Kraftstoffreformierungsrate bei 40 bis 60% liegt, wobei die Kraftstoffreformierungsrate ein Verhältnis von Kraftstoff, der zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird, zu in den Zylinder eingespritzten Kraftstoff ist.
  • Diese Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-172755 , die am 5. September 2016 eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme mitaufgenommen ist.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen umfassend beschrieben wurde, versteht sich, dass für den Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen nahe liegen können. Sofern solche Änderungen und Abwandlungen nicht anderweitig vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, die nachstehend dargelegt ist, abweichen, sollen sie daher als darin enthalten ausgelegt 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 2010-25031 [0002, 0002, 0004]
    • JP 2016-172755 [0103]

Claims (15)

  1. Direkteinspritzmotor, umfassend: einen Zylinder (2), der ausgelegt ist, um einen Kolben (5) hin- und herbewegbar aufzunehmen; ein Kraftstoffeinspritzventil (11), das ausgelegt ist, um benzinhaltigen Kraftstoff in den Zylinder (2) einzuspritzen; ein Wassereinspritzventil (13), das ausgelegt ist, um Wasser in den Zylinder (2) einzuspritzen; ein Einlassventil (8), das ausgelegt ist, um einen Ansaug-Port (6) zum Einleiten von Luft in den Zylinder (2) zu öffnen und zu schließen; ein Auslassventil (9), das ausgelegt ist, um einen Abgas-Port (7) zum Ablassen von verbranntem Gas aus dem Zylinder (2) zu öffnen und zu schließen; einen variablen Ventilmechanismus (18 19), der ausgelegt ist, um einen Betriebszeitpunkt sowohl des Einlassventils (8) als auch des Auslassventils (9) zu ändern; ein Kraftstoffeinspritzsteuermodul (102), das ausgelegt ist, um das Kraftstoffeinspritzventil (11) zu steuern; ein Wassereinspritzsteuermodul (103), das ausgelegt ist, um das Wassereinspritzventil (13) zu steuern; ein Ventilsteuermodul (104), das ausgelegt ist, um den variablen Ventilmechanismus (18, 19) zu steuern; und ein Rechenmodul (101), das ausgelegt ist, um beruhend auf einem Betriebszustand des Motors verschiedene Berechnungen durchzuführen, wobei während eines Betriebs in einem Niederlastbereich (A1), in dem eine Last des Motors niedriger als eine vorbestimmte Last ist, das Ventilsteuermodul (104) den variablen Ventilmechanismus (18, 19) so steuert, dass ein negativer Überlappungszeitraum (X) gebildet wird, in dem sowohl das Einlassventil (8) als auch das Auslassventil (9) über einem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind, während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Rechenmodul (101) als Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil (11) und als Einspritzzeitpunkt von Wasser durch das Wassereinspritzventil (13) einen Einspritzzeitpunkt ermittelt, bei dem in dem Zylinder (2) während des negativen Überlappungszeitraums (X) eine Dampfreformierungsreaktion auftritt, wobei die Dampfreformierungsreaktion solcher Art ist, dass mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff und eingespritztem Wasser zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird, und während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Kraftstoffeinspritzsteuermodul (102) bzw. das Wassereinspritzsteuermodul (103) steuert, um bei einem Zeitpunkt innerhalb des negativen Überlappungszeitraums (X), der von dem Rechenmodul (101) ermittelt wird, Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil (11) einzuspritzen und Wasser von dem Wassereinspritzventil (13) einzuspritzen.
  2. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 1, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Kraftstoffeinspritzsteuermodul (102) so steuert, dass Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil (11) zum gleichen Zeitpunkt wie Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil (13) oder bei einem späteren Zeitpunkt als Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil (13) eingespritzt wird.
  3. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 2, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Wassereinspritzsteuermodul (103) so steuert, dass Wasser von dem Wassereinspritzventil (13) bei einem Zeitpunkt eingespritzt wird, bei dem eine Temperatur in dem Zylinder (2) auf eine Temperatur, die in einem Temperaturbereich enthalten ist, in dem eine Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff auftritt, oder eine den Temperaturbereich übersteigende Temperatur angehoben ist.
  4. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 3, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Wassereinspritzmodul (103) so steuert, dass Wasser von dem Wassereinspritzventil (13) während eines ersteren Teils (X1) des negativen Überlappungszeitraums (X) eingespritzt wird, wobei der erstere Teil (X1) ein Zeitraum von einem Schließzeitpunkt des Auslassventils (9) zu dem oberen Auslass-Totpunkt ist.
  5. Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein geometrisches Verdichtungsverhältnis des Zylinders (2) so festlegt ist, dass es nicht kleiner als 16, aber nicht größer als 30 ist.
  6. Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Ventilsteuermodul (104) so steuert, dass das Einlassventil (8) und das Auslassventil (9) mittels des variablen Ventilmechanismus (18, 19) so geöffnet und geschlossen werden, dass ein Kurbelwinkelbereich von dem oberen Auslass-Totpunkt zu einem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils (8) größer als ein Kurbelwinkelbereich von einem Schließzeitpunkt des Auslassventils (9) zu dem oberen Auslass-Totpunkt ist.
  7. Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend: eine Wasserzufuhrvorrichtung (50), die ausgelegt ist, um dem Wassereinspritzventil (13) Wasser zuzuführen, während sie das Wasser erwärmt und druckbeaufschlagt, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Wassereinspritzventil (13) dazu dient, von der Wasserzufuhrvorrichtung (50) zugeführtes Wasser einer Temperatur von 100°C oder höher und eines Drucks von 5 MPa oder höher einzuspritzen.
  8. Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend: eine Zündkerze (12), die ausgelegt ist, um in einer späteren Phase eines Verdichtungstakts einen Funken abzugeben oder in einer Anfangsphase eines Arbeitstakts Kraftstoff in dem Zylinder (2) zu entzünden, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Ventilsteuermodul (104) so steuert, dass das Einlassventil (8) mittels des variablen Ventilmechanismus (18, 19) bei einem Zeitpunkt geöffnet wird, bei dem ein effektives Verdichtungsverhältnis erreicht wird, das SPCCI-Verbrennung ausführen kann, wobei die SPCCI-Verbrennung solcher Art ist, dass nach Bilden eines Flammenkerns in dem Zylinder (2) durch zwangsweise Zündung aufgrund der Fremdzündung Kraftstoff um den Flammenkern herum selbstentzündet wird.
  9. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 8, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Kraftstoffeinspritzsteuermodul (102) so steuert, dass Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil (11) bei einem Zeitpunkt eingespritzt wird, bei dem eine Kraftstoffreformierungsrate bei 40 bis 60% liegt, wobei die Kraftstoffreformierungsrate ein Verhältnis von Kraftstoff, der zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird, zu in dem Zylinder (2) eingespritzten Kraftstoff ist.
  10. Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Wassereinspritzsteuermodul (103) so steuert, dass Wasser von dem Wassereinspritzventil (13) bei einem Zeitpunkt, der in einem ersteren Teil (X1) des negativen Überlappungszeitraums (X) enthalten ist und in einem Zeitraum, bei dem eine Temperatur in dem Zylinder (2) bei 500 bis 700°C liegt, enthalten ist, eingespritzt wird, wobei der erstere Teil (X1) ein Zeitraum von einem Schließzeitpunkt des Auslassventils (9) zu dem oberen Auslass-Totpunkt ist.
  11. Steuerverfahren für einen Direkteinspritzmotor, der ausgestattet ist mit einem Zylinder (2), der ausgelegt ist, um einen Kolben (5) hin- und herbewegbar aufzunehmen, einem Kraftstoffeinspritzventil (11), das ausgelegt ist, um benzinhaltigen Kraftstoff in den Zylinder (2) einzuspritzen, einem Wassereinspritzventil (13), das ausgelegt ist, um Wasser in den Zylinder (2) einzuspritzen, einem Einlassventil (8), das ausgelegt ist, um einen Ansaug-Port (6) zum Einleiten von Luft in den Zylinder (2) zu öffnen und zu schließen, einem Auslassventil (9), das ausgelegt ist, um einen Abgas-Port (7) zum Auslassen von verbranntem Gas aus dem Zylinder (2) zu öffnen und zu schließen, und einem variablen Ventilmechanismus (18, 19), der ausgelegt ist, um einen Betriebszeitpunkt sowohl des Einlassventils (8) als auch des Auslassventils (9) zu ändern, wobei das Steuerverfahren umfasst: während eines Betriebs in einem Niederlastbereich (A1), in dem eine Last des Motors niedriger als eine vorbestimmte Last ist, Steuern des variablen Ventilmechanismus (18, 19) so, dass ein negativer Überlappungszeitraum (X) gebildet wird, in dem sowohl das Einlassventil (8) als auch das Auslassventil (9) über einem oberen Auslass-Totpunkt geschlossen sind; Ermitteln als Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil (11) und als Einspritzzeitpunkt von Wasser durch das Wassereinspritzventil (13) eines Einspritzzeitpunkts, bei dem in dem Zylinder (2) während des negativen Überlappungszeitraums (X) eine Dampfreformierungsreaktion auftritt, wobei die Dampfreformierungsreaktion solcher Art ist, dass mindestens ein Teil von eingespritztem Kraftstoff und eingespritztem Wasser zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird; und Steuern, um bei einem Zeitpunkt innerhalb des negativen Überlappungszeitraums (X), der durch die Ermittlung ermittelt wird, Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil (11) einzuspritzen bzw. Wasser von dem Wassereinspritzventil (13) einzuspritzen.
  12. Steuerverfahren für den Direkteinspritzmotor nach Anspruch 11, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil (11) zum gleichen Zeitpunkt wie Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil (13) oder bei einem späteren Zeitpunkt als Wassereinspritzung von dem Wassereinspritzventil (13) eingespritzt wird.
  13. Steuerverfahren für den Direkteinspritzmotor nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Motor weiterhin eine Zündkerze (12) umfasst, die ausgelegt ist, um in einer späteren Phase eines Verdichtungstakts einen Funken abzugeben oder in einer Anfangsphase eines Arbeitstakts Kraftstoff in dem Zylinder (2) zu entzünden, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) das Einlassventil (8) mittels des variablen Ventilmechanismus (18, 19) bei einem Zeitpunkt geschlossen wird, bei dem ein effektives Verdichtungsverhältnis erreicht wird, das SPCCI-Verbrennung ausführen kann, wobei die SPCCI-Verbrennung solcher Art ist, dass nach Bilden eines Flammenkerns in dem Zylinder (2) durch zwangsweise Zündung aufgrund der Fremdzündung Kraftstoff um den Flammenkern herum selbstentzündet wird.
  14. Steuerverfahren für den Direkteinspritzmotor nach Anspruch 13, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil (11) bei einem Zeitpunkt eingespritzt wird, bei dem eine Kraftstoffreformierungsrate bei 40 bis 60% liegt, wobei die Kraftstoffreformierungsrate ein Verhältnis von Kraftstoff, der zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird, zu in dem Zylinder (2) eingespritzten Kraftstoff ist.
  15. Steuerverfahren für den Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei während des Betriebs in dem Niederlastbereich (A1) Wasser von dem Wassereinspritzventil (13) bei einem Zeitpunkt eingespritzt wird, bei dem eine Temperatur in dem Zylinder (2) auf eine Temperatur, die in einem Temperaturbereich enthalten ist, in dem eine Niedertemperatur-Oxidationsreaktion von Kraftstoff auftritt, oder eine den Temperaturbereich übersteigende Temperatur angehoben ist.
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