DE102018003867B4 - Verbrennungsmotor, Steuer- bzw. Regelsystem dafür, Verfahren zum Steuern eines Motors und Computerprogrammprodukt - Google Patents

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Abstract

Verbrennungsmotor, umfassend:einen Injektor (6), der an dem Motor (1) angebracht ist und konfiguriert ist, Kraftstoff in eine Brennkammer (17) des Motors einzuspritzen;eine Zündkerze (25), die angeordnet ist, im Wesentlichen in die Brennkammer (17) hinein ausgerichtet zu sein, und die konfiguriert ist, das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer (17) zu zünden;einen Drallerzeugungsteil, der konfiguriert ist, eine Drallströmung innerhalb der Brennkammer (17) zu erzeugen; undeinen Controller (10), der operativ mit zumindest dem Injektor (6) und der Zündkerze (25) verbunden ist, umfassend einen Prozessor (101), der konfiguriert ist,den Motor (1) durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an den Injektor (6) bzw. die Zündkerze (25) zu betreiben, wobeider Motor konfiguriert ist, in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem, nachdem die Zündkerze (25) das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung entzündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, undder Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt wird, wenn der Motor (1) mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet, die niedriger als die hohe Drehzahl ist,wobei der Controller (10) ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Drallerzeugungsteil ausgibt, um ungeachtet der Motordrehzahl die Drallströmung innerhalb der Brennkammer (17) zu erzeugen, undzumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl gegenüber einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor, ein Steuer- bzw. Regelsystem dafür, ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Motors und ein Com puterprogram m produkt.
  • HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
  • Die JP 4 082 292 B2 ( US 2005 / 0 016 496 A1 ) offenbart einen Motor zum Verbrennen eines Gasgemischs innerhalb einer Brennkammer durch Selbstzündung innerhalb eines gegebenen Betriebsbereichs, in dem eine Motorlast und eine Motordrehzahl niedrig sind. Der Motor verbrennt das Gasgemisch durch Fremdzündung innerhalb eines Betriebsbereichs, in dem die Motorlast höher ist, und eines Betriebsbereichs, in dem die Motordrehzahl höher ist als der gegebene Betriebsbereich.
  • Im Übrigen geht die durch die Kompressionszündung bewirkte Verbrennung mit relativ lauten Verbrennungsgeräuschen einher. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, überschreitet NVH (Noise Vibration Harshness; Geräusch Vibration Rauhigkeit) des Motors einen zulässigen Wert.
  • JP 2003 - 049 691 A offenbart ein Steuersystem für eine selbstzündenden Motor, bei dem Kraftstoffverbrauch und NOx Ausstoß vermindert werden, indem ein Betriebsbereich einer Kompressions-Selbstzündungsverbrennung vergrößert wird, während Klopfen und instabile Verbrennung vermieden werden.
  • JP 2015 - 068 194 A offenbart eine Steuervorrichtung für einen Motor, bei dem ein Geräuschverhalten des Motors durch eine Steuerung des Verbrennungszustands verbessert wird.
  • EP 1 063 427 B1 offenbart ein Steuerverfahren für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, das folgendes aufweist: eine ersten Kraftstoffeinspritzung zum Steuern einer Anfangsverbrennungsgeschwindigkeit, einen Zündtrigger, der nach der ersten Kraftstoffeinspritzung durch einen Steuerungstrigger hinzugefügt wird, und eine zweite Kraftstoffeinspritzung zur Drehmomentsteuerung, die danach durchgeführt wird.
  • JP 2003 - 286 886 A beschreibt eine Verbrennungssteuerung für einen Dieselmotor.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf die obigen Situationen gemacht und zielt darauf ab, eine Verbrennung durch Kompressionszündung durchzuführen, während NVH eines Motors mit Kompressionszündung unter einen zulässigen Wert unterdrückt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Wie später beschrieben, betrachteten die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Verbrennungsmodus (SPark Controlled Compression Ignition (SPCCI)-Verbrennung), bei dem SI (Spark Ignition; Fremdzündung)-Verbrennung und CI (Compression Ignition; Kompressionszündung)-Verbrennung (oder Selbstzündung), AI (Auto Ignition; Auto-Zündung)-Verbrennung) kombiniert werden. Das heißt, das Gasgemisch innerhalb einer Brennkammer wird zwangsweise gezündet, um durch Flammenausbreitung zu verbrennen, und durch diese Verbrennung erzeugte Wärme bewirkt, dass unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt. Die SI-Verbrennung ist eine verbrennungsbegleitende Flammenausbreitung, die dadurch beginnt, dass das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer zwangsweise gezündet wird. Die CI-Verbrennung ist eine Verbrennung, die dadurch beginnt, dass das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer durch Komprimieren gezündet wird. In dem Verbrennungsmodus, der die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert, zündet eine Zündkerze zwangsweise das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer, um es durch Flammenausbreitung zu verbrennen, und durch diese Verbrennung erzeugte Wärme erhöht die Temperatur innerhalb der Brennkammer, was zur Verbrennung von unverbranntem Gasgemisch durch Selbstentzündung führt.
  • Bei der CI-Verbrennung ändert sich der Zeitpunkt der Selbstzündung auf Grund einer Veränderung der Temperatur innerhalb der Brennkammer vor Beginn der Verdichtung stark. Wenn beispielsweise der Zeitpunkt der Selbstzündung vorverlegt wird, steigt das Verbrennungsgeräusch.
  • In dieser Hinsicht kann die Veränderung der Temperatur innerhalb der Brennkammer vor Beginn der Verdichtung durch Einstellen bzw. Anpassen der Wärmeerzeugungsmenge bei der SI-Verbrennung verringert werden. Zum Beispiel kann durch Steuern bzw. Regeln des Zündzeitpunkts zum Einstellen bzw. Anpassen des Startzeitpunkts der SI-Verbrennung gemäß der Temperatur innerhalb der Brennkammer vor Beginn der Verdichtung das unverbrannte Gasgemisch zu einem Sollzeitpunkt selbstentzünden. Im Folgenden wird der Verbrennungsmodus, in dem die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert werden, so dass die Cl-Verbrennung unter Verwendung der SI-Verbrennung gesteuert bzw. geregelt wird, als SPCCI-Verbrennung bezeichnet.
  • Die Verbrennung durch Flammenausbreitung verursacht eine relativ geringe Druckschwankung, wodurch das Verbrennungsgeräusch verringert wird. Ferner verkürzt die CI-Verbrennung die Verbrennungsdauer im Vergleich zur Verbrennung durch Flammenausbreitung, was zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz vorteilhaft ist. Daher verbessert der Verbrennungsmodus, der die SI-Verbrennung und die Cl-Verbrennung kombiniert, die Kraftstoffeffizienz, während das Verbrennungsgeräusch verringert wird.
  • Durch Ausführen der SPCCI-Verbrennung, wenn eine Motordrehzahl hoch ist, ist es möglich, die CI-Verbrennung durchzuführen, während NVH unter den zulässigen Wert unterdrückt wird.
  • Insbesondere werden gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Verbrennungsmotor und ein Steuer- bzw. Regelsystem dafür bereitgestellt. Der Motor umfasst eine Brennkammer, einen an dem Motor angebrachten Injektor, der konfiguriert ist, Kraftstoff in die Brennkammer einzuspritzen, eine Zündkerze, die angeordnet ist, im Wesentlichen in die Brennkammer hinein ausgerichtet zu sein, und die konfiguriert ist, das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer zu zünden, und einen Controller, der operativ mit zumindest dem Injektor und der Zündkerze verbunden ist, umfassend einen Prozessor, der konfiguriert ist, den Motor durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an den Injektor bzw. die Zündkerze zu betreiben.
  • Nachdem die Zündkerze das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung gezündet hat, verbrennt unverbranntes Gasgemisch durch Selbstentzündung. Der Controller gibt das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor aus, so dass ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt wird, wenn der Motor mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet.
  • Man beachte, dass die Definition von „Brennkammer“ hier nicht auf einen Raum beschränkt ist, der gebildet wird, wenn sich ein Kolben bei einem Verdichtungstakt (CTDC) an einem oberen Totpunkt befindet, sondern breit ist.
  • Gemäß dieser Konfiguration zündet die Zündkerze zwangsweise das Gasgemisch in der Brennkammer als Antwort auf das Steuer- bzw. Regelsignal von dem Controller. Nachdem die Verbrennung durch Flammenausbreitung begonnen hat, endet die Verbrennung, indem das unverbrannte Gasgemisch in der Brennkammer durch Selbstzündung verbrennt. Das heißt, in der Brennkammer wird die SPCCI-Verbrennung durchgeführt. Wie oben beschrieben, erzielt die SPCCI-Verbrennung sowohl eine Verhinderung des Verbrennungsgeräusches als auch eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz.
  • Der Controller rückt den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vor, wenn der Motor mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet. Wenn die Motordrehzahl ansteigt, wird eine Verdampfungsdauer von der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennkammer bis zur Zündung kürzer. Da bei der SPCCI-Verbrennung die Menge des bei der SI-Verbrennung verbrennenden Gasgemischs abnimmt und ein Verhältnis der CI-Verbrennung ansteigt, kann das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung zunehmen und NVH kann einen zulässigen Wert überschreiten.
  • In dieser Hinsicht wird durch Vorverlegen des Einspritzzeitpunkts die Verdampfungsdauer verlängert, was die Menge des bei der SI-Verbrennung verbrennenden Gasgemischs erhöht. Das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung wird reduziert und daher wird, wenn die Motordrehzahl hoch ist, NVH unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgeben, um eine Einspritzung der ersten Stufe und eine Einspritzung der zweiten Stufe zu einem späteren Zeitpunkt als die Einspritzung der ersten Stufe durchzuführen. Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgeben, so dass ein Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorverlegt wird, wenn der Motor mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet.
  • Gemäß dieser Konfiguration führt der Injektor die Einspritzung der ersten Stufe und die Einspritzung der zweiten Stufe als Antwort auf das Steuer- bzw. Regelsignal von dem Controller durch. Der Kraftstoff für die Einspritzung der zweiten Stufe wird zu einem relativ späten Zeitpunkt eingespritzt, so dass es schwierig ist, sich innerhalb der Brennkammer zu verteilen. Der Kraftstoff, der bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzt wird, bildet hauptsächlich ein Gasgemisch für die Fremdzündung. Der Kraftstoff für die Einspritzung der ersten Stufe wird zu einem relativ frühen Zeitpunkt eingespritzt, so dass er sich leicht in der Brennkammer verteilt. Der bei der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff bildet hauptsächlich ein Gasgemisch zur Selbstzündung.
  • Durch Vorverlegen des Einspritzzeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe wird die Verdampfungsdauer des bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzten Kraftstoffs verlängert. Im Ergebnis wird die unverbrannte Menge des Gasgemischs für die Fremdzündung bei der SI-Verbrennung reduziert und die SI-Verbrennung der SPCCI-Verbrennung wird ausreichend durchgeführt. Da das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung verringert ist, wird, wenn die Motordrehzahl hoch ist, NVH unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgeben, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe mit einer gegebenen Änderungsrate vorverlegt wird, wenn sich die Motordrehzahl ändert. Der Controller kann bewirken, dass die Änderungsrate bei einer hohen Motordrehzahl höher ist als bei einer niedrigen Motordrehzahl.
  • Somit wird der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe mit der gegebenen Änderungsrate vorverlegt, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird die SI-Verbrennung der SPCCI-Verbrennung ausreichend durchgeführt, was vorteilhaft ist, um das Verbrennungsgeräusch zu reduzieren. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird daher NVH unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als eine gegebene Drehzahl ist, kann der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgeben, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe konstant ist, selbst wenn sich die Motordrehzahl ändert. Wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl überschreitet, kann der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgeben, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe mit zunehmender Motordrehzahl vorverlegt wird.
  • Bei der SPCCI-Verbrennung wird, wie oben beschrieben, eine Veränderung der Temperatur innerhalb der Brennkammer vor Beginn der Verdichtung durch Einstellen einer Wärmeerzeugungsmenge bei der SI-Verbrennung reduziert. Es sei angemerkt, dass, um den Zeitpunkt der Selbstzündung bei der SPCCI-Verbrennung genau zu steuern bzw. zu regeln, sich der Selbstzündungszeitpunkt entsprechend der Änderung des Zündzeitpunkts ändern muss. Gemäß einer Studie, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, wurde herausgefunden, dass, um den Selbstzündungszeitpunkt entsprechend der Änderung des Zündzeitpunkts bei der SPCCI-Verbrennung zu ändern, eine scharfe bzw. steile SI-Verbrennung durch Flammenausbreitung durchgeführt werden muss, bevor sich das Gasgemisch selbst entzündet.
  • Wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe spät ist, da die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung auf Grund der Strömung innerhalb der Brennkammer scharf bzw. steil wird, die durch das Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer verursacht wird, verbessert sich die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Zündzeitpunkts.
  • Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, da die Verdampfungsdauer in einem gewissen Maß lang ist, gibt der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor aus, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe konstant ist. Dies entspricht der Änderungsrate des Einspritzzeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe, die sich ändert, wenn sich die Motordrehzahl zu Null ändert. Indem der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe eine Einspritzung zu einem späten Zeitpunkt ist, wird die SI-Verbrennung scharf bzw. steil und die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Selbstzündungszeitpunkts verbessert sich.
  • Wenn hingegen die Motordrehzahl ansteigt und die Verdampfungsdauer kürzer wird, gibt der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor aus, um den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorzugrücken. Dies bedeutet, dass die Änderungsrate des Einspritzzeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe Null übersteigt, wenn sich die Motordrehzahl ändert. Indem man den vorgezogenen Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe hat, wird die Verdampfungsdauer sichergestellt und die SI-Verbrennung wird ausreichend durchgeführt, wodurch verhindert wird, dass das Verbrennungsgeräusch ansteigt.
  • Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgeben, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe eine gegebene Vorverlegungsgrenze nicht überschreitet.
  • Wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe übermäßig vorverlegt wird, wird der durch das Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer bewirkte Strom innerhalb der Brennkammer zum Zündzeitpunkt schwach, was die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung langsam macht. Im Ergebnis verschlechtert sich die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Selbstzündungszeitpunkts.
  • Um die hohe Steuer- bzw. Regelbarkeit des Selbstzündungszeitpunkts beizubehalten, gibt der Controller in dieser Hinsicht das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor aus, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe eine gegebene Vorverlegungsgrenze nicht überschreitet. Somit wird verhindert, dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe übermäßig früh wird und sich die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Selbstzündungszeitpunkts verschlechtert.
  • Der Motor oder das Steuer- bzw. Regelsystem kann ferner eine Ansaugströmungssteuer- bzw. -regelvorrichtung enthalten, die an dem Motor angebracht ist und konfiguriert ist, eine Strömung von Ansaugluft einzustellen bzw. anzupassen, die in die Brennkammer eingeleitet wird. Wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe an der Vorverlegungsgrenze liegt, kann der Controller ein Steuer- bzw. Regelsignal an die Ansaugströmungssteuer- bzw. -regelvorrichtung ausgeben, um den Strom der Ansaugluft zu erhöhen.
  • Wenn, wie oben beschrieben, der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe bei der Vorverlegungsgrenze geregelt bzw. reguliert wird, ist der Effekt der Verringerung des Verbrennungsgeräusches, das durch Vorverlegen des Einspritzzeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe verursacht wird, begrenzt.
  • Wenn somit gemäß dieser Konfiguration der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe bei der Vorverlegungsgrenze geregelt bzw. reguliert wird, wird die Strömung der Ansaugluft durch die Ansaugströmungssteuer- bzw. -regelvorrichtung erhöht. Auf diese Weise wird die Verdampfung des bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzten Kraftstoffs stimuliert und auch die SI-Verbrennung wird in einem Zustand durchgeführt, in dem die Strömung innerhalb der Brennkammer stark ist. Im Ergebnis wird die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung scharf bzw. steil und die unverbrannte Menge an Gasgemisch wird reduziert. Selbst wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe an der Vorverlegungsgrenze geregelt bzw. reguliert wird, wird das Verbrennungsgeräusch verringert.
  • Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an die Ansaugströmungssteuer- bzw. -regelvorrichtung ausgeben, um den Strom der Ansaugluft zu erhöhen, wenn die Motordrehzahl ansteigt.
  • Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird somit die SI-Verbrennung durch den starken Ansaugluftstrom aktiv, was das Verbrennungsgeräusch reduziert.
  • Der Motor kann einen Kolben enthalten, der zumindest teilweise die Brennkammer bildet und mit einer Vertiefung bzw. einem Hohlraum ausgebildet ist, der im Wesentlichen dem Injektor zugewandt ist, indem eine obere Oberfläche des Kolbens eingebeult bzw. eingekerbt wird. Bei der Einspritzung der ersten Stufe kann der Kraftstoff bei einem Verdichtungstakt in einen Quetschbereich außerhalb des Hohlraums eingespritzt werden, und bei der Einspritzung der zweiten Stufe wird der Kraftstoff im Wesentlichen in den Hohlraum eingespritzt.
  • Gemäß dieser Konfiguration verbrennt das Gasgemisch in dem Hohlraum bei der SI-Verbrennung. Hier kann der Ausdruck „der Abschnitt innerhalb des Hohlraums“ eine Kombination aus einem Abschnitt von einer Projektionsebene einer Öffnungsfläche des Hohlraums an einer Deckenfläche der Brennkammer zu der Öffnungsfläche des Hohlraums und einem Abschnitt innerhalb des Hohlraums bedeuten. Durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Hohlraum wird homogenes Gasgemisch innerhalb des Hohlraums gebildet und ein Gasstrom in dem Abschnitt innerhalb des Hohlraums wird verstärkt. Somit zündet die Zündkerze das Gasgemisch in einem Zustand, in dem die kinetische Turbulenzenergie in dem Abschnitt innerhalb des Hohlraums hoch ist. Daher wird die SI-Verbrennung aktiv, was Verbrennungsgeräusche reduziert.
  • Der Controller kann ein SI-Verhältnis so festlegen, dass es niedriger als 100% ist sowie bei einer hohen Motordrehzahl höher als bei einer niedrigen Motordrehzahl ist, wobei das SI-Verhältnis ein Index ist, der sich auf ein Verhältnis einer Wärmemenge, die beim Verbrennen durch Flammenausbreitung des entzündeten Gasgemischs erzeugt wird, in Bezug auf eine Gesamtwärmemenge bezieht, die erzeugt wird, wenn das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer verbrennt.
  • Wenn das SI-Verhältnis bei der SPCCI-Verbrennung erhöht wird, erhöht sich das Verhältnis der SI-Verbrennung, was für eine Verringerung des Verbrennungsgeräusches vorteilhaft ist. Wenn hingegen das SI-Verhältnis bei der SPCCI-Verbrennung verringert wird, erhöht sich das Verhältnis der CI-Verbrennung, was für eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz vorteilhaft ist.
  • Gemäß dieser Konfiguration ist das SI-Verhältnis der SPCCI-Verbrennung bei der hohen Motordrehzahl höher als bei der niedrigen Motordrehzahl. Daher wird das Verbrennungsgeräusch selbst dann reduziert, wenn die Motordrehzahl hoch ist.
  • Der Motor oder das Steuer- bzw. Regelsystem hat erfindungsgemäß einen Drallerzeugungsteil, der konfiguriert ist, eine Drallströmung innerhalb der Brennkammer zu erzeugen. Der Controller gibt ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Drallerzeugungsteil aus, um ungeachtet der Motordrehzahl die Drallströmung innerhalb der Brennkammer zu erzeugen.
  • Wenn der Drallerzeugungsteil den Drallströmung innerhalb der Brennkammer erzeugt, wird die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung scharf bzw. steil, was für die Verringerung des Verbrennungsgeräusches vorteilhaft ist. Insbesondere wenn die Einspritzungen der ersten und zweiten Stufe durchgeführt werden, wird es möglich, den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe über die Vorverlegungsgrenze hinaus vorzurücken. Daher wird die Verdampfungsdauer für den bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzten Kraftstoff verlängert, wodurch die Erzeugung von unverbranntem Kraftstoff oder Ruß reduziert wird. Das heißt, das Erzeugen der Drallströmung innerhalb der Brennkammer ist vorteilhaft, um eine Abgasemissionsleistung des Motors ungeachtet der Motordrehzahl zu verbessern.
  • Zumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, gibt der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor aus, so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl als bei einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  • Wie oben beschrieben, wird durch Erzeugen der Drallströmung innerhalb der Brennkammer der Einspritzzeitpunkt von insbesondere der Einspritzung der zweiten Stufe über die Vorverlegungsgrenze hinaus vorverlegt. Daher ist es bei der Konfiguration, in welcher der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorverlegt wird, wenn die Motordrehzahl hoch ist, möglich, den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorzurücken, selbst wenn die Motordrehzahl in dem Höchste-Motordrehzahl-Segment ist, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird. Dies ist vorteilhaft für die Verbesserung der Abgasemissionsleistung des Motors.
  • Ebenfalls offenbart wird ein Verbrennungsmotor und ein Steuer- bzw. Regelsystem. Der Motor enthält eine Brennkammer, eine Zündkerze, die angeordnet ist, im Wesentlichen in die Brennkammer hinein ausgerichtet zu sein, und die konfiguriert ist, das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer zu zünden, ein Abgasrückführungssystem (AGR-System), das an dem Motor angebracht ist und konfiguriert ist, verbranntes Gas, das in der Brennkammer verursacht wird, von einem Auslasstrakt, durch den das verbrannte Gas ausgestoßen wird, über einen Einlasstrakt, durch den Gas in die Brennkammer strömt, in die Brennkammer einzubringen, und einen Controller, der einen Prozessor umfasst, der operativ mit der Zündkerze und dem AGR-System verbunden ist und konfiguriert ist, den Motor durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals zumindest an die Zündkerze bzw. das AGR-System zu betreiben.
  • Der Controller gibt das Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze zu einem gegebenen Zündzeitpunkt aus, um die Verbrennung in einem gegebenen Modus durchzuführen, in dem, nachdem die Zündkerze das Gasgemisch zum Beginn der Verbrennung gezündet hat, unverbranntes Gasgemisch in der Brennkammer durch Selbstzündung verbrennt, und gibt das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-System aus, um ein AGR-Verhältnis, das ein Verhältnis einer Menge des in dem Gasgemisch enthaltenen verbrannten Gases innerhalb der Brennkammer ist, bei einer hohen Motordrehzahl niedriger zu machen als bei einer niedrigen Motordrehzahl.
  • Es ist anzumerken, dass die Definition von „Brennkammer“ hier nicht auf einen Raum beschränkt ist, der gebildet wird, wenn sich ein Kolben bei einem Verdichtungstakt (CTDC) an einem oberen Totpunkt befindet, sondern breit ist.
  • Gemäß dieser Konfiguration gibt der Controller, sobald es basierend auf einem Betriebszustand des Motors als benötigt bestimmt wird, das Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze aus, um das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer zu dem gegebenen Zeitpunkt zu zünden. Somit wird die Verbrennung gestartet und anschließend verbrennt das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstentzündung. Das heißt, die oben beschriebene SPCCI-Verbrennung wird durchgeführt.
  • Wenn diese SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, gibt der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an das an den Motor angebrachte AGR-System aus. Dieses AGR-System bringt verbranntes Gas (AGR-Gas) von dem Auslasstrakt (dem Trakt, durch den das in der Brennkammer verursachte verbrannte Gas ausgestoßen wird) über den Einlasstrakt (den Trakt, durch den unverbranntes Gas in die Brennkammer strömt) in die Brennkammer ein, d.h. das AGR-System führt eine sogenannte externe AGR durch. Da das AGR-Gas indirekt über den Trakt außerhalb des Motors in die Brennkammer eingeleitet wird, ist seine Temperatur daher relativ niedrig. Ferner kann das AGR-Gas zwangsweise auch gekühlt werden. Das heißt, die Temperatur des durch das AGR-System eingeleiteten AGR-Gases wird niedriger als die Temperatur innerhalb der Brennkammer verringert.
  • Das AGR-System ändert das AGR-Verhältnis (das Verhältnis der Menge des in dem Gasgemisch innerhalb der Brennkammer enthaltenen AGR-Gases) und verringert das AGR-Verhältnis dahingehend, bei einer hohen Motordrehzahl niedriger zu sein als bei einer niedrigen Motordrehzahl, und zwar gemäß dem Steuer- bzw. Regelsignal von dem Controller.
  • Wie oben beschrieben, nimmt NVH bei einer hohen Motordrehzahl als bei einer niedrigen Motordrehzahl zu. Wenn die CI-Verbrennung, die mit lautem Verbrennungsgeräusch einhergeht, bei der hohen Motordrehzahl durchgeführt wird, kann NVH, ähnlich wie wenn die Motordrehzahl niedrig ist, den zulässigen Wert überschreiten. Um die Verbrennung durch Selbstzündung bei einer hohen Motordrehzahl durchzuführen, ist es daher erforderlich, das Verhältnis der Cl-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung zu verringern, während das Verhältnis der SI-Verbrennung erhöht wird.
  • Bei einer hohen Motordrehzahl ist ein Verbrennungszyklus kürzer als bei einer niedrigen Motordrehzahl. Da die Wärmemenge, die eine Innenwand der Brennkammer etc. während der Verbrennung aufnimmt, entsprechend abnimmt und die Temperatur innerhalb der Brennkammer abnimmt, ist das Gasgemisch weniger in der Lage, Wärme aufzunehmen, und ein Zeitraum für die Verbrennung des Gasgemischs wird kurz. Daher muss bei einer hohen Motordrehzahl die SPCCI-Verbrennung stimuliert werden, um das Verhältnis der SI-Verbrennung unter einer solchen nachteiligen Bedingung zu erhöhen. In dieser Hinsicht wird durch Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs selbst (der Temperatur unmittelbar vor der Verbrennung) die SPCCI-Verbrennung sogar unter einer solchen Bedingung stimuliert.
  • Bei der SPCCI-Verbrennung tritt die Zündung der CI-Verbrennung nach der SI-Verbrennung auf. Obwohl das Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs sowohl die SI-Verbrennung als auch die CI-Verbrennung stimuliert, ist die Verbrennungsdauer kurz, wenn die Motordrehzahl hoch ist. Somit wird die SI-Verbrennung schärfer und wird mehr stimuliert als die CI-Verbrennung, die später beginnt als die SI-Verbrennung. Somit wird durch Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs das Verhältnis der SI-Verbrennung bei einer hohen Motordrehzahl erhöht.
  • Daher wird, während der Motor läuft, durch Verringern des AGR-Verhältnisses, um das Verhältnis des AGR-Gases, das in dem Gasgemisch (Hochtemperatur-Verbrennungsgas) enthalten ist, selbst zu verringern, die Temperatur des Gasgemischs erhöht, und somit steigt das Verhältnis der SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung an. Im Ergebnis wird NVH auch bei hoher Motordrehzahl unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Der Motor oder das Steuer- bzw. Regelsystem kann ferner eine Ansaugstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung enthalten, die an dem Motor angebracht ist und konfiguriert ist, einen in die Brennkammer eingeleiteten Gasstrom zu verändern. Der Controller kann auch ein Steuer- bzw. Regelsignal an die Ansaugstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung ausgeben, um den Gasstrom bei einer hohen Motordrehzahl höher als bei einer niedrigen Motordrehzahl zu erhöhen.
  • Das AGR-Verhältnis ist durch G/F (Gas/Kraftstoff-Verhältnis) des Gasgemischs etc. oder eine andere Zustandsfunktion begrenzt. Somit wird nur durch Ändern des AGR-Verhältnisses der Effekt des Reduzierens des Verbrennungsgeräusches durch die SPCCI-Verbrennung begrenzt, und der Effekt wird möglicherweise nicht ausreichend erhalten. In dieser Hinsicht wird durch die Verstärkung der Ansaugluftströmung die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs stimuliert und die SI-Verbrennung wird in einem Zustand durchgeführt, in dem die Strömung innerhalb der Brennkammer stark ist. Somit wird die SI-Verbrennung scharf bzw. steil und die SI-Verbrennung wird mehr stimuliert verglichen mit der Cl-Verbrennung, bei der die Zündung später durchgeführt wird. Daher wird durch Verringern des AGR-Verhältnisses und Verstärken des Ansaugluftstroms der Effekt, der durch Ändern des AGR-Verhältnisses begrenzt ist, kompensiert. Im Ergebnis erhöht sich das Verhältnis der SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung und NVH wird auch bei einer hohen Motordrehzahl unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze ausgeben, so dass der Zündzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl als bei einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  • Wenn der Zündzeitpunkt vorverlegt wird, beginnt die SI-Verbrennung früh. Somit wird die SI-Verbrennung sogar in einem kurzen Zeitraum bei einer hohen Motordrehzahl scharf bzw. steil, was es ermöglicht, das Verhältnis der SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung zu erhöhen. Daher wird auch durch Vorverlegen des Zündzeitpunkts der Effekt, der durch Ändern eines externen AGR-Verhältnisses begrenzt ist (ein Verhältnis einer Menge des verbrannten Gases, das über einen Trakt außerhalb des Motors indirekt wieder in den Brennraum gesaugt wird, d.h. externes AGR-Gas). kompensiert und NVH wird auch bei hoher Motordrehzahl unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Der Controller kann das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-System ausgeben, um zu beginnen, das AGR-Verhältnis zu verringern, wenn die Motordrehzahl eine gegebene Verringerungsstartdrehzahl überschreitet.
  • Auf diese Weise wird bei einer niedrigen Motordrehzahl, die gleich oder niedriger als die Verringerungsstartdrehzahl ist, da das AGR-Verhältnis höher festgelegt ist, selbst bei der SPCCI-Verbrennung, bei der der Wert von G/F des Gasgemischs hoch ist, das G/F des Gasgemischs in einem geeigneten Bereich innerhalb eines breiten Betriebsbereichs angesiedelt. Ein Verdünnungsverhältnis des Gasgemischs wird hoch gehalten und daher verbessert sich die Kraftstoffeffizienz. Auf der anderen Seite verringert sich bei einer hohen Motordrehzahl, welche die Verringerungsstartdrehzahl überschreitet, das Verhältnis des in die Brennkammer eingeleiteten AGR-Gases und die Temperatur des Gasgemischs steigt an. Im Ergebnis wird die SI-Verbrennung scharf bzw. steil und das Verhältnis der CI-Verbrennung wird reduziert, was das Verbrennungsgeräusch bei der SPCCI-Verbrennung reduziert. NVH wird unter den zulässigen Wert bei einer hohen Motordrehzahl unterdrückt.
  • Der Motor oder das Steuer- bzw. Regelsystem kann ferner ein Verstärkungs- bzw. Boosting-System, das an dem Motor angebracht ist und konfiguriert ist, in die Brennkammer einzubringendes Gas zu boosten bzw. zu verstärken, und ein internes AGR-System enthalten, das an dem Motor bereitgestellt ist und konfiguriert ist, ein internes AGR-Verhältnis zu ändern, das ein Verhältnis einer Menge an internem AGR-Gas ist, das in dem Gasgemisch innerhalb der Brennkammer enthalten ist. Der Controller kann ein Steuer- bzw. Regelsignal an das Boosting-System ausgeben, um eine Verstärkung bzw. ein Boosten innerhalb eines ersten Bereichs durchzuführen, in dem eine Motorlast höher als eine gegebene Last ist, und die Verstärkung bzw. das Boosten innerhalb eines zweiten Bereichs nicht durchzuführen, in dem die Motorlast gleich oder geringer als die gegebenen Last ist. Der Controller kann zumindest innerhalb des ersten Bereichs ein Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-System ausgeben, um das AGR-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl niedriger als bei einer niedrigen Motordrehzahl zu verringern, und innerhalb des zweiten Bereichs ein Steuer- bzw. Regelsignal an das interne AGR-System ausgeben, um das interne AGR-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl höher als bei einer niedrigen Motordrehzahl zu erhöhen.
  • Auch durch Erhöhen des internen AGR-Verhältnisses und des Verhältnisses des internen AGR-Gases, das in dem Gasgemisch (verbranntes Hochtemperaturgas) enthalten ist, steigt die Temperatur des Gasgemischs an, und somit erhöht sich das Verhältnis der SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung.
  • Bei einem solchen Motor wird jedoch innerhalb des ersten Bereichs, in dem das Boosten durchgeführt wird, selbst wenn das interne AGR-Gas eingeleitet wird, durch den Boosting- bzw. Verstärkungsdruck gespült. Daher ist es schwierig, das interne AGR-Verhältnis zu ändern. Daher gibt der Controller innerhalb des zweiten Bereichs, in dem das Boosten nicht durchgeführt wird, das Steuer- bzw. Regelsignal an das interne AGR-System aus, so dass das interne AGR-Verhältnis höher wird. Während das AGR-Gas über den Einlasstrakt eingeleitet wird, wird das AGR-Verhältnis vergleichsweise einfach geändert, selbst wenn das Boosten durchgeführt wird. Daher gibt der Controller innerhalb des ersten Bereichs, in dem das Boosten durchgeführt wird, das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-System aus, so dass das AGR-Verhältnis niedriger wird. Somit wird NVH auch bei einer hohen Motordrehzahl unter den zulässigen Wert gedrückt und die Kraftstoffeffizienz des Motors verbessert sich.
  • Der Motor- oder Steuer- bzw. Regelsystem kann ferner ein internes AGR-System enthalten, das an dem Motor bereitgestellt ist und konfiguriert ist, ein internes AGR-Verhältnis zu ändern, das ein Verhältnis einer Menge an internem AGR-Gas ist, das in dem Gasgemisch innerhalb der Brennkammer enthalten ist. Die Zündkerze kann so angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen zu einem oberen Mittelabschnitt der Brennkammer hin ausgerichtet ist. Eine Drallströmung kann innerhalb der Brennkammer gebildet werden, wenn die Verbrennung in dem gegebenen Modus durchgeführt wird. Der Controller kann ein Steuer- bzw. Regelsignal an das interne AGR-System ausgeben, um das interne AGR-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl höher als bei einer niedrigen Motordrehzahl zu erhöhen.
  • Wenn die Drallströmung innerhalb der Brennkammer gebildet wird, in der die Zündkerze angeordnet ist, um zu einem oberen Mittelabschnitt davon ausgerichtet zu sein, wird die Strömung des Gasgemischs innerhalb der Brennkammer stimuliert und geschichtetes bzw. stratifiziertes Gasgemisch wird in der Brennkammer gebildet. Selbst wenn das Verhältnis des internen AGR-Gases innerhalb des Gasgemischs innerhalb der Brennkammer hoch ist, wird somit das interne AGR-Gas um die Zündkerze herum zum Zündzeitpunkt reduziert und die SI-Verbrennung wird auf stabile Weise durchgeführt. Selbst wenn das interne AGR-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl hoch wird, wird daher eine stabile SPCCI-Verbrennung erreicht.
  • Das interne AGR-Gas kann in die Brennkammer eingeleitet werden, indem eine offene Periode eines Einlassventils mit einer offenen Periode eines Auslassventils überlappt wird.
  • Durch Festlegen einer positiven Überlappungsperiode und Einbringen des internen AGR-Gases werden ein Pumpverlust etc. verringert.
  • Wenn die Motordrehzahl eine vorgegebene Verringerungsstartdrehzahl überschreitet, kann der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-System ausgeben, um zu beginnen, das AGR-Verhältnis bei einer im Wesentlichen konstanten Verringerungsrate in Bezug auf eine Änderung einer Motorlast zu reduzieren.
  • Wie oben beschrieben, wird, wenn das AGR-Verhältnis bei der hohen Motordrehzahl hoch gehalten wird, ähnlich wie wenn die Motordrehzahl niedrig ist, die Temperatur des Gasgemischs übermäßig niedrig, und es kann schwierig sein, sowohl die Verbrennungsgeräuschverringerung als auch die stabile SPCCI-Verbrennung zu erreichen. Wenn die Motordrehzahl die vorgegebene Verringerungsstartdrehzahl überschreitet, wird durch Verringern des AGR-Verhältnisses ein solches Problem vermieden.
  • In diesem Fall wird jedoch, wenn die Motorlast hoch wird, das Verhältnis des verbrannten Gases zu dem Kraftstoff übermäßig hoch und die Zündung der SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung kann instabil werden. Um eine solche Situation zu vermeiden, ist es erforderlich, die Verringerungsrate des AGR-Verhältnisses zu erhöhen, wenn die Motorlast ansteigt.
  • In diesem Zusammenhang wird, wenn die Drallströmung innerhalb der Brennkammer gebildet wird, eine Fluidität des Gasgemischs innerhalb der Brennkammer verbessert. Somit wird die Menge des verbrannten Gases (AGR-Gas) um die Zündkerze herum, wo die Zündung durchgeführt wird, reduziert. Im Ergebnis wird verhindert, dass das Verhältnis des verbrannten Gases zu dem Kraftstoff übermäßig hoch ist, und die SPCCI-Verbrennung wird auf stabile Weise durchgeführt. Daher wird die Verringerungsrate des AGR-Verhältnisses in Bezug auf die Änderung der Motorlast im Wesentlichen konstant gehalten, ohne erhöht zu werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung oder -system für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, der konfiguriert ist, in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem, nachdem eine Zündkerze das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung entzündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, wobei die Steuer- bzw. Regelvorrichtung umfasst:
    • einen Controller, der operativ mit zumindest einem Injektor des Motors und der Zündkerze verbunden ist, umfassend einen Prozessor, der konfiguriert ist, den Motor durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an den Injektor bzw. die Zündkerze zu betreiben, wobei der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor ausgibt, so dass ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt wird, wenn der Motor mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet, die niedriger als die hohe Drehzahl ist, der Controller ein Steuer- bzw. Regelsignal an ein Drallerzeugungsteil ausgibt, um ungeachtet der Motordrehzahl eine Drallströmung innerhalb einer Brennkammer zu erzeugen, und zumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl gegenüber einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  • Des Weiteren wird eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung oder -system für einen Verbrennungsmotor offenbart, der konfiguriert ist, in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem, nachdem eine Zündkerze das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung entzündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, wobei die Steuer- bzw. Regelvorrichtung umfasst:
    • ein Abgasrückführungssystem (AGR-System), das an dem Motor angebracht und konfiguriert ist, verbranntes Gas von einem Auslasstrakt des Motors über einen Einlasstrakt in eine Brennkammer des Motors einzuleiten; und
    • einen Controller, der einen Prozessor umfasst, der operativ mit zumindest einer Zündkerze des Motors und dem AGR-System verbunden ist und konfiguriert ist, den Motor durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an die Zündkerze bzw. das AGR-System zu betreiben, wobei der Controller das Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze zu einem gegebenen Zündzeitpunkt ausgibt, um die Verbrennung in dem gegebenen Betriebsmodus durchzuführen, in dem, nachdem die Zündkerze das Gasgemisch gezündet hat, um die Verbrennung zu beginnen, unverbranntes Gasgemisch innerhalb einer Brennkammer durch Selbstzündung verbrennt, und das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-System ausgibt, um ein AGR-Verhältnis, das ein Verhältnis einer Menge des in dem Gasgemisch innerhalb der Brennkammer enthaltenen verbrannten Gases ist, dahingehend zu verringern, bei einer hohen Motordrehzahl niedriger zu sein als bei einer niedrigen Motordrehzahl.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, umfassend die Schritte:
    • Betreiben des Motors in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus, in dem, nachdem eine Zündkerze das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung zündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt,
    • Erfassen einer Motordrehzahl,
    • Vorverlegen eines Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, wenn der Motor mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet, die niedriger als die hohe Drehzahl ist, Erzeugen einer Drallströmung innerhalb einer Brennkammer; und zumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor, so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl gegenüber einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das computerlesbare Anweisungen umfasst, die, wenn sie auf einem geeigneten System geladen und ausgeführt werden, die Schritte des oben genannten Verfahrens ausführen können.
  • Des Weiteren wird ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Verbrennungsmotors offenbart, umfassend die Schritte:
    • Betreiben des Motors in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus, in dem, nachdem eine Zündkerze das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung zündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt,
    • Einbringen von verbranntem Gas aus einem Auslasstrakt des Motors über einen Einlasstrakt in eine Brennkammer des Motors, und
    • Reduzieren eines AGR-Verhältnisses, das ein Verhältnis einer Menge des verbrannten Gases ist, das in dem Gasgemisch innerhalb der Brennkammer enthalten ist, dahingehend, bei einer hohen Motordrehzahl niedriger zu sein als bei einer niedrigen Motordrehzahl.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Motors zeigt.
    • 2 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Brennkammer zeigt, bei welcher der obere Teil eine Draufsicht der Brennkammer ist und der untere Teil eine II-II-Querschnittsansicht ist.
    • 3 ist eine Draufsicht, die Strukturen der Brennkammer und eines Einlasssystems zeigt.
    • 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Steuer- bzw. Regelvorrichtung des Motors zeigt.
    • 5 ist ein Diagramm, das eine Prüfstandvorrichtung zum Messen eines Drallverhältnisses zeigt.
    • 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Öffnungsverhältnis eines Sekundärtrakts und dem Drallverhältnis zeigt.
    • 7A ist eine Grafik, die ein Kennfeld eines ersten Betriebsbereichs zeigt.
    • 7B ist eine Grafik, die ein Kennfeld eines zweiten Betriebsbereichs zeigt.
    • 7C ist eine Grafik, die ein Kennfeld eines dritten Betriebsbereichs zeigt.
    • 8 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil konzeptionell eine Änderung der Wärmeerzeugungsrate bei der SPCCI-Verbrennung zeigt, bei der die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert sind, der mittlere Teil eine Definition eines SI-Verhältnisses bei der SPCCI-Verbrennung zeigt der untere Teil eine andere Definition des SI-Verhältnisses bei der SPCCI-Verbrennung zeigt.
    • 9 ist eine Grafik, die eine Änderung des SI-Verhältnisses, eine Änderung einer Zustandsfunktion innerhalb einer Brennkammer, eine Änderung eines Überlappungszeitraums zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil und Änderungen eines Einspritzzeitpunkts und Zündzeitpunkts von Kraftstoff in Bezug auf eine Motorlast zeigt.
    • 10 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil eine Änderung einer Verbrennungswellenform auf Grund eines Anstiegs der Motorlast bei nicht geboosteter SPCCI-Verbrennung zeigt und der untere Teil eine Änderung einer Verbrennungswellenform auf Grund eines Anstiegs der Motorlast bei geboosteter SPCCI-Verbrennung zeigt.
    • 11 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Motordrehzahl und einem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe innerhalb eines Betriebsbereichs zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, und der untere Teil ein anderes Beispiel der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe innerhalb des Betriebsbereichs zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird.
    • 12 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und einem Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe innerhalb des Betriebsbereichs zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, und der untere Teil ein anderes Beispiel der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe innerhalb des Betriebsbereichs zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird.
    • 13 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und einer Öffnung eines Drallsteuer- bzw. -regelventils innerhalb des Betriebsbereichs auf dem Betriebsbereichskennfeld von 7A zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, und der untere Teil ein anderes Beispiel der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Öffnung des Drallsteuer- bzw. - regelventils innerhalb des Betriebsbereichs auf dem Betriebsbereichskennfeld der 7C zeigt, in der die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird.
    • 14 ist eine Grafik, die ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem SI-Verhältnis innerhalb des Betriebsbereichs zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird.
    • 15 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf einer Steuerung bzw. Regelung des Motors zeigt, die von einer ECU ausgeführt wird.
    • 16 ist ein Diagramm, das ein Steuer- bzw. Regelkonzept bezüglich einer Anpassung des SI-Verhältnisses zeigt.
    • 17 ist ein Diagramm, das Kraftstoffeinspritzzeitpunkte, Zündzeitpunkte und Verbrennungswellenformen in jeweiligen Betriebszuständen auf dem Betriebsbereichskennfeld von 7C zeigt.
    • 18 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe auf dem Betriebsbereichskennfeld von 7C zeigt und der untere Teil ein anderes Beispiel der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe zeigt.
    • 19 zeigt Grafiken, in denen der obere Teil ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe auf dem Betriebsbereichskennfeld von 7C zeigt und der untere Teil ein anderes Beispiel der Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe zeigt.
    • 20 ist eine Grafik, die ein anderes Beispiel des Betriebsbereichs des Motors zeigt.
    • 21 ist ein Diagramm, das Verbrennungswellenformen in jeweiligen Betriebszuständen zeigt, die in 20 dargestellt sind.
    • 22A und 22B zeigen Grafiken, die ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und einem internen AGR-Verhältnis innerhalb des Betriebsbereichs zeigen, in dem die SPCCI-Verbrennung des Motors entsprechend dem ersten Betriebsbereichskennfeld durchgeführt wird, wobei 22A die Beziehung zeigt, wenn das interne AGR-Gas durch Festlegen einer negativen Überlappungsperiode eingeleitet wird, und 22B die Beziehung zeigt, wenn das interne AGR-Gas durch Festlegen einer positiven Überlappungsperiode eingeleitet wird.
    • 23A und 23B zeigen Grafiken, die ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und einem externen AGR-Verhältnis innerhalb des Betriebsbereichs zeigen, in dem die SPCCI-Verbrennung des Motors entsprechend dem ersten Betriebsbereichskennfeld durchgeführt wird, wobei 23A die Beziehung zeigt, wenn in der Brennkammer kaum eine Drallströmung gebildet wird, und 23B die Beziehung zeigt, wenn eine Drallströmung mit einer gegebenen Stärke in der Brennkammer gebildet wird.
    • 24 ist eine Grafik, die ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Zündzeitpunkt innerhalb des Betriebsbereichs zeigt, in dem die SPCCI-Verbrennung des Motors entsprechend dem ersten Betriebsbereichskennfeld durchgeführt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
  • Nachstehend werden Ausführungsformen eines Steuer- bzw. Regelsystems eines Motors mit Kompressionszündung (nachstehend einfach als „Motor 1“ bezeichnet) detailliert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung gibt ein Beispiel des Steuer- bzw. Regelsystems des Motors 1. 1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Motors 1 zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer Brennkammer zeigt, bei welcher der obere Teil ist eine Draufsicht auf die Brennkammer ist und der untere Teil eine II-II-Querschnittsansicht ist. 3 ist eine Draufsicht, die Strukturen der Brennkammer und eines Einlasssystems zeigt. Man beachte, dass in 1 eine Einlassseite auf der linken Seite und eine Auslassseite auf der rechten Seite des Zeichenblattes ist. Weiter ist in 2 und 3 die Einlassseite auf der rechten Seite und die Auslassseite auf der linken Seite der Zeichenblätter. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration des Steuer- bzw. Regelsystems des Motors mit Kompressionszündung zeigt.
  • Ferner umfasst die Definition von „AGR-Gas“, wie sie nachstehend verwendet wird, „verbranntes Gas (Abgas), das in der Brennkammer verbleibt und/oder wieder in die Brennkammer gesaugt wird“. In ähnlicher Weise umfasst die Definition von „internem AGR-Gas“ „verbranntes Gas (Abgas), das in der Brennkammer verbleibt und/oder direkt wieder in die Brennkammer gesaugt wird, ohne durch einen Trakt außerhalb des Motors zu strömen“, und die Definition von „externem AGR-Gas“ umfasst „verbranntes Gas (Abgas), das indirekt wieder in den Brennraum über den Trakt außerhalb des Motors gesaugt wird, wie zum Beispiel einen Auslasstrakt und einen Einlasstrakt“. Ferner ist das „AGR-Verhältnis“ äquivalent zu „einem Verhältnis einer Menge an AGR-Gas, das in einem Gasgemisch (Gesamtgas) in der Brennkammer enthalten ist“. Außerdem ist das „interne AGR-Verhältnis“ äquivalent zu „einem Verhältnis einer Menge an internem AGR-Gas, das in dem Gasgemisch (Gesamtgas) in der Brennkammer enthalten ist“ und „externes AGR-Verhältnis“ ist äquivalent zu „einem Verhältnis einer Menge an externem AGR-Gas, das in dem Gasgemisch (Gesamtgas) in der Brennkammer enthalten ist“. Details des „Wärmemengenverhältnisses (SI-Verhältnis)“ werden später beschrieben.
  • <SPCCI-Verbrennung>
  • Der Motor 1 führt eine Verbrennung in einem Modus durch, in dem die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert werden. Die SI-Verbrennung ist eine verbrennungsbegleitende Flammenausbreitung, die dadurch beginnt, dass das Gasgemisch innerhalb einer Brennkammer zwangsweise gezündet wird. Die Cl-Verbrennung ist eine Verbrennung, die dadurch beginnt, dass sich das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer durch Komprimieren selbstentzündet. In dem Verbrennungsmodus, der die Si-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert, zündet eine Zündkerze zwangsweise das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer, um es durch Flammenausbreitung zu verbrennen, und die durch diese Verbrennung und Druckerhöhung erzeugte Wärme erhöht dadurch die Temperatur in der Brennkammer, was zur Verbrennung von unverbranntem Gasgemisch durch Selbstentzündung führt.
  • In dieser Hinsicht kann die Veränderung der Temperatur innerhalb der Brennkammer vor Beginn der Kompression durch Einstellen der Wärmeerzeugungsmenge bei der SI-Verbrennung reduziert werden. Zum Beispiel kann durch Steuern bzw. Regeln des Zündzeitpunkts zum Einstellen des Startzeitpunkts der SI-Verbrennung gemäß der Temperatur innerhalb der Brennkammer vor Beginn der Kompression das unverbrannte Gasgemisch zu einem Sollzeitpunkt selbstentzünden.
  • Nachstehend wird der Verbrennungsmodus, bei dem die SI-Verbrennung und die Cl-Verbrennung kombiniert werden (SICI-Verbrennung), so dass die CI-Verbrennung unter Verwendung der SI-Verbrennung gesteuert bzw. geregelt wird, als SPCCI-Verbrennung (Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI)-Verbrennung; funkengesteuerte Kompressionszündung) bezeichnet.
  • <Konfiguration des Motors 1>
  • Der Motor 1 ist ein Viertaktmotor, der durch eine Brennkammer 17 betrieben wird, die den Einlasstakt, den Verdichtungstakt, den Expansions- bzw. Arbeitstakt und den Auslasstakt wiederholt. Der Motor 1 ist vorzugsweise an einem vierrädrigen Fahrzeug montiert. Das Fahrzeug fährt durch den Betrieb des Motors 1. Der Kraftstoff des Motors 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel Benzin. Das Benzin kann Bioethanol etc. enthalten. Der Kraftstoff des Motors 1 kann irgendeine Art von Kraftstoff sein, solange es flüssiger Kraftstoff ist, der zumindest Benzin enthält.
  • Der Motor 1 enthält einen Zylinderblock 12 und einen Zylinderkopf 13, der an dem Zylinderblock 12 platziert ist. Der Zylinderblock 12 ist darin mit einer Mehrzahl von Zylindern 11 gebildet. In 1 und 2 ist nur ein Zylinder 11 gezeigt. Der Motor 1 ist vorzugsweise ein Mehrzylindermotor.
  • Ein Kolben 3 ist hin- und her beweglich in jeden Zylinder 11 eingesetzt. Der Kolben 3 ist über eine Verbindungsstange 14 mit einer Kurbelwelle 15 verbunden. Der Kolben 3 definiert eine Brennkammer 17 zusammen mit dem Zylinder 11 und dem Zylinderkopf 13. Es ist anzumerken, dass die Definition von „Brennkammer“ nicht auf einen Raum beschränkt ist, der gebildet wird, wenn der Kolben 3 bei einem Verdichtungstakt (CTDC) an einem oberen Totpunkt ist, sondern breit sein kann. Das heißt, „Brennkammer“ kann jeglichen Raum bedeuten, der durch den Kolben 3, den Zylinder 11 und den Zylinderkopf 13 unabhängig von der Position des Kolbens 3 gebildet wird.
  • Wie in 2 dargestellt, ist eine untere Fläche bzw. Oberfläche des Zylinderkopfs 13, d.h. eine Deckenfläche bzw. -oberfläche der Brennkammer 17, durch eine geneigte Fläche bzw. Oberfläche 1311 und eine geneigte Fläche bzw. Oberfläche 1312 gebildet. Die geneigte Fläche 1311 neigt sich im Wesentlichen zu einer Einspritzachse X2 hin (einer Achse, die durch das Zentrum der Einspritzung eines später beschriebenen Injektors 6 verläuft) von der Einlassseite aus nach oben. Die geneigte Fläche 1312 neigt sich von der Auslassseite aus im Wesentlichen zu der Einspritzachse X2 hin nach oben. Die Deckenfläche der Brennkammer 17 weist eine sogenannte Pultdachform auf.
  • Eine obere Fläche bzw. Oberfläche des Kolbens 3 wölbt sich zu der Deckenfläche der Brennkammer 17 hin. Ein Hohlraum 31 ist in der oberen Fläche des Kolbens 3 ausgebildet. Der Hohlraum 31 ist durch Einkerbung der oberen Fläche des Kolbens 3 gebildet. Der Hohlraum 31 weist eine flache Plattenform auf. Der Hohlraum 31 ist dem Injektor 6 zugewandt, wenn sich der Kolben 3 in der Nähe von CTDC befindet.
  • Das Zentrum des Hohlraums 31 ist von einer Achse X1 (eine Achse, die durch das radiale Zentrum des Zylinders 11 verläuft) zu der Auslassseite versetzt und fällt mit der Achse X2 zusammen. Der Hohlraum 31 weist einen konvexen Abschnitt 311 auf. Der konvexe Abschnitt 311 ist an der Einspritzachse X2 des Injektors 6 ausgebildet. Der konvexe Abschnitt 311 weist eine im Wesentlichen konische Form auf. Der konvexe Abschnitt 311 erstreckt sich von dem Boden des Hohlraums 31 im Wesentlichen nach oben zu der Deckenfläche des Zylinders 11.
  • Der Hohlraum 31 weist einen eingekerbten Abschnitt 312 auf, der so ausgebildet ist, dass er den konvexen Abschnitt 311 vollständig umgibt. Der Hohlraum 31 weist eine symmetrische Form in Bezug auf die Einspritzachse X2 auf.
  • Eine Umfangsseitenfläche des eingekerbten Abschnitts 312 erstreckt sich von einer Bodenfläche des Hohlraums 31 zu einer Öffnungsfläche des Hohlraums 31, die in Bezug auf die Einspritzachse X2 geneigt ist. Ein Innendurchmesser des Hohlraums 31 an dem eingekerbten Abschnitt 312 nimmt von der Bodenfläche des Hohlraums 31 zu der Öffnungsfläche des Hohlraums 31 allmählich zu.
  • Es sei angemerkt, dass die Form der Brennkammer 17 nicht auf die in 2 dargestellte Form beschränkt ist. Die Formen des Hohlraums 31, der oberen Fläche des Kolbens 3, der Deckenfläche der Brennkammer 17 etc. sind geeignet veränderbar. Zum Beispiel kann die Tiefe des eingekerbten Abschnitts 312 an der Außenumfangsseite geringer sein. In diesem Fall verringert sich eine Menge an AGR-Gas (Abgasrückführung) um eine Zündkerze 25 herum und die Flammenausbreitung der SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung wird günstig.
  • Wie durch eine virtuelle Linie L2 von 2 angegeben, muss der Hohlraum 31 den konvexen Abschnitt 311 nicht aufweisen. Das heißt, der Hohlraum 31 weist eine sphärische Form auf, die von der Mitte aus radial nach außen allmählich flacher wird. Da es in diesem Fall schwieriger wird, dass der Kolben 3 mit einem Einlassventil 21 und einem Auslassventil 22 in Kontakt kommt, erhöht sich der Freiheitsgrad zum Steuern bzw. Regeln des Öffnens und Schließens des Einlassventils 21 und des Auslassventils 22. Wenn in diesem Fall eine Drallströmung in der Brennkammer 17 gebildet wird, stabilisiert sich die Strömung, und daher wird eine Schichtbildung bzw. Stratifizierung des Gasgemischs einfach.
  • Das geometrische Verdichtungsverhältnis des Motors 1 ist so eingestellt, dass es zwischen etwa 13 und etwa 30 liegt. Wie oben beschrieben, steuert bzw. regelt die SPCCI-Verbrennung die CI-Verbrennung durch Nutzung der durch die SI-Verbrennung und den Druckanstieg erzeugten Wärme. Bei diesem Motor 1 ist es nicht notwendig, die Temperatur der Brennkammer 17 zu erhöhen, wenn der Kolben 3 CTDC erreicht, damit sich das Gasgemisch selbst entzündet (d.h. die Kompressionsendtemperatur).
  • Das heißt, obwohl der Motor 1 die CI-Verbrennung durchführt, kann sein geometrisches Verdichtungsverhältnis relativ niedrig eingestellt werden. Das Verringern des geometrischen Verdichtungsverhältnisses ist vorteilhaft, um einen Kühlverlust und einen mechanischen Verlust zu reduzieren. Zum Beispiel kann das geometrische Verdichtungsverhältnis auf etwa 14:1 bis etwa 17:1 in regulären Spezifikationen (die Oktanzahl des Kraftstoffs ist etwa 91) und auf etwa 15:1 bis etwa 18:1 in Hochoktanspezifikationen (die Oktanzahl des Kraftstoffs beträgt etwa 96) eingestellt werden.
  • Der Zylinderkopf 13 ist mit zumindest einer Einlassöffnung 18 für jeden Zylinder 11 ausgebildet. Wie in 3 dargestellt, enthält die Einlassöffnung 18 zwei Einlassöffnungen, eine erste Einlassöffnung 181 und eine zweite Einlassöffnung 182. Die erste Einlassöffnung 181 und die zweite Einlassöffnung 182 sind in axialen Richtungen der Kurbelwelle 15 angeordnet, d.h. in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Motors 1. Die Einlassöffnung 18 steht mit der Brennkammer 17 in Verbindung. Obwohl nicht im Detail dargestellt, ist der Einlasstrakt 18 eine sogenannte Tumble-Öffnung. Das heißt, die Einlassöffnung 18 weist eine solche Form auf, dass eine Tumble-Strömung in der Brennkammer 17 gebildet wird.
  • Das Einlassventil 21 ist in der Einlassöffnung 18 angeordnet. Das Einlassventil 21 öffnet und schließt die Einlassöffnung 18 zu und von der Brennkammer 17. Das Einlassventil 21 wird durch einen Ventilbetätigungsmechanismus zu einem gegebenen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen. Dieser Ventilbetätigungsmechanismus kann ein variabler Ventilmechanismus sein, der eine Ventilsteuerung und/oder einen Ventilhub variabel macht. In diesem Konfigurationsbeispiel weist der variable Ventilmechanismus, wie in 4 dargestellt, eine elektrisch betriebene Einlass-S-VT (Sequential Valve Timing; sequentielle Ventilsteuerung) 23 auf. Die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 ist kontinuierlich variabel von einer Drehphase einer Einlassnockenwelle innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs. Somit ändern sich die Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils 21 kontinuierlich. Es sei angemerkt, dass der Einlassventilbetätigungsmechanismus eine hydraulisch betriebene S-VT an Stelle der elektrisch betriebenen S-VT aufweisen kann.
  • Der Zylinderkopf 13 ist auch mit einer Auslassöffnung 19 für jeden Zylinder 11 ausgebildet. Wie in 3 dargestellt, umfasst die Auslassöffnung 19 auch zwei Auslassöffnungen, eine erste Auslassöffnung 191 und eine zweite Auslassöffnung 192. Die erste Auslassöffnung 191 und die zweite Auslassöffnung 192 sind in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung des Motors 1 angeordnet. Die Auslassöffnung 19 steht mit der Brennkammer 17 in Verbindung.
  • Das Auslassventil 22 ist in der Auslassöffnung 19 angeordnet. Das Auslassventil 22 öffnet und schließt die Auslassöffnung 19 zu und von der Brennkammer 17. Das Auslassventil 22 wird durch einen Ventilbetätigungsmechanismus zu einem gegebenen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen. Dieser Ventilbetätigungsmechanismus kann ein variabler Ventilmechanismus sein, der eine Ventilsteuerung und/oder einen Ventilhub variabel macht. In diesem Konfigurationsbeispiel, wie in 4 dargestellt, weist der variable Ventilmechanismus eine elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 auf. Die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 ist kontinuierlich variabel von einer Drehphase einer Auslassnockenwelle innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs. Somit ändern sich die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Auslassventils 22 kontinuierlich. Es sei angemerkt, dass der Auslassventilbetätigungsmechanismus eine hydraulisch betätigte S-VT an Stelle der elektrisch betriebenen S-VT aufweisen kann.
  • Obwohl es später im Detail beschrieben wird, stellt der Motor 1 die Länge einer Überlappungsperiode des Öffnungszeitpunkts des Einlassventils 21 und des Schließzeitpunkts des Auslassventils 22 durch die elektrisch betriebene Einlass-S-VT und die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 ein. Somit wird Restgas in der Brennkammer 17 gespült. Ferner wird durch Einstellen der Länge der Überlappungsperiode internes AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet oder wird in der Brennkammer 17 eingeschlossen. Bei diesem Konfigurationsbeispiel bilden die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 und die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 ein internes AGR-System als eine der Zustandsfunktionseinstellvorrichtungen. Es sei angemerkt, dass das interne AGR-System nicht notwendigerweise durch die S-VT gebildet wird.
  • Der Injektor 6 ist an dem Zylinderkopf 13 für jeden Zylinder 11 angebracht. Der Injektor 6 spritzt den Kraftstoff direkt in die Brennkammer 17 ein. Der Injektor 6 ist in einem Talabschnitt des Pultdaches angeordnet, wo sich die geneigte Fläche 1311 auf der Einlassseite und die geneigte Fläche 1312 auf der Auslassseite schneiden. Wie in 2 dargestellt, ist der Injektor 6 so angeordnet, dass sich seine Einspritzachse X2 auf der Auslassseite der Mittelachse X1 befindet. Die Einspritzachse X2 des Injektors 6 ist parallel zu der Mittelachse X1. Wie oben beschrieben, fällt die Einspritzachse X2 des Injektors 6 mit der Position des konvexen Abschnitts 311 des Hohlraums 31 zusammen. Der Injektor 6 ist in Richtung des Hohlraums 31 ausgerichtet. Es ist anzumerken, dass die Einspritzachse X2 des Injektors 6 mit der Mittelachse X1 des Zylinders zusammenfallen kann. Auch in diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Einspritzachse X2 des Injektors 6 mit der Position des konvexen Abschnitts 311 des Hohlraums 31 übereinstimmt.
  • Obwohl dies nicht im Detail dargestellt ist, ist der Injektor 6 durch einen Mehröffnungskraftstoffinjektor mit einer Mehrzahl von Düsenöffnungen gebildet. Wie durch die Zweipunkt-Strichlinien in 2 angegeben, spritzt der Injektor 6 den Kraftstoff ein, so dass sich der Kraftstoffnebel radial von der radialen Mitte der Brennkammer 17 aus ausbreitet. In diesem Konfigurationsbeispiel weist der Injektor 6 zehn Düsenöffnungen auf, und die Düsenöffnungen sind in einem gleichmäßigen Winkelabstand in der Umfangsrichtung angeordnet. Wie im oberen Teil von 2 dargestellt, überlappen die Achsen der Düsenöffnungen umfangsmäßig nicht mit der später beschriebenen Zündkerze 25. Das heißt, die Zündkerze 25 ist sandwichartig zwischen den Achsen von zwei benachbarten bzw. angrenzenden Düsenöffnungen angeordnet. Somit wird verhindert, dass der Kraftstoffnebel, der von dem Injektor 6 eingespritzt wird, direkt auf die Zündkerze 25 trifft und eine Elektrode nass macht.
  • Wie später beschrieben wird, kann der Injektor 6 den Kraftstoff zu dem Zeitpunkt einspritzen, wenn der Kolben 3 in der Nähe des CTDC positioniert ist. Wenn in diesem Fall der Injektor 6 den Kraftstoff einspritzt, strömt der Kraftstoffnebel im Wesentlichen entlang des konvexen Abschnitts 311 des Hohlraums 31 nach unten, während er sich mit Frischluft vermischt, und strömt im Wesentlichen entlang der Bodenfläche und der Umfangsfläche des eingekerbten Abschnitts 312, um sich von der Mitte der Brennkammer 17 radial nach außen zu verteilen. Dann erreicht das Gasgemisch die Öffnung des Hohlraums 31, strömt im Wesentlichen entlang der geneigten Fläche 1311 auf der Einlassseite und der geneigten Fläche 1312 auf der Auslassseite und strömt weiter von der Außenumfangsseite zu der Mitte der Brennkammer 17 hin.
  • Es sei angemerkt, dass der Injektor 6 nicht auf den Mehröffnungsinjektor beschränkt ist. Der Injektor 6 kann einen nach außen öffnenden Ventilinjektor verwenden.
  • Ein Kraftstoffzufuhrsystem 61 ist mit dem Injektor 6 verbunden. Das Kraftstoffzufuhrsystem 61 enthält einen Kraftstofftank 63, der zum Speichern des Kraftstoffs konfiguriert ist, und einen Kraftstoffzufuhrweg 62, der den Kraftstofftank 63 mit dem Injektor 6 verbindet. Eine Kraftstoffpumpe 65 und ein Common Rail 64 sind in dem Kraftstoffzufuhrweg 62 bereitgestellt. Die Kraftstoffpumpe 65 pumpt den Kraftstoff zu dem Common Rail 64. In dieser Ausführungsform ist die Kraftstoffpumpe 65 eine Kolbenpumpe, die von der Kurbelwelle 15 angetrieben wird. Das Common Rail 64 speichert den Kraftstoff, der mit hohem Kraftstoffdruck von der Kraftstoffpumpe 65 gepumpt wird. Wenn sich der Injektor 6 öffnet, wird der in dem Common Rail 64 gespeicherte Kraftstoff aus den Düsenöffnungen des Injektors 6 in die Brennkammer 17 eingespritzt. Das Kraftstoffzufuhrsystem 61 ist konfiguriert, den Kraftstoff mit einem hohen Druck von etwa 30 MPa oder mehr dem Injektor 6 zuzuführen. Ein höchster Kraftstoffdruck des Kraftstoffzufuhrsystems 61 kann beispielsweise etwa 120 MPa betragen. Der Druck des dem Injektor 6 zugeführten Kraftstoffs kann gemäß einem Betriebszustand des Motors 1 geändert werden. Es ist anzumerken, dass die Struktur des Kraftstoffzufuhrsystems 61 nicht auf die obige Struktur beschränkt ist.
  • Die Zündkerze 25 ist an dem Zylinderkopf 13 für jeden Zylinder 11 angebracht. Die Zündkerze 25 zündet das Gasgemisch in der Brennkammer 17 zwangsweise. In diesem Konfigurationsbeispiel ist die Zündkerze 25 an der Einlassseite des Zylinders 11 in Bezug auf die Mittelachse X1 angeordnet. Die Zündkerze 25 befindet zwischen den beiden Einlassöffnungen 18. Die Zündkerze 25 ist an dem Zylinderkopf 13 angebracht, um sich im Wesentlichen nach unten zu der Mitte der Brennkammer 17 in einer geneigten Stellung in Bezug auf die Oben-Unten-Richtungen des Zylinderkopfs 13 zu erstrecken. Wie in 2 dargestellt, befindet sich die Elektrode der Zündkerze 25 in der Nähe der Deckenfläche der Brennkammer 17, um in Richtung in die Brennkammer 17 hinein ausgerichtet zu sein. Es ist anzumerken, dass die Anordnungsposition der Zündkerze 25 nicht auf das Konfigurationsbeispiel von 2 beschränkt ist. Die Zündkerze 25 kann auf der Auslassseite der Mittelachse X1 des Zylinders 11 angeordnet sein. Alternativ kann die Zündkerze 25 auf der Mittelachse X1 des Zylinders 11 angeordnet sein und der Injektor 6 kann auf der Einlassseite oder der Auslassseite in Bezug auf die Mittelachse X1 angeordnet sein.
  • Ein Einlasstrakt 40 ist mit einer Seite des Motors 1 verbunden. Der Einlasstrakt 40 steht mit den Einlassöffnungen 18 der Zylinder 11 in Verbindung. Der Einlasstrakt 40 ist ein Trakt, durch den in die Brennkammer 17 einzuleitendes Gas strömt. Ein Luftreiniger 41, der Frischluft filtert, ist in einem stromaufwärtigen Endteil des Einlasstrakts 40 angeordnet. Ein Ausdehnungsbehälter 42 ist nahe einem stromabwärtigen Ende des Einlasstrakts 40 angeordnet. Obwohl nicht im Detail dargestellt, bildet ein Teil des Einlasstrakts 40 stromabwärts des Ausdehnungsbehälter 42 unabhängige Trakte, die für die jeweiligen Zylinder 11 verzweigt sind. Stromabwärtige Enden der unabhängigen Trakte stehen jeweils mit den Einlassöffnungen 18 der Zylinder 11 in Verbindung.
  • Ein Drosselventil 43 ist in dem Einlasstrakt 40 zwischen dem Luftreiniger 41 und dem Ausgleichsbehälter 42 angeordnet. Das Drosselventil 43 stellt eine Einleitungsmenge von Frischluft in die Brennkammer 17 ein, indem eine Öffnung davon eingestellt wird. Das Drosselventil 43 bildet eine der Zustandsfunktionseinstellvorrichtungen.
  • Ein Booster bzw. Verstärker 44 ist in dem Einlasstrakt 40 stromabwärts des Drosselventils 43 angeordnet. Der Booster 44 boostet bzw. verstärkt das in die Brennkammer 17 eingeleitete Gas. In diesem Konfigurationsbeispiel ist der Booster 44 ein von dem Motor angetriebener Supercharger bzw. Kompressor. Der Booster 44 kann beispielsweise vom Roots-Typ sein. Der Booster 44 kann irgendeine Struktur aufweisen. Der Booster 44 kann vom Lisholm-Typ, vom Vane-Typ oder einem Zentrifugaltyp sein. Man beachte, dass der Booster ein elektrischer Booster oder ein Turbolader sein kann, der durch Abgasenergie angetrieben wird.
  • Eine elektromagnetische Kupplung 45 ist vorzugsweise zwischen dem Booster 44 und dem Motor 1 angeordnet. Die elektromagnetische Kupplung 45 steuert den Fluss einer Antriebskraft zwischen dem Booster 44 und dem Motor 1, zum Beispiel überträgt sie die Antriebskraft von dem Motor 1 zu dem Booster 44 oder unterbricht die Übertragung der Antriebskraft dazwischen. Wie später beschrieben wird, wird durch eine ECU 10 (Engine Control Unit; Motorsteuer- bzw. -regeleinheit), welche die Verbindung/Trennung der elektromagnetischen Kupplung 45 umschaltet, das Ein-/Ausschalten des Boosters 44 umgeschaltet. Das heißt, bei diesem Motor 1 kann umgeschaltet werden zwischen dem Boosten von Gas durch den Booster 44, das in die Brennkammer 17 einzubringen ist, und dem Nichtboosten von Gas durch den Booster 44, das in die Brennkammer 17 einzubringen ist.
  • Ein Ladeluftkühler 46 ist in dem Einlasstrakt 40 stromabwärts des Boosters 44 angeordnet. Der Ladeluftkühler 46 kühlt das in dem Booster 44 komprimierte Gas. Der Ladeluftkühler 46 kann beispielsweise ein Wasserkühlungs-Typ sein.
  • Ein Umgehungstrakt 47 ist mit dem Einlasstrakt 40 verbunden. Der Umgehungstrakt 47 verbindet einen Teil des Einlasstrakts 40 stromaufwärts des Boosters 44 mit einem Teil des Einlasstrakts 40 stromabwärts des Ladeluftkühlers 46, um den Booster 44 und den Ladeluftkühler 46 zu umgehen. Zum Beispiel ist der Umgehungstrakt 47 mit dem Ausdehnungsbehälter 42 verbunden. Ein Luftumgehungsventil 48 ist in dem Umgehungstrakt 47 angeordnet. Das Luftumgehungsventil 48 stellt eine Strömungsrate des durch den Umgehungstrakt 47 strömenden Gases ein.
  • Wenn der Booster 44 ausgeschaltet ist (das heißt, wenn die elektromagnetische Kupplung 45 getrennt ist), ist das Luftumgehungsventil 48 im Wesentlichen vollständig geöffnet. Somit umgeht das durch den Einlasstrakt 40 strömende Gas den Booster 44 und wird in die Brennkammer 17 des Motors 1 eingeleitet. Der Motor 1 arbeitet in einem nicht geboosteten Zustand, das heißt in einem Saugzustand.
  • Wenn der Booster 44 eingeschaltet wird (das heißt, wenn die elektromagnetische Kupplung 45 verbunden ist), arbeitet er in einem Boost-Zustand (einem Zustand, in dem ein höherer Druck als der Atmosphärendruck dynamisch auf der stromabwärtigen Seite des Boosters 44 aufgebracht wird). Das durch den Booster 44 geleitete Gas strömt teilweise stromaufwärts des Boosters 44 durch den Umgehungstrakt 47 zurück. Durch Steuern bzw. Regeln einer Öffnung des Luftumgehungsventils 48 wird ein Rückströmungsbetrag eingestellt, der zum Einstellen des Boost-Drucks des in die Brennkammer 17 eingeleiteten Gases führt. Es sei angemerkt, dass der Ausdruck „boostet“ definiert sein kann, dass der Druck in dem Ausdehnungsbehälter 42 den Atmosphärendruck übersteigt, und der Ausdruck „nicht boostet“ definiert sein kann, dass der Druck in dem Ausdehnungsbehälter 42 unter den Atmosphärendruck fällt. In diesem Konfigurationsbeispiel umfasst ein Boosting-System 49 den Booster 44, den Umgehungstrakt 47 und das Luftumgehungsventil 48. Das Luftumgehungsventil 48 bildet eine der Zustandsfunktionseinstellvorrichtungen.
  • Der Motor 1 weist einen Drallerzeugungsteil auf, der eine Drallströmung in der Brennkammer 17 erzeugt. Der Drallerzeugungsteil ist ein Beispiel einer Einlassstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung. In diesem Konfigurationsbeispiel, wie in 3 dargestellt, ist der Drallerzeugungsteil ein Drallsteuer- bzw. -regelventil (SCV; Swirl Control Valve) 56, das an dem Einlasstrakt 40 angebracht ist. Das SCV 56 (Einlassstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung) steuert bzw. regelt eine Strömung von Ansaugluft, die in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, um darin eine Drallströmung zu bilden, und ändert die Stärke der Strömung. Das SCV 56 ist in einem Trakt angeordnet. Der Trakt ist einer von einem primären Trakt 401 und einem sekundären Trakt 402, die mit der ersten Einlassöffnung 181 bzw. der zweiten Einlassöffnung 182 in Verbindung stehen. Das SCV 56 ist ein Öffnungsteuer- bzw. -regelventil, das in der Lage ist, die Öffnung eines Querschnitts des sekundären Trakts einzustellen. Wenn die Öffnung des SCV 56 klein ist, steigt die Strömungsrate der Ansaugluft in die Brennkammer 17 von der ersten Einlassöffnung 181 relativ an, während die Strömungsrate der Ansaugluft in die Brennkammer 17 von der zweiten Einlassöffnung 182 aus relativ reduziert ist. Somit wird die Drallströmung in der Brennkammer 17 stark. Wenn die Öffnung des SCV 56 groß ist, werden die Strömungsraten der Ansaugluft in die Brennkammer 17 von der ersten Einlassöffnung 181 und der zweiten Einlassöffnung 182 im Wesentlichen gleichmäßig, und somit wird die Drallströmung in der Brennkammer 17 schwach. Wenn das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, tritt keine Drallströmung auf. Es ist anzumerken, dass die Drallströmung in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn von 3 zirkuliert, wie es durch die weiß umrandeten Pfeile angegeben ist (siehe auch die weiß umrandeten Pfeile von 2).
  • Es ist anzumerken, dass alternativ/zusätzlich zu dem Anbringen des SCV 56 an dem Einlasstrakt 40 der Drallerzeugungsteil eine Struktur annehmen kann, in der die Öffnungsperioden der beiden Einlassventile 21 variiert werden, um die Ansaugluft in die Brennkammer 17 von nur einem der Einlassventile 21 einzubringen. Durch Öffnen von nur einem der beiden Einlassventile 21 wird die Ansaugluft ungleichmäßig in die Brennkammer 17 eingeleitet, und somit wird die Drallströmung in der Brennkammer 17 erzeugt. Alternativ können die Formen der Einlassöffnungen 18 so gestaltet sein, dass der Drallerzeugungsteil die Drallströmung in der Brennkammer 17 erzeugt.
  • Hier wird die Stärke der Drallströmung in der Brennkammer 17 definiert. In diesem Konfigurationsbeispiel wird die Stärke der Drallströmung in der Brennkammer 17 durch ein „Drallverhältnis“ ausgedrückt. Das „Drallverhältnis“ kann als ein Wert definiert werden, der durch Dividieren eines Wertes, der durch Messen einer lateralen Winkelgeschwindigkeit des Einlassstroms für jeden Ventilhub und Integrieren des Wertes erhalten wird, durch eine Motorwinkelgeschwindigkeit erhalten wird. Die laterale Winkelgeschwindigkeit des Einlassstroms kann basierend auf einer Messung unter Verwendung einer in 5 dargestellten Prüfstandvorrichtung erhalten werden. Insbesondere ist bei der in 5 dargestellten Prüfstandvorrichtung der Zylinderkopf 13 umgedreht auf einem Sockel platziert, um die Einlassöffnung 18 mit einer Ansaugluftzufuhrvorrichtung (nicht dargestellt) zu verbinden, und Platzieren eines Zylinders 36 an dem Zylinderkopf 13, um an seinem oberen Ende zu einem Impulsmesser 38 zu verbinden, der einen Wabenrotor 37 aufweist. Eine untere Fläche des Impulsmessers 38 ist an einer Position 1.75D (wobei „D“ ein Zylinderbohrungsdurchmesser ist) weg von einer Passfläche zwischen dem Zylinderkopf 13 und dem Zylinder 36 positioniert. Der Impulsmesser 38 misst ein Drehmoment, das auf den Wabenrotor 37 durch einen Drall bzw. Drall einwirkt, der in dem Zylinder 36 entsprechend der Zufuhr der Ansaugluft erzeugt wird (siehe den Pfeil von 5), und die laterale Winkelgeschwindigkeit des Einlassstroms wird basierend auf dem Drehmoment erhalten.
  • 6 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Öffnung des SCV 56 des Motors 1 und dem Drallverhältnis. In 6 wird die Öffnung des SCV 56 durch ein Öffnungsverhältnis in Bezug auf den Querschnitt des sekundären Trakts 402 ausgedrückt, wenn er im Wesentlichen vollständig geöffnet ist. Das Öffnungsverhältnis des sekundären Trakts 402 beträgt 0%, wenn das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geschlossen ist, und nimmt von 0% zu, wenn die Öffnung des SCV 56 zunimmt. Das Öffnungsverhältnis des sekundären Trakts 402 beträgt 100%, wenn das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geöffnet ist. Wie in 6 dargestellt, wird in dem Motor 1 das Drallverhältnis etwa 6, wenn das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geschlossen ist. Um das Drallverhältnis auf 4 oder höher festzulegen, kann die Öffnung des SCV 56 innerhalb eines Bereichs des Öffnungsverhältnisses von etwa 0 bis etwa 15% eingestellt werden. Um das Drallverhältnis auf etwa 1,5 bis 3 festzulegen, kann die Öffnung des SCV 56 innerhalb eines Bereichs des Öffnungsverhältnisses von etwa 25 bis etwa 40% eingestellt werden. Um das Drallverhältnis auf kleiner als 4 festzulegen, kann die Öffnung des SCV 56 in einem Bereich des Öffnungsverhältnisses unter etwa 15% eingestellt werden. Insbesondere zur Sicherstellung der Fluidität des Gasgemischs und zur Steuerung bzw. Regelung der Schichtbildung bzw. Stratifizierung des Gasgemischs in der Brennkammer 17 in Zusammenwirken mit der SPCCI-Verbrennung innerhalb des Betriebsbereichs, in dem die Motorlast niedrig oder mittel ist, wird das Drallverhältnis bevorzugt in einem Bereich von etwa 1,5 bis etwa 3 (etwa 25% bis etwa 40% bezüglich der Öffnung des SCV 56) eingestellt.
  • Ein Auslasstrakt 50 ist mit einer Seite des Motors 1 gegenüber dem Einlasstrakt 40 verbunden. Der Auslasstrakt 50 steht mit den Auslassöffnungen 19 der Zylinder 11 in Verbindung. Der Auslasstrakt 50 ist ein Trakt, durch den das aus der Brennkammer 17 ausgestoßene Abgas strömt. Obwohl nicht im Detail dargestellt, bildet ein stromaufwärtiger Teil des Auslasstrakts 50 unabhängige Trakte, die für die jeweiligen Zylinder 11 verzweigt sind. Stromaufwärtige Enden der unabhängigen Trakte sind jeweils mit den Auslassöffnungen 19 der Zylinder 11 verbunden.
  • Ein Abgasreinigungssystem mit einem oder mehreren Katalysatoren ist in dem Auslasstrakt 50 angeordnet. Das Abgasreinigungssystem dieses Konfigurationsbeispiels weist zwei Katalysatoren auf. Der Katalysator auf der stromaufwärtigen Seite ist in einem Motorraum angeordnet und weist einen Dreiwegekatalysator 511 und einen GPF (Benzinpartikelfilter) 512 auf. Der Katalysator auf der stromabwärtigen Seite ist außerhalb des Motorraums angeordnet und weist einen Dreiwegekatalysator auf. Es sei angemerkt, dass das Abgasreinigungssystem nicht darauf beschränkt ist, die dargestellte Struktur aufzuweisen. Zum Beispiel kann der GPF 512 weggelassen werden. Darüber hinaus ist der Katalysator nicht darauf beschränkt, den Dreiwegekatalysator aufzuweisen. Darüber hinaus kann die Reihenfolge der Anordnungen des Dreiwegekatalysators und des GPF in geeigneter Weise geändert werden.
  • Ein AGR-Trakt 52, der ein externes AGR-System bildet, ist zwischen dem Einlasstrakt 40 und dem Auslasstrakt 50 verbunden. Der AGR-Trakt 52 ist ein Trakt zum Zurückführen eines Teils des verbrannten Gases zu dem Einlasstrakt 40. Ein stromaufwärtiges Ende des AGR-Trakts 52 ist mit dem Auslasstrakt 50 zwischen dem stromaufwärtigen Katalysator und dem stromabwärtigen Katalysator verbunden. Ein stromabwärtiges Ende des AGR-Trakts 52 ist mit dem Einlasstrakt 40 stromaufwärts des Boosters 44 verbunden. Beispielsweise ist das stromabwärtige Ende des AGR-Trakts 52 mit einer Zwischenposition des Umgehungstrakts 47 verbunden. Das durch den AGR-Trakt 52 strömende AGR-Gas tritt stromauf des Boosters 44 in den Einlasstrakt 40 ein, ohne das Luftumgehungsventil 48 des Umgehungstrakts 47 zu passieren.
  • Ein AGR-Kühler 53 vom Wasserkühlungstyp ist in dem AGR-Trakt 52 angeordnet. Der AGR-Kühler 53 kühlt das verbrannte Gas. Ein AGR-Ventil 54 ist ebenfalls in dem AGR-Trakt 52 angeordnet. Das AGR-Ventil 54 stellt die Strömungsrate des verbrannten Gases in dem AGR-Trakt 52 ein. Durch Einstellen einer Öffnung des AGR-Ventils 54 wird die Rückführungsmenge des abgekühlten verbrannten Gases (d.h. externes AGR-Gas) eingestellt.
  • In diesem Konfigurationsbeispiel enthält ein AGR-System 55 ein externes AGR-System, das den AGR-Trakt 52 und das AGR-Ventil 54 enthält, und ein internes AGR-System, das die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 und die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 enthält, die oben beschrieben wurden. Das AGR-Ventil 54 bildet eine der Zustandsfunktionseinstellvorrichtungen. Da in dem externen AGR-System der AGR-Trakt 52 stromabwärts des stromaufwärtigen Katalysators verbunden ist und der AGR-Kühler 53 bereitgestellt ist, wird das verbrannte Gas mit einer niedrigeren Temperatur als bei dem internen AGR-System der Brennkammer 17 zugeführt.
  • Ein Steuer- bzw. Regelsystem 20 des Motors mit Kompressionszündung enthält eine ECU (Engine Control Unit; Motorsteuer- bzw. -regeleinheit) 10, die zum Betreiben des Motors 1 konfiguriert ist. Die ECU 10 ist ein Controller, der auf einem wohlbekannten Mikrocomputer basiert. Die ECU 10 enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit; CPU) 101, die einen Prozessor umfasst, der zum Ausführen von Programm(en)/Anweisungen konfiguriert ist, einen Speicher 102, der aus RAM(s) (Random Access Memory) und ROM(s) besteht (Read Only Memory) und konfiguriert ist, um das/die Programm(e)/Anweisungen und Daten zu speichern, und einen Eingabe/Ausgabe-Bus 103, der konfiguriert ist, elektrische Signale einzugeben und auszugeben. Die ECU 10 ist ein Beispiel eines „Controllers“. Der Speicher 102 speichert ein Sl-Verhältnis-Änderungsmodul (Wärmemengenverhältnis-Änderungsmodul) 102a, welches das SI-Verhältnis (Wärmemengenverhältnis, das später im Detail beschrieben wird) gemäß dem Betriebszustand des Motors 1 ändert, um die SPCCI-Verbrennung zu steuern bzw. zu regeln. Das SI-Verhältnis-Änderungsmodul 102a umfasst beispielsweise Daten, wie ein Steuer- bzw. Regelprogramm, und eine Kennfeld bzw. ein Kennfeld, die bzw. das für das Steuerprogramm verwendet werden.
  • Wie in 1 und 4 gezeigt, sind verschiedene Sensoren SW1 bis SW16 mit der ECU 10 verbunden. Die Sensoren SW1 bis SW16 geben Erfassungssignale an die ECU 10 aus. Die Sensoren umfassen die folgenden Sensoren.
  • Das heißt, die Sensoren enthalten einen Luftströmungssensor SW1, der in dem Einlasstrakt 40 stromabwärts des Luftreinigers 41 angeordnet ist und konfiguriert ist, die Strömungsrate von Frischluft in dem Einlasstrakt 40 zu erfassen, einen ersten Ansauglufttemperatursensor SW2, der ebenfalls in dem Einlasstrakt 40 stromabwärts des Luftreinigers 41 angeordnet ist und konfiguriert ist, eine Temperatur von Frischluft zu erfassen, einen ersten Drucksensor SW3, der in dem Einlasstrakt 40 stromabwärts der Verbindungsposition mit dem AGR-Trakt 52 und stromaufwärts des Boosters 44 angeordnet ist und konfiguriert ist, Druck des Gases zu erfassen, das in den Booster 44 strömt, einen zweiten Ansauglufttemperatursensor SW4, der in dem Einlasstrakt 40 stromabwärts des Boosters 44 und stromaufwärts der Verbindungsposition des Umgehungstrakts 47 angeordnet ist und konfiguriert ist, eine Temperatur des aus dem Booster 44 ausströmenden Gases zu erfassen, einen zweiten Drucksensor SW5, der an dem Ausdehnungsbehälter 42 angebracht ist und konfiguriert ist, Druck des Gases an einer Position stromabwärts des Boosters 44 zu erfassen, Drucksensoren SW6, die an dem Zylinderkopf 13 entsprechend den Zylindern 11 angebracht sind und konfiguriert sind, jeweils Druck in den Brennkammern 17 zu erfassen, einen Abgastemperatursensor SW7, der in dem Auslasstrakt 50 angeordnet ist und konfiguriert ist, eine Temperatur des aus der Brennkammer 17 ausgestoßenen Abgases zu erfassen, einen linearen O2-Sensor SW8, der in dem Auslasstrakt 50 stromaufwärts des Katalysators 511 angeordnet ist und konfiguriert ist, eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des Abgases zu erfassen, einen Lambda-O2-Sensor SW9, der in dem Auslasstrakt 50 stromabwärts des Katalysators 511 angeordnet ist und konfiguriert ist, eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des Abgases zu erfassen, einen Wassertemperatursensor SW10, der an dem Motor 1 angebracht ist und konfiguriert ist, eine Temperatur des Kühlwassers zu erfassen, einen Kurbelwinkelsensor SW11, der an dem Motor 1 angebracht ist und konfiguriert ist, einen Drehwinkel der Kurbelwelle 15 zu erfassen, Gaspedalöffnungs- bzw. - stellungssensor SW12, der an einem Gaspedalmechanismus angebracht ist und konfiguriert ist, eine Gaspedalöffnung bzw. -stellung zu erfassen, die einem Betätigungsbetrag eines Gaspedals entspricht, einen Einlassnockenwinkelsensor SW13, der an dem Motor 1 angebracht ist und konfiguriert ist, einen Drehwinkel der Einlassnockenwelle zu erfassen, einen Auslassnockenwinkelsensor SW14, der an dem Motor 1 angebracht ist und konfiguriert ist, einen Drehwinkel der Auslassnockenwelle zu erfassen, einen AGR-Druckdifferenzsensor SW15, der in dem AGR-Trakt 52 angeordnet ist und konfiguriert ist, eine Druckdifferenz zwischen Positionen stromaufwärts und stromabwärts des AGR-Ventils 54 zu erfassen, und einen Kraftstoffdrucksensor SW16, der an dem Common Rail 64 des Kraftstoffversorgungssystems 61 angebracht ist und konfiguriert ist, den Druck des Kraftstoffs zu erfassen, der dem Injektor 6 zuzuführen ist.
  • Basierend auf diesen Erfassungssignalen bestimmt die ECU 10 den Betriebszustand des Motors 1 und berechnet Steuer- bzw. Regelbeträge der verschiedenen Vorrichtungen. Die ECU 10 gibt Steuer- bzw. Regelsignale, die sich auf die berechneten Steuer- bzw. Regelbeträge beziehen, an den Injektor 6, die Zündkerze 25, die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23, die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24, das Kraftstoffversorgungssystem 61, das Drosselventil 43, das AGR-Ventil 54, die elektromagnetische Kupplung 45 des Verstärkers 44, das Luftumgehungsventil 48 und das SCV 56 aus.
  • Beispielsweise legt die ECU 10 ein Solldrehmoment des Motors 1 fest und bestimmt einen Sollboosting- bzw. -verstärkungsdruck basierend auf dem Erfassungssignal des Gaspedalöffnungssensors SW12 und einem voreingestellten Kennfeld. Dann führt die ECU 10 eine Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung durch, um den Verstärkungsdruck auf den Sollverstärkungsdruck zu bringen, und zwar durch Einstellen der Öffnung des Luftumgehungsventils 48 basierend auf dem Sollverstärkungsdruck und einer Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite des Boosters 44, die den Erfassungssignalen des ersten Drucksensors SW3 und des zweiten Drucksensors SW5 erhalten werden.
  • Ferner legt die ECU 10 ein Soll-AGR-Verhältnis (d.h. ein Verhältnis des AGR-Gases in Bezug auf das gesamte Gas in der Brennkammer 17) basierend auf dem Betriebszustand des Motors 1 und einem voreingestellten Kennfeld fest. Dann bestimmt die ECU 10 eine Soll-AGR-Gasmenge basierend auf dem Soll-AGR-Verhältnis und der Ansaugluftmenge basierend auf dem Erfassungssignal des Gaspedalöffnungssensors SW12. Dann führt die ECU 10 eine Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung aus, um die in die Brennkammer 17 eingeleitete externe AGR-Gasmenge auf die Soll-AGR-Gasmenge zu bringen, und zwar durch Einstellen der Öffnung des AGR-Ventils 54 basierend auf der Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Seite des AGR-Ventils 54, die aus dem Erfassungssignal des AGR-Druckdifferenzsensors SW15 erhalten wird.
  • Ferner führt die ECU 10 eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung aus, wenn eine gegebene Steuer- bzw. Regelbedingung erfüllt ist. Basierend auf den Sauerstoffkonzentrationen innerhalb des Abgases, die durch den linearen O2-Sensor SW8 und den Lambda-O2-Sensor SW9 erfasst werden, stellt die ECU 10 zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzmenge des Injektors 6 ein, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gasgemischs auf einen gewünschten Wert zu bringen.
  • Es sei angemerkt, dass Details anderer Steuerungen bzw. Regelungen des Motors 1 durch die ECU 10 später beschrieben werden.
  • (Erstes Konfigurationsbeispiel des Betriebsbereichkennfelds des Motors)
  • 7A zeigt ein erstes Konfigurationsbeispiel eines Betriebsbereichkennfelds des Motors 1. Ein Betriebsbereichkennfeld 700 wird durch eine Motorlast und eine Motordrehzahl bestimmt. Das Betriebsbereichkennfeld 700 ist grob in vier Bereiche basierend auf der Motorlast und der Motordrehzahl unterteilt. Zum Beispiel umfassen die vier Bereiche einen Niedriglastbereich (A) einschließlich eines Leerlaufbetriebs, einen Hochlastbereich (C) einschließlich einer vollen Motorlast, einen Mittellastbereich (B) zwischen dem Niedriglastbereich (A) und dem Hochlastbereich (C), und einen Hochdrehzahlbereich (D), in dem die Motordrehzahl höher ist als im Niedriglastbereich (A). Innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (D) spritzt der Motor 1 den Kraftstoff in die Brennkammer 17 beim Einlasstakt ein und führt die SI-Verbrennung durch Funkenzündung durch. Der Motor 1 führt die SPCCI-Verbrennung innerhalb des Mittellastbereich (B) aus, um die Kraftstoffeffizienz und die Abgasleistung zu verbessern.
  • Ferner führt der Motor 1 eine Verbrennung durch Kompressionsselbstzündung innerhalb des Mittellastbereichs (B) durch, um die Kraftstoffeffizienz und die Abgasleistung zu verbessern. Nachstehend werden die Verbrennungsmodi in jedem des Niedriglastbereichs (A), des Mittellastbereichs (B) und des Hochlastbereichs (C) im Detail beschrieben.
  • (Niedriglastbereich)
  • Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) ist, ist die Kraftstoffeinspritzmenge klein. Daher ist die Menge an Wärme, die erzeugt wird, wenn das Gasgemisch in der Brennkammer 17 verbrannt wird, gering und die Temperatur der Brennkammer 17 ist niedrig. Da die Temperatur des Abgases ebenfalls niedrig ist, ist es, selbst wenn das interne AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, wie später beschrieben wird, schwierig, die Temperatur der Brennkammer 17 in einem solchen Ausmaß zu erhöhen, dass eine Selbstzündung auf stabile Weise durchgeführt wird.
  • Der Verbrennungsmodus, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) ist, ist die SI-Verbrennung, bei der die Zündkerze 25 das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer 17 zündet, um es durch Flammenausbreitung zu verbrennen. Dies dient zur Priorisierung der zuverlässigen Sicherung der Verbrennungsstabilität. Im Folgenden kann der Verbrennungsmodus innerhalb des Niedriglastbereichs (A) als „Niedriglast-SI-Verbrennung“ bezeichnet werden.
  • Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) ist, ist das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs im Wesentlichen auf dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis (A/F = etwa 14,7:1). Es ist anzumerken, dass im Folgenden das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, ein Luftüberschussverhältnis λ und der Wert G/F des Gasgemischs die Werte bedeuten, die zu einem Zündzeitpunkt genommen werden. Wenn das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs auf das theoretische Luftkraftstoffverhältnis eingestellt ist, ist der Dreiwegekatalysator in der Lage, das aus der Brennkammer 17 ausgestoßene Abgas zu reinigen, und somit verbessert sich die Abgasleistung des Motors 1. Das A/F des Gasgemischs kann so eingestellt werden, dass es innerhalb des Reinigungsfensters des Dreiwegekatalysators bleibt (d.h. eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Breite, welche die Dreiwege-Reinigungsfunktion aufweist). Daher kann das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 eingestellt werden.
  • Um die Kraftstoffeffizienz des Motors 1 zu verbessern, leitet, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) ist, das AGR-System 55 das AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein. Das G/F des Gasgemischs, welches ein Massenverhältnis des Gesamtgases zu dem Kraftstoff in der Brennkammer 17 ist, wird zwischen etwa 18 und etwa 30 eingestellt. Das Gasgemisch ist AGR-mager und weist ein hohes Verdünnungsverhältnis auf. Durch Einstellen des G/F des Gasgemischs auf beispielsweise etwa 25 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) wird die SI-Verbrennung auf stabile Weise durchgeführt, ohne dass sich das Gasgemisch selbst entzündet. Innerhalb des Niedriglastbereichs (A) wird das G/F des Gasgemischs unabhängig von der Motorlast im Wesentlichen konstant gehalten. Somit ist die SI-Verbrennung über den gesamten Niedriglastbereich hinweg stabil. Zusätzlich verbessert sich die Kraftstoffeffizienz des Motors 1 und die Abgasleistung verbessert sich.
  • Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) ist, muss, da die Kraftstoffmenge niedrig ist, eine Ladungsmenge von Gas in die Brennkammer 17 niedriger als etwa 100% sein, um λ des Gasgemischs auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 und G/F auf einen Wert zwischen etwa 18 und etwa 30 oder zwischen etwa 18 und etwa 50 zu bringen. Beispielsweise führt der Motor 1 eine Drosselung, um die Öffnung der Drosselklappe 43 einzustellen, und/oder einen Spiegelzyklus zum Verzögern des Schließzeitpunkts des Einlassventils 21 auf nach einem unteren Totpunkt (BDC) beim Einlasstakt durch.
  • Wenn der Motor 1 das Betriebsbereichkennfeld 700 annimmt, wenn der Betriebszustand innerhalb des Niedriglastbereichs (A) ist, ist das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geöffnet. Daher tritt die Drallströmung in der Brennkammer 17 kaum auf.
  • Es sei angemerkt, dass innerhalb eines Niedriglast- und Niedrigdrehzahlsegments des Niedriglastbereichs (A) die Verbrennungstemperatur des Gasgemischs und die Temperatur des Abgases erhöht werden können, indem die Ladungsmenge des Gases noch kleiner gemacht wird. Dies ist vorteilhaft, um den Katalysator 51 in einem aktiven Zustand zu halten.
  • (Mittellastbereich)
  • Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) ist, erhöht sich die Kraftstoffeinspritzmenge. Die Temperatur der Brennkammer 17 erhöht sich und somit wird die Selbstzündung auf stabile Weise durchgeführt. In dem Mittellastbereich (B) führt der Motor die CI-Verbrennung durch, um die Kraftstoffeffizienz und die Abgasleistung zu verbessern.
  • Wenn der Motor 1 das Betriebsbereichkennfeld 700 annimmt, wenn der Betriebszustand innerhalb des Mittellastbereichs (B) ist, ist das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geöffnet. Daher tritt die Drallströmung in der Brennkammer 17 kaum auf.
  • Bei der Verbrennung, die durch Selbstzündung verursacht wird, ändert sich der Zeitpunkt der Selbstzündung stark, wenn die Temperatur innerhalb der Brennkammer variiert, bevor die Kompression beginnt. Daher führt der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) die SPCCI-Verbrennung durch, bei der die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert werden. Bei der SPCCI-Verbrennung zündet die Zündkerze 25 zwangsweise das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer 17, um es durch Flammenausbreitung zu verbrennen, und die durch diese Verbrennung erzeugte Wärme erhöht die Temperatur innerhalb der Brennkammer 17, was zur Verbrennung von unverbranntem Gasgemisch durch Selbstentzündung führt. Es ist möglich, die Variation der Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 zu reduzieren, bevor die Kompression beginnt, indem die Wärmeerzeugungsmenge bei der SI-Verbrennung eingestellt wird. Selbst wenn die Variation der Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 variiert, bevor die Kompression beginnt, z.B. durch Steuern bzw. Regeln des Zündzeitpunkts zum Einstellen des Startzeitpunkts der SI-Verbrennung, entzündet sich das unverbrannte Gasgemisch zu einem Sollzeitpunkt selbst.
  • Um den Zeitpunkt der Selbstzündung bei der SPCCI-Verbrennung genau zu steuern bzw. zu regeln, muss sich der Selbstzündungszeitpunkt entsprechend der Änderung des Zündzeitpunkts ändern. Es ist vorzuziehen, dass die Empfindlichkeit der Selbstzündungszeitpunktänderung gemäß der Änderung des Zündzeitpunkts hoch ist.
  • Gemäß einer Studie, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, wurde herausgefunden, dass, wenn das G/F des Gasgemischs zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 liegt, die SPCCI-Verbrennung stabil durchgeführt wird und sich der Selbstzündungszeitpunkt als Antwort auf die Änderung des Zündzeitpunkts empfindlich ändert. Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) ist, stellt daher der Motor 1 den Zustand innerhalb der Brennkammer 17 so ein, dass λ des Gasgemischs etwa 1,0 ± etwa 0,2 ist und das G/F des Gasgemischs wird zu einem Wert zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 wird. Darüber hinaus beträgt zu dem Zündzeitpunkt eine erforderliche Temperatur TIG innerhalb der Brennkammer 17 etwa 570 bis etwa 800 K, ein erforderlicher Druck PIG innerhalb der Brennkammer 17 ist etwa 400 bis etwa 920 kPa und kinetische Turbulenzenergie innerhalb der Brennkammer 17 ist etwa 17 bis etwa 40 m2/s2.
  • Durch genaues Steuern bzw. Regeln des Selbstzündungszeitpunkts bei der SPCCI-Verbrennung wird ein Anstieg des Verbrennungsgeräusches vermieden, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) liegt. Darüber hinaus wird durch Erhöhen des Verdünnungsverhältnisses des Gasgemischs so hoch wie möglich und Durchführen der CI-Verbrennung die Kraftstoffeffizienz des Motors 1 verbessert. Durch Festlegen von Mittellastbereichs des Gasgemischs auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 ist der Dreiwegekatalysator in der Lage, das Abgas zu reinigen, und somit verbessert sich die Abgasleistung des Motors 1.
  • Wie oben beschrieben, wird innerhalb des Niedriglastbereichs (A) das G/F des Gasgemischs zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 (z.B. etwa 25: 1) oder zwischen etwa 18:1 und etwa 50:1 eingestellt, und λ des Gasgemischs wird auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 eingestellt. Die Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17 variiert nicht stark zwischen den Zuständen, in denen der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) und innerhalb des Mittellastbereichs (B) liegt. Daher verbessert sich die Robustheit der Steuerung bzw. Regelung des Motors 1 gegenüber der Änderung der Motorlast.
  • Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) liegt, anders als wenn er im Niedriglastbereichs (A) liegt, nimmt die Kraftstoffmenge zu, weshalb die Ladungsmenge des in die Brennkammer 17 eingeleiteten Gases nicht angepasst werden muss. Dabei ist das Drosselventil 43 im Wesentlichen vollständig geöffnet.
  • Wenn die Motorlast ansteigt und die Kraftstoffmenge weiter ansteigt, wird im Saugzustand die Einleitungsmenge von Gas in die Brennkammer 17 unzureichend, um λ des Gasgemischs auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 und das G/F des Gasgemischs zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 oder zwischen etwa 18:1 und etwa 50:1 einzustellen. Daher boostet der Booster 44 in einem Segment des Mittellastbereichs (B), in dem die Motorlast höher ist als eine gegebene Last, das in die Brennkammer 17 einzuleitende Gas. Der Mittellastbereich (B) ist unterteilt in ein erstes Mittellastsegment (B1), in dem die Motorlast höher als die gegebene Last ist und das Boosten durchgeführt wird, und ein zweites Mittellastsegment (B2) unterteilt, in dem die Motorlast niedriger ist als die gegebene Last und das Boosten nicht durchgeführt wird. Die gegebene Last beträgt beispielsweise etwa 1/2 Last. Das zweite Mittellastsegment (B2) ist ein Segment, in dem die Motorlast niedriger ist als in dem ersten Mittellastsegment (B1). Nachstehend können der Verbrennungsmodus innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) als „geboostete bzw. verstärkte SPCCI-Verbrennung“ und der Verbrennungsmodus innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) als „nicht geboostete bzw. verstärkte SPCCI-Verbrennung“ bezeichnet werden.
  • Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2), in dem das Boosten nicht durchgeführt wird, nimmt die Einleitungsmenge von Frischluft in die Brennkammer 17 zu, während sich das AGR-Gas verringert, wenn die Kraftstoffmenge zunimmt. Das G/F des Gasgemischs nimmt ab, wenn die Motorlast zunimmt. Da das Drosselventil 43 etwa vollständig geöffnet ist, stellt der Motor 1 die Einleitungsmenge von AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein, um die in die Brennkammer 17 eingeleitete Frischluftmenge einzustellen. Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) wird die Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17 so eingestellt, dass beispielsweise λ des Gasgemischs im Wesentlichen konstant bei etwa 1,0 ist, während das G/F des Gasgemischs zwischen etwa 25:1 und etwa 28:1 geändert wird.
  • Andererseits erhöht der Motor 1 innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1), in dem das Boosten durchgeführt wird, die Einleitungsmengen von Frischluft und AGR-Gas in die Brennkammer 17, wenn die Kraftstoffmenge ansteigt. Somit ist das G/F des Gasgemischs im Wesentlichen konstant, selbst wenn die Motorlast zunimmt. Bei der Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17 innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) ist beispielsweise λ des Gasgemischs im Wesentlichen konstant bei etwa 1,0, und das G/F des Gasgemischs ist konstant bei etwa 25:1.
  • (Hochlastbereich)
  • Der Verbrennungsmodus, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Hochlastbereichs (C) liegt, ist die SI-Verbrennung. Dies dient zur Priorisierung der Vermeidung von Verbrennungsgeräuschen. Nachstehend kann der Verbrennungsmodus innerhalb des Hochlastbereichs als „Hochlast-Sl-Verbrennung“ bezeichnet werden.
  • Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Hochlastbereichs (C) liegt, wird λ des Gasgemischs etwa 1,0 ± etwa 0,2, und das G/F des Gasgemischs wird im Wesentlichen zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 eingestellt. Das G/F des Gasgemischs kann zwischen etwa 18:1 und etwa 50:1 eingestellt werden. Innerhalb des Hochlastbereichs (C) ist das Drosselventil 43 im Wesentlichen vollständig geöffnet und der Booster 44 führt das Boosten aus.
  • In dem Hochlastbereich (C) reduziert der Motor 1 die AGR-Gasmenge, wenn die Motorlast zunimmt. Das G/F des Gasgemischs nimmt ab, wenn die Motorlast zunimmz. Die Einleitungsmenge von Frischluft in die Brennkammer 17 erhöht sich um die verringerte Menge an AGR-Gas, daher kann die Kraftstoffmenge erhöht werden, was vorteilhaft ist, um eine höchste Leistung des Motors 1 zu erhöhen.
  • Bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichkennfeld 700 annimmt, wenn der Betriebszustand innerhalb des Hochlastbereichs (C) ist, ist das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geöffnet. Daher tritt kaum eine Drallströmung in der Brennkammer 17 auf. Die Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17 variiert nicht stark zwischen den Zuständen, in denen der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Hochlastbereichs (C) und innerhalb des Mittellastbereichs (B) ist. Daher verbessert sich die Robustheit der Steuerung bzw. Regelung des Motors 1 gegenüber der Änderung der Motorlast.
  • Da der Motor 1 die SI-Verbrennung innerhalb des Hochlastbereichs (C) wie oben beschrieben durchführt, gibt es ein Problem, dass eine abnormale Verbrennung, wie Vorzündung und Klopfen, leicht auftritt.
  • Daher wird in dem Hochlastbereich (C) durch die Entwicklung des Kraftstoffeinspritzmodus eine abnormale Verbrennung in dem Motor 1 vermieden. Zum Beispiel gibt die ECU 10 Steuer- bzw. Regelsignale an das Kraftstoffzufuhrsystem 61 und den Injektor 6 aus, um den Kraftstoff in die Brennkammer 17 bei einem hohen Kraftstoffdruck von etwa 30 MPa oder höher einzuspritzen, und zwar zu einem Zeitpunkt in einem Zeitraum ab einer Endstufe des Verdichtungstakts zu einer frühen Stufe des Expansions- bzw. Arbeitstakts (im Folgenden wird dieser Zeitraum als „Verzögerungszeitraum“ bezeichnet). Die ECU 10 gibt auch ein Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze 25 aus, um das Gasgemisch zu einem Zeitpunkt nahe CTDC nach der Kraftstoffeinspritzung zu zünden. Im Folgenden wird die Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer 17 bei dem hohen Kraftstoffdruck zu dem Zeitpunkt in dem Verzögerungszeitraum als „Hochdruck-Verzögerungseinspritzung“ bezeichnet.
  • Die Hochdruck-Verzögerungseinspritzung verkürzt die Reaktionszeit des Gasgemischs, um eine abnormale Verbrennung zu vermeiden. Das heißt, die Reaktionszeit des Gasgemischs ist eine Gesamtlänge der Zeit von (1) einem Zeitraum, für den der Injektor 6 den Kraftstoff einspritzt (d.h. Einspritzzeitraum), (2) einem Zeitraum, für den sich ein brennbares Gasgemisch um die Zündkerze 25 herum nach der Kraftstoffeinspritzung bildet (d.h. Gasgemischbildungszeitraum) und (3) einem Zeitraum ab Zündbeginn bis zum Ende der SI-Verbrennung (d.h. (3) Verbrennungszeitraum).
  • Der Einspritzzeitraum und der Gasgemischbildungszeitraum werden kürzer, indem der Kraftstoff bei hohem Kraftstoffdruck in die Brennkammer 17 eingespritzt wird. Durch Verkürzen des Einspritzzeitraums und das Gasgemischbildungszeitraums nähert sich der Zeitpunkt des Startens der Kraftstoffeinspritzung dem Zündzeitpunkt an. Da bei der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung die Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer 17 bei dem hohen Kraftstoffdruck durchgeführt wird, wird der Kraftstoff zu einem Zeitpunkt in dem Verzögerungszeitraum ab der Endstufe des Verdichtungstakts zu der frühen Stufe des Expansionstakts eingespritzt.
  • Das Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer 17 bei dem hohen Kraftstoffdruck erhöht die kinetische Turbulenzenergie innerhalb der Brennkammer 17. Indem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in die Nähe von CTDC gebracht wird, ist es möglich, die SI-Verbrennung zu starten, während die kinetische Turbulenzenergie innerhalb der Brennkammer 17 hoch ist. Infolgedessen wird der Verbrennungszeitraum kurz.
  • Somit wird bei der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung, da der Einspritzzeitraum, der Gasgemischbildungszeitraum und der Verbrennungszeitraum jeweils verkürzt sind, die Reaktionszeit des Gasgemischs im Vergleich zu einem Fall, in dem der Kraftstoff in die Einspritzkammer 17 bei dem Einlasstakt eingespritzt wird, signifikant verkürzt. Infolgedessen wird eine abnormale Verbrennung vermieden.
  • Auf dem technischen Gebiet der Motorsteuerung bzw. -regelung wird herkömmlicherweise der Zündzeitpunkt verzögert, um eine abnormale Verbrennung zu vermeiden. Die Verzögerung des Zündzeitpunkts verschlechtert jedoch die Kraftstoffeffizienz. Bei der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung muss der Zündzeitpunkt nicht verzögert werden. Daher verbessert sich die Kraftstoffeffizienz durch Verwendung der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung.
  • Durch Einstellen des Kraftstoffdrucks auf beispielsweise etwa 30 MPa oder höher werden der Einspritzzeitraum, der Gasgemischbildungszeitraum und der Verbrennungszeitraum effektiv verkürzt. Es ist anzumerken, dass der Kraftstoffdruck in geeigneter Weise entsprechend den Eigenschaften des Kraftstoffs eingestellt werden kann. Eine obere Grenze des Kraftstoffdrucks kann beispielsweise etwa 120 MPa betragen.
  • Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, verglichen damit, wenn sie hoch ist, ist die Zeit, die erforderlich ist, dass sich der Kurbelwinkel um denselben Winkel ändert, länger, weshalb die Verkürzung der Reaktionszeit des Gasgemischs durch die Hochdruck-Verzögerungseinspritzung besonders wirksam ist, um eine abnormale Verbrennung zu vermeiden. Wenn andererseits die Motordrehzahl auf Grund der kürzeren Zeit, die für die Änderung des Kurbelwinkels um den gleichen Winkel erforderlich ist, hoch ist, ist eine Verkürzung der Reaktionszeit des Gasgemischs nicht besonders effektiv, um eine abnormale Verbrennung zu vermeiden.
  • Ferner wird bei der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung der Kraftstoff erst in die Brennkammer 17 eingespritzt, nachdem er nahe CTDC gelangt ist, wobei bei dem Verdichtungstakt ein kraftstofffreies Gas (das Gas mit einem hohen Verhältnis spezifischer Wärme) innerhalb der Brennkammer 17 komprimiert wird. Wenn die Hochdruck-Verzögerungseinspritzung durchgeführt wird, wenn die Motordrehzahl hoch ist, steigt die Temperatur in der Brennkammer 17 bei CTDC, d.h. die Kompressionsendtemperatur, an, was eine abnormale Verbrennung, wie zum Beispiel Klopfen, verursachen kann.
  • Daher ist bei dem Motor 1 der Hochlastbereich (C) in ein erstes Hochlastsegment (C1) auf der Seite niedriger Motordrehzahl und ein zweites Hochlastsegment (C2) unterteilt, wo die Motordrehzahl höher ist als innerhalb des ersten Hochlastsegments (C1). Wenn der Hochlastbereich (C) gleichmäßig in drei Bereiche niedriger Motordrehzahl, mittlerer Motordrehzahl und hoher Motordrehzahl unterteilt ist, kann das erste Hochlastsegment (C1) den unteren Motordrehzahlbereich und den mittleren Motordrehzahlbereich umfassen, und das zweite Hochlastsegment (C2) kann den hohen Motordrehzahlbereich umfassen.
  • Innerhalb des ersten Hochlastsegments (C1) führt der Injektor 6 als Antwort auf den Empfang des Steuer- bzw. Regelsignals der ECU 10 die oben beschriebene Hochdruck-Verzögerungseinspritzung durch. Innerhalb des zweiten Hochlastsegments (C2) führt der Injektor 6 als Antwort auf den Empfang des Steuer- bzw. Regelsignals der ECU 10 die Kraftstoffeinspritzung zu einem gegebenen Zeitpunkt des Einlasstakts durch. Die Kraftstoffeinspritzung, die bei dem Einlasstakt durchgeführt wird, erfordert keinen hohen Kraftstoffdruck. Daher gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an das Kraftstoffzufuhrsystem 61 aus, so dass der Kraftstoffdruck unter den Kraftstoffdruck der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung (z.B. unter 40 MPa) fällt. Da das Absenken des Kraftstoffdrucks einen mechanischen Widerstandsverlust des Motors 1 verringert, ist es vorteilhaft, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
  • Das Verhältnis der spezifischen Wärme des Gases innerhalb der Brennkammer 17 verringert sich durch Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer 17 bei dem Einlasstakt, daher sinkt die Kompressionsendtemperatur und somit wird eine abnormale Verbrennung vermieden. Da es nicht notwendig ist, den Zündzeitpunkt zur Vermeidung einer abnormalen Verbrennung zu verzögern, zündet die Zündkerze 25 innerhalb des zweiten Hochlastsegments (C2) ähnlich dem ersten Hochlastsegment (C1) das Gasgemisch zu einem Zeitpunkt nahe CTDC.
  • Da in dem ersten Hochlastsegment (C1) das Gasgemisch auf Grund des Anwendens der Hochdruck-Verzögerungseinspritzung nicht in einer Selbstzündung resultiert, führt der Motor 1 eine stabile SI-Verbrennung durch. Da in dem zweiten Hochlastsegment (C2) das Gasgemisch nicht in einer Selbstzündung resultiert, da der Kraftstoff bei dem Kraftstoffeinspritztakt eingespritzt wird, führt der Motor 1 eine stabile SI-Verbrennung durch.
  • (SPCCI-Verbrennung)
  • Als nächstes wird die oben beschriebene SPCCI-Verbrennung im Detail beschrieben. Die obere Grafik von 8 veranschaulicht eine Wellenform 801, die ein Beispiel einer Änderung einer Wärmeerzeugungsrate in Bezug auf den Kurbelwinkel ist. Wenn die Zündkerze 25 das Gasgemisch nahe CTDC zündet, insbesondere zu einem gegebenen Zeitpunkt vor dem CTDC, beginnt die Verbrennung durch Flammenausbreitung. Die Wärmeerzeugung bei der SI-Verbrennung ist langsamer als die Wärmeerzeugung bei der Cl-Verbrennung. Daher hat die Wellenform der Wärmeerzeugungsrate eine relativ sanfte Steigung. Obwohl nicht dargestellt, ist eine Druckänderung (dp/dθ) in der Brennkammer 17 bei der SI-Verbrennung sanfter als bei der CI-Verbrennung.
  • Wenn die Temperatur und der Druck innerhalb der Brennkammer 17 auf Grund der SI-Verbrennung zunehmen, entzündet sich das unverbrannte Gasgemisch selbst. In dem Beispiel der Wellenform 801 ändert sich die Steigung der Wellenform der Wärmeerzeugungsrate von sanft zu steil, d.h. die Wellenform der Wärmeerzeugungsrate hat einen Flexionspunkt zu einem Zeitpunkt, zu dem die Cl-Verbrennung beginnt.
  • Nachdem die CI-Verbrennung beginnt, werden die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung parallel durchgeführt. Da bei der CI-Verbrennung die Wärmeerzeugung größer als bei der SI-Verbrennung ist, wird die Wärmeerzeugungsrate relativ hoch. Es ist anzumerken, dass, da die CI-Verbrennung nach CTDC durchgeführt wird, der Kolben 3 durch die Motordrehung nach unten bewegt wird. Daher wird verhindert, dass die Steigung der Wärmeerzeugungsrate durch die CI-Verbrennung übermäßig steil wird. Die dp/dθ bei der Cl-Verbrennung wird somit relativ sanft.
  • Die dp/dθ ist als ein Index verwendbar, der das Verbrennungsgeräusch ausdrückt. Da die SPCCI-Verbrennung in der Lage ist, die dp/dθ wie oben beschrieben zu senken, wird es möglich zu vermeiden, dass das Verbrennungsgeräusch übermäßig laut wird. Somit wird das Verbrennungsgeräusch unter einen zulässigen Wert gedrückt.
  • Die SPCCI-Verbrennung endet durch Beenden der CI-Verbrennung. Die CI-Verbrennung hat eine kürzere Verbrennungsdauer als bei der SI-Verbrennung. Die SPCCI-Verbrennung verlegt den Verbrennungsendzeitpunkt im Vergleich zur SI-Verbrennung vor. Mit anderen Worten bringt die SPCCI-Verbrennung den Verbrennungsendzeitpunkt bei dem Expansionstakt näher an CTDC. Die SPCCI-Verbrennung ist vorteilhafter beim Verbessern der Kraftstoffeffizienz des Motors 1 als die SI-Verbrennung.
  • Daher erreicht die SPCCI-Verbrennung sowohl eine Verhinderung des Verbrennungsgeräusches als auch eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz.
  • Dabei ist ein SI-Verhältnis als ein Parameter definiert, der eine Charakteristik der SPCCI-Verbrennung angibt. Das SI-Verhältnis ist als ein Index definiert, der sich auf ein Verhältnis der durch die SI-Verbrennung erzeugten Wärmemenge in Bezug auf eine durch die SPCCI-Verbrennung erzeugte Gesamtwärmemenge bezieht. Das SI-Verhältnis ist ein Wärmemengenverhältnis, das aus zwei Verbrennungen mit unterschiedlichen Verbrennungsmodi resultiert. Das SI-Verhältnis kann ein Verhältnis der durch die SI-Verbrennung erzeugten Wärmemenge in Bezug auf die durch die SPCCI-Verbrennung erzeugte Wärmemenge sein. Zum Beispiel kann in der Wellenform 801 das SI-Verhältnis als Sl-Verhältnis = (Fläche der SI-Verbrennung)/(Fläche der SPCCI-Verbrennung) ausgedrückt werden. In der Wellenform 801 kann das SI-Verhältnis als „SI-Kraftstoffverhältnis“ im Sinne des Verhältnisses von bei der SI-Verbrennung zu verbrennendem Kraftstoff bezeichnet werden.
  • Bei der SPCCI-Verbrennung, welche die SI-Verbrennung und die CI-Verbrennung kombiniert, ist das SI-Verhältnis ein Verhältnis der SI-Verbrennung in Bezug auf die CI-Verbrennung. Das Verhältnis der SI-Verbrennung ist hoch, wenn das SI-Verhältnis hoch ist, und das Verhältnis der CI-Verbrennung ist hoch, wenn das SI-Verhältnis niedrig ist
  • Verschiedene Definitionen können für das SI-Verhältnis in Betracht gezogen werden, ohne die oben beschriebene Definition zu beschränken. Zum Beispiel kann das SI-Verhältnis ein Verhältnis der durch die SI-Verbrennung erzeugten Wärmemenge in Bezug auf die durch die CI-Verbrennung erzeugte Wärmemenge sein. Mit anderen Worten kann in der Wellenform 801 das SI-Verhältnis = (Fläche der SI-Verbrennung)/(Fläche der CI-Verbrennung) eingestellt werden.
  • Ferner weist bei der SPCCI-Verbrennung die Wellenform der Wärmeerzeugungsrate einen Flexionspunkt zu dem Zeitpunkt auf, wenn die CI-Verbrennung beginnt. Daher kann, wie durch ein Bezugszeichen 802 in der mittleren Grafik von 8 angegeben, indem eine Grenze an dem Flexionspunkt in der Wellenform der Wärmeerzeugungsrate bereitgestellt wird, die SI-Verbrennung für einen Bereich auf der Vorrückseite der Grenze angewendet werden und die CI-Verbrennung kann für einen Bereich auf der Verzögerungsseite der Grenze angewendet werden. In diesem Fall kann, wie durch Schraffieren der Wellenform 802 angegeben, basierend auf einer Fläche QSI des Bereichs der Vorrückseite und einer Fläche QCI des Bereichs der Verzögerungsseite das SI-Verhältnis = QSI/(QSI+QCI) oder SI-Verhältnis =QSI/QCI eingestellt werden. Alternativ kann das SI-Verhältnis basierend auf einer Fläche eines Teils des Bereichs der Vorrückseite und einer Fläche eines Teils des Bereichs der Verzögerungsseite an Stelle der gesamten Fläche definiert werden.
  • Anstatt das SI-Verhältnis basierend auf der Wärmeerzeugung zu definieren, kann basierend auf einem Kurbelwinkel ΔθSI des Bereichs der Vorrückseite und einem Kurbelwinkel ΔθCI des Bereichs der Verzögerungsseite das SI-Verhältnis = ΔθSI/(ΔθSI+ΔθCI) oder SI-Verhältnis = ΔθSI/ΔθCI eingestellt werden.
  • Basierend auf einer Spitze ΔPSI der Wärmeerzeugungsrate in dem Bereich der Vorrückseite und einer Spitze ΔPCI der Wärmeerzeugungsrate in dem Bereich der Verzögerungsseite kann das SI-Verhältnis = ΔPSI/(ΔPSI+ΔPCI) oder SI-Verhältnis = ΔPSI/ΔPCI eingestellt werden.
  • Ferner basierend auf einer Steigung φSI der Wärmeerzeugungsrate in dem Bereich der Vorrückseite und einer Steigung φCI der Wärmeerzeugungsrate in dem Bereich der Verzögerungsseite kann das SI-Verhältnis = φSi/(φSI+φCI) oder Sl-Verhältnis =φSI/φCI eingestellt werden.
  • Zusätzlich ist in dieser Ausführungsform das SI-Verhältnis durch eines von Fläche (d.h. die Wärmeerzeugungsmenge), Länge in der horizontalen Achse (d.h. der Kurbelwinkel), Länge in der vertikalen Achse (d.h. die Wärmeerzeugungsrate) und der Steigung (d.h. die Änderungsrate der Wärmeerzeugungsrate) basierend auf der Wellenform der Wärmeerzeugungsrate definiert. Obwohl nicht dargestellt, kann das SI-Verhältnis in ähnlicher Weise basierend auf einer Wellenform des Drucks (P) in der Brennkammer 17 definiert werden, durch eines von Fläche, Länge in der horizontalen Achse, Länge in der vertikalen Achse oder der Steigung.
  • Bei der SPCCI-Verbrennung erscheint der Flexionspunkt der Verbrennungswellenform hinsichtlich der Wärmeerzeugungsrate oder des -drucks nicht notwendigerweise immer deutlich. Das Folgende kann als eine Definition des SI-Verhältnisses verwendet werden, was nicht auf dem Flexionspunkt basiert. Das heißt, wie durch ein Bezugszeichen 803 in der unteren Grafik von 8 angegeben, kann bei der Verbrennungswellenform die SI-Verbrennung für einen Bereich auf der Vorrückseite von CTDC angewendet werden und die CI-Verbrennung kann für einen Bereich auf der Verzögerungsseite von CTDC angewendet werden. Unter dieser Bedingung kann das SI-Verhältnis durch einen von Fläche (QSI, QCI), Länge in der horizontalen Achse (ΔθSI, ΔθCI), Länge in der vertikalen Achse (ΔPSI, ΔPCI) und der Steitung (φSI, φCI) definiert werden.
  • Alternativ kann das SI-Verhältnis basierend auf der Kraftstoffmenge an Stelle der tatsächlichen Verbrennungswellenform in der Brennkammer 17 definiert werden. Wie später beschrieben können innerhalb des Mittellastbereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, Teileinspritzungen durchgeführt werden, die eine Einspritzung einer ersten Stufe und eine Einspritzung einer zweiten Stufe umfassen. Der in die Brennkammer 17 durch die Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff zündet innerhalb kurzer Zeit nach der Einspritzung, er erreicht die Nähe der Zündkerze 25, ohne sich innerhalb der Brennkammer 17 auszubreiten. Daher verbrennt der durch die Einspritzung der zweiten Stufe in die Brennkammer 17 eingespritzte Kraftstoff hauptsächlich bei der SI-Verbrennung. Andererseits verbrennt der durch die Einspritzung der ersten Stufe in die Brennkammer 17 eingespritzte Kraftstoff hauptsächlich bei der Cl-Verbrennung. Daher kann das SI-Verhältnis basierend auf der Kraftstoffmenge, die bei der Einspritzung der ersten Stufe (m1) eingespritzt wird, und der Kraftstoffmenge, die bei der Einspritzung der zweiten Stufe (m2) eingespritzt wird, definiert werden. Mit anderen Worten kann das SI-Verhältnis = m2/(m1+m2) oder SI-Verhältnis = m2/m1 festgelegt werden.
  • (Stabilisierung der SPCCI-Verbrennung)
  • Um die SPCCI-Verbrennung ordnungsgemäß durchzuführen, muss die SI-Verbrennung stabilisiert werden. Die Verbrennung, welche die CI-Verbrennung enthält, stabilisiert sich nicht, wenn die SI-Verbrennung instabil ist.
  • Ein mit der Stabilität der SI-Verbrennung in Zusammenhang stehender Faktor ist die Rate einer turbulenten Verbrennung. Wenn die Rate der turbulenten Verbrennung hoch ist, stabilisiert sich die SI-Verbrennung. Die Rate der turbulenten Verbrennung erhält Einflüsse aus dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (oder dem Luftüberschussverhältnis λ) des Gasgemischs, dem G/F des Gasgemischs, der Temperatur und dem Druck in der Brennkammer, der kinetischen Turbulenzenergie in der Brennkammer etc.
  • Gemäß der Studie der Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde bestätigt, dass sich die SI-Verbrennung stabilisiert, wenn λ des Gasgemischs etwa 1,0 ± etwa 0,2 ist, der Bereich von G/F des Gasgemischs etwa 18:1 bis etwa 30:1 ist, der Bereich der erforderlichen Temperatur TIG innerhalb der Brennkammer zum Zündzeitpunkt etwa 570 bis etwa 800 K ist, der Bereich des erforderlichen Drucks PIG innerhalb der Brennkammer zum Zündzeitpunkt etwa 400 bis etwa 920 kPa ist und der Bereich der kinetischen Turbulenzenergie in der Brennkammer 17 etwa 17 bis etwa 40 m2/m2 ist.
  • Es wurde auch bestätigt, dass es möglich ist, den Bereich von G/F des Gasgemischs auf etwa 50:1 zu erweitern, was über 30 liegt, indem das Gasgemisch in der Brennkammer geschichtet bzw. stratifiziert wird.
  • Das heißt, die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung wird durch die Zündkerze 25 bewirkt, die das Gasgemisch zündet. Das Gasgemisch nahe der Zündkerze 25 verbrennt hauptsächlich bei der SI-Verbrennung. Daher wird der Zustand des Kraftstoffnebels, der sich in der Brennkammer 17 bewegt, beispielsweise durch Verwenden der Drallströmung gesteuert bzw. geregelt. Auf diese Weise wird, selbst wenn der Bereich von G/F in der Brennkammer zum Zündzeitpunkt etwa 30:1 übersteigt, das G/F des Gasgemischs nahe der Zündkerze 25 relativ niedriger (geschichtet bzw. stratifiziert) als das Gasgemisch gemacht, das sich von der Zündkerze 25 weg befindet, beispielsweise zwischen etwa 14:1 und etwa 22:1.
  • Somit wird die SI-Verbrennung stabilisiert, selbst wenn das Gasgemisch vorteilhafterweise zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz verdünnt wird, und die SPCCI-Verbrennung wird in geeigneter Weise durchgeführt.
  • (Betriebssteuerung bzw. -regelung des Motors in Lastrichtung)
  • Durch Übernehmen des Betriebsbereichkennfelds 700 schaltet der Motor 1 gemäß dem Betriebszustand zwischen der SI-Verbrennung und der SPCCI-Verbrennung um. Ferner ändert der Motor 1 das SI-Verhältnis gemäß dem Betriebszustand des Motors 1. Somit wird erreicht, dass der Motor 1 die Erzeugung von Verbrennungsgeräuschen verhindert und die Kraftstoffeffizienz verbessert.
  • 9 ist eine Grafik, die eine Änderung des SI-Verhältnisses, eine Änderung der Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17, Änderungen der Öffnungszeiträume des Einlassventils 21 und des Auslassventils 22 und Änderungen des Einspritzzeitpunkts und Zündzeitpunkts des Kraftstoffs in Bezug auf die Motorlast zeigt. 9 entspricht dem Betriebsbereichkennfeld 700 von 7A. Nachstehend wird die Betriebssteuerung bzw. -regelung des Motors 1 für einen Zustand beschrieben, in dem die Motorlast bei einer gegebenen Motordrehzahl allmählich ansteigt.
  • (Niedriglastbereich (Niedriglast-SI-Verbrennung))
  • Innerhalb des Niedriglastbereichs (A) führt der Motor 1 die Niedriglast-SI-Verbrennung durch. Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (A) liegt, ist das SI-Verhältnis konstant bei 100%.
  • In dem Niedriglastbereich (A), wie oben beschrieben, ist das G/F des Gasgemischs zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 oder zwischen etwa 18:1 und etwa 50:1 fixiert. Der Motor 1 leitet die Frischluft und das verbrannte Gas um Mengen entsprechend der Kraftstoffmenge in die Brennkammer 17 ein. Die Einleitungsmenge an Frischluft, wie oben beschrieben, wird durch Drosseln und/oder den Spiegelzyklus eingestellt. Da das Verdünnungsverhältnis hoch ist, wird die Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 erhöht, um die SI-Verbrennung zu stabilisieren. Innerhalb des Niedriglastbereichs (A) leitet der Motor 1 das interne AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein.
  • Das interne AGR-Gas wird in die Brennkammer 17 eingeleitet (d.h. das verbrannte Gas wird innerhalb der Brennkammer 17 eingeschlossen), indem eine negative Überlappungsperiode vorgesehen wird, in der die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 beide über dem Auslass-TDC geschlossen sind bzw. werden. Die Einstellung der Menge an internem AGR-Gas wird durch geeignetes Einstellen der Länge der negativen Überlappungsperiode durchgeführt, indem das elektrisch betätigte Einlass-S-VT 23 den Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 21 einstellt und die elektrisch betätigte Auslass-S-VT 24 den Öffnungszeitpunkt des Auslassventils 22 einstellt. Es ist anzumerken, dass das interne AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet werden kann, indem eine positive Überlappungsperiode vorgesehen wird, in der die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 beide geöffnet sind bzw. werden.
  • Das heißt, eine Zeitspanne, während der sich die Öffnungsperiode des Einlassventils 21 und die Öffnungsperiode des Auslassventils 22 überlappen, ist vorgesehen. Auf diese Weise strömt das verbrannte Hochtemperaturgas in der Brennkammer 17 teilweise in die Einlassöffnung 18, die mit der Brennkammer 17 in Verbindung steht, indem das Einlassventil 21 geöffnet wird. Das in die Einlassöffnung 18 geströmte verbrannte Gas wird erneut in die Brennkammer 17 beim Einlasstakt eingeleitet. Die Menge an internem AGR-Gas kann durch Ändern der Länge der positiven Überlappungsperiode und des Zeitpunkts der positiven Überlappungsperiode geändert werden.
  • Man beachte, dass das Einleiten des internen AGR-Gases durch Einstellen der positiven Überlappungsperiode die Öffnungsperiode des Einlassventils 21 verglichen mit der Einleitung des internen AGR-Gases durch Einstellen der negativen Überlappungsperiode vorverlegt. Das Vorverlegen der Öffnungszeit des Einlassventils 21 erhöht das effektive Verdichtungsverhältnis und erhöht die Temperatur in der Brennkammer 17. Daher wird es möglich, ein niedriges geometrisches Verdichtungsverhältnis des Motors 1 einzustellen, während die Stabilität der SPCCI-Verbrennung entsprechend dem Temperaturanstieg sichergestellt wird. Somit werden der Kühlverlust, der mechanische Verlust, ein Pumpverlust etc. erreicht.
  • Ferner verringert das Einleiten des internen AGR-Gases durch Einstellen der positiven Überlappungsperiode die Temperatur der Brennkammer stärker als wenn das interne AGR-Gas durch Einstellen einer negativen Überlappungsperiode eingeleitet wird, in der das verbrannte Hochtemperaturgas wie es ist in der Brennkammer eingeschlossen ist. Im Ergebnis wird die Selbstzündung bei der SPCCI-Verbrennung gesenkt und eine übermäßige CI-Verbrennung wird verhindert.
  • Innerhalb des Niedriglastbereichs (A) wird die Ladungsmenge in die Brennkammer 17 dahingehend eingestellt, unter 100% zu sein. Die Menge an Frischluft, die in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, und die Menge an internem AGR-Gas steigen allmählich an, wenn die Kraftstoffmenge zunimmt. Das AGR-Verhältnis innerhalb des Niedriglastbereichs (A) beträgt beispielsweise etwa 40%.
  • Der Injektor 6 spritzt den Kraftstoff in die Brennkammer 17 beim Einlasstakt ein. Innerhalb der Brennkammer 17 bildet sich ein homogenes Gasgemisch, bei dem das Luftüberschussverhältnis λ etwa 1,0 ± etwa 0,2 und das G/F zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 oder zwischen etwa 18:1 und etwa 50:1 beträgt. Das Luftüberschussverhältnis A beträgt vorzugsweise etwa 1,0 bis etwa 1,2. Indem die Zündkerze 25 das Gasgemisch zu dem gegebenen Zeitpunkt vor CTDC zündet, verbrennt das Gasgemisch durch Flammenausbreitung, ohne die Selbstzündung zu erreichen.
  • (Zweites Mittellastsegment (nicht geboostete SPCCI-Verbrennung))
  • Wenn die Motorlast ansteigt und der Betriebszustand in das zweite Mittellastsegment (B2) eintritt, schaltet der Motor 1 von der Niedriglast-SI-Verbrennung zu der nicht geboosteten SPCCI-Verbrennung um. Das SI-Verhältnis fällt unter 100%. Die Kraftstoffmenge erhöht sich mit zunehmender Motorlast. Wenn die Motorlast innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) niedrig ist, erhöht sich das Verhältnis der Cl-Verbrennung mit zunehmender Kraftstoffmenge. Das SI-Verhältnis nimmt mit zunehmender Motorlast allmählich ab. In dem Beispiel von 9 nimmt das SI-Verhältnis auf einen gegebenen Wert (niedrigster Wert) von weniger als etwa 50% ab.
  • Da die Kraftstoffmenge ansteigt, steigt die Verbrennungstemperatur innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) an. Wenn die Temperatur in der Brennkammer 17 übermäßig ansteigt, wird die Wärmeerzeugung zu Beginn der CI-Verbrennung scharf bzw. steil, was zu einer Erhöhung des Verbrennungsgeräusches führt.
  • Daher wird innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) das Verhältnis zwischen dem internen AGR-Gas und dem externen AGR-Gas entsprechend der Änderung der Motorlast geändert, um die Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 vor Beginn der Kompression einzustellen. Das heißt, wenn die Motorlast ansteigt, wird das interne AGR-Gas allmählich reduziert und das gekühlte externe AGR-Gas wird allmählich erhöht. Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) ändert sich die negative Überlappungsperiode von einer längsten Länge zu Null, wenn die Motorlast ansteigt. Auch innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) wird das interne AGR-Gas etwa Null, wenn die Motorlast einen höchsten Wert erreicht. Dies ist ähnlich, wenn die positive Überlappungsperiode zwischen den Einlass- und Auslassventilen 21 und 22 vorgesehen ist. Als ein Ergebnis der Steuerung bzw. Regelung der Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 durch Einstellen der Überlappungsperiode wird das SI-Verhältnis bei der SPCCI-Verbrennung eingestellt.
  • Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) wird die Öffnung des AGR-Ventils 54 geändert, so dass das externe AGR-Gas ansteigt, wenn sich die Motorlast erhöht. Die Menge an externem AGR-Gas, das in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, wird, wenn sie durch das AGR-Verhältnis ausgedrückt wird, beispielsweise zwischen etwa 0 und etwa 30% eingestellt. Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) wird das AGR-Gas von dem internen AGR-Gas zu dem externen AGR-Gas ausgetauscht, wenn die Motorlast ansteigt. Da die Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 ebenfalls durch Einstellen des AGR-Verhältnisses gesteuert bzw. geregelt wird, wird das SI-Verhältnis der SPCCI-Verbrennung eingestellt.
  • Es ist anzumerken, dass die AGR-Gasmenge, die in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, zwischen dem Niedriglastbereich (A) und dem zweiten Mittellastsegment (B2) stetig ist. In einem Abschnitt mit niedriger Motorlast des zweiten Mittellastsegments (B2) wird eine große Menge des internen AGR-Gases in die Brennkammer 17 eingeleitet, wie der Niedriglastbereich (A). Da die Temperatur in der Brennkammer 17 hoch wird, zündet das Gasgemisch sicher, wenn die Motorlast niedrig ist. In einem Abschnitt mit hoher Motorlast des zweiten Mittellastsegments (B2) wird das externe AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet. Da die Temperatur in der Brennkammer 17 abnimmt, wird das mit der CI-Verbrennung einhergehende Verbrennungsgeräusch verringert, wen die Last hoch ist.
  • Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) wird die in die Brennkammer 17 eingeleitete Ladungsmenge auf 100% eingestellt. Das Drosselventil 43 ist im Wesentlichen vollständig geöffnet. Durch Einstellen der AGR-Gasmenge, die insgesamt das interne AGR-Gas und das externe AGR-Gas ist, wird die Einleitungsmenge von Frischluft in die Brennkammer 17 auf die Menge eingestellt, die der Kraftstoffmenge entspricht.
  • Wenn das Verhältnis der CI-Verbrennung bei der nicht geboosteten SPCCI-Verbrennung ansteigt, schreitet der Selbstzündzeitpunkt voran. Wenn sich der Selbstzündzeitpunkt vor CTDC bewegt, wird die Wärmeerzeugung zu Beginn der CI-Verbrennung scharf, was zu einer Erhöhung des Verbrennungsgeräusches führt. Sobald die Motorlast die gegebene Last L1 erreicht, wird bei dem Motor 1 daher das SI-Verhältnis allmählich erhöht, wenn die Motorlast davon weiter zunimmt.
  • Das heißt, der Motor 1 erhöht das Verhältnis der SI-Verbrennung, wenn die Kraftstoffmenge zunimmt. Zum Beispiel wird, wie in der oberen Grafik von 10 dargestellt, bei der nicht geboosteten SPCCI-Verbrennung der Zündzeitpunkt allmählich vorverlegt, wenn die Kraftstoffmenge zunimmt. Da die Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 durch Reduzieren der Einleitungsmenge des internen AGR-Gases und Erhöhen der Einleitungsmenge des externen AGR-Gases wie oben beschrieben eingestellt wird, wird der Temperaturanstieg bei CTDC selbst dann unterdrückt, wenn das SI-Verhältnis mit zunehmender Kraftstoffmenge erhöht wird. Die Steigung der Wärmeerzeugungsrate der SI-Verbrennung ändert sich kaum, selbst wenn die Motorlast ansteigt. Das Vorverlegen des Zündzeitpunkts bewirkt, dass die SI-Verbrennung früher beginnt, und die Wärmeerzeugungsmenge der SI-Verbrennung erhöht sich entsprechend.
  • Als Ergebnis der Unterdrückung des Temperaturanstiegs in der Brennkammer 17, der durch die SI-Verbrennung verursacht wird, entzündet sich das unverbrannte Gasgemisch zu einem Zeitpunkt nach CTDC selbst. Die Wärmeerzeugungsmenge durch die CI-Verbrennung ist im Wesentlichen die gleiche, selbst wenn die Motorlast ansteigt, da die Wärmeerzeugungsmenge der SI-Verbrennung erhöht ist. Daher wird, indem das SI-Verhältnis entsprechend dem Anstieg der Motorlast allmählich höher eingestellt wird, verhindert, dass das Verbrennungsgeräusch zunimmt. Man beachte, dass sich der Schwerpunkt der Verbrennung in der nicht geboosteten SPCCI-Verbrennung verlangsamt, wenn die Motorlast zunimmt.
  • Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) spritzt der Injektor 6 den Kraftstoff in die Brennkammer 17 in zwei Stufen ein, der Einspritzung der ersten Stufe und der Einspritzung der zweiten Stufe. Bei der Einspritzung der ersten Stufe wird der Kraftstoff zu einem Zeitpunkt eingespritzt, der von dem Zündzeitpunkt getrennt ist, und bei der Einspritzung der zweiten Stufe wird der Kraftstoff zu einem Zeitpunkt eingespritzt, der nahe dem Zündzeitpunkt liegt. Die Einspritzung der ersten Stufe kann in einer Periode ab dem Einlasstakt bis zu einer frühen Hälfte des Verdichtungstakts durchgeführt werden, und die Einspritzung der zweiten Stufe kann in einer Periode ab einer letzten Hälfte des Verdichtungstakts bis zu einer frühen Hälfte des Expansionstakts durchgeführt werden. Die frühe Hälfte und die letzte Hälfte des Verdichtungstakts können definiert werden, indem der Verdichtungstakt hinsichtlich des Kurbelwinkels gleichmäßig in zwei Teile geteilt wird. Die frühe Hälfte des Expansionstakts kann definiert werden, indem der Expansionstakt hinsichtlich des Kurbelwinkels gleichmäßig in zwei Teile geteilt wird.
  • Wenn der Injektor 6 die Einspritzung der ersten Stufe in der Periode ab dem Einlasstakt bis zu der frühen Hälfte des Verdichtungstakts durchführt, erreicht der eingespritzte Kraftstoffstrahl, da der Kolben 3 von dem TDC getrennt ist, die obere Fläche bzw. Oberfläche des Kolbens 3, der sich zu TDC anhebt, außerhalb des Hohlraums 31. Ein Abschnitt außerhalb des Hohlraums 31 bildet einen Quetschbereich 171, wie in 2 dargestellt. Der in der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff verbleibt in dem Quetschbereich 171, während sich der Kolben 3 anhebt, und bildet das Gasgemisch in dem Quetschbereich 171. Dieses Gasgemisch wird hauptsächlich bei der CI-Verbrennung verbrannt.
  • Wenn der Injektor 6 die Einspritzung der zweiten Stufe in der Periode ab der letzten Hälfte des Verdichtungstakts bis zu der frühen Hälfte des Expansionstakts durchführt, tritt der eingespritzte Kraftstoffstrahl in den Hohlraum 31 ein, da der Kolben 3 nahe dem TDC ist. Der in der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff bildet das Gasgemisch in dem Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31. Dabei kann der Ausdruck „der Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31“ eine Kombination eines Abschnitts von einer Projektionsebene der Öffnungsfläche des Hohlraums an der Deckenfläche der Brennkammer 17 zu der Öffnungsfläche des Hohlraums 31 und einem Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31 bedeuten. Der Ausdruck „der Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31“ kann auch als ein Abschnitt der Brennkammer 17 außerhalb des Quetschbereichs 171 bezeichnet werden. Der Kraftstoff wird im Wesentlichen gleichmäßig in der gesamten Brennkammer 17 durch die Einspritzung der ersten Stufe und die Einspritzung der zweiten Stufe verteilt.
  • Auf Grund des Einspritzens des Kraftstoffs in den Hohlraum 31 durch die Einspritzung der zweiten Stufe tritt der Gasstrom in dem Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31 auf. Wenn die Zeit bis zum Zündzeitpunkt lang ist, wird die kinetische Turbulenzenergie innerhalb der Brennkammer 17 gedämpft, wenn der Verdichtungstakt fortschreitet. Da jedoch der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe im Vergleich zu dem der Einspritzung der ersten Stufe nahe dem Zündzeitpunkt liegt, zündet die Zündkerze 25 das Gasgemisch in dem Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31, während die kinetische Hochturbulenzenergie darin beibehalten wird. Somit erhöht sich die Geschwindigkeit der SI-Verbrennung. Da die SI-Verbrennung stabil wird, wenn die Geschwindigkeit der SI-Verbrennung zunimmt, verbessert sich die Steuer- bzw. Regelbarkeit der CI-Verbrennung durch die SI-Verbrennung.
  • In der gesamten Brennkammer 17 wird das Gasgemisch zu einem Zustand, in dem das Luftüberschussverhältnis λ etwa 1,0 ± etwa 0,2 und das G/F ein Wert zwischen etwa 18:1 und etwa 30:1 ist. Da der Kraftstoff im Wesentlichen homogen verteilt wird, werden die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz durch Reduzieren eines Verlustes an unverbranntem Kraftstoff und die Verbesserung der Abgasleistung durch Vermeiden der Raucherzeugung erreicht. Es sei angemerkt, dass das Luftüberschussverhältnis λ in der gesamten Brennkammer 17 vorzugsweise etwa 1,0 bis etwa 1,2 beträgt.
  • Indem die Zündkerze 25 das Gasgemisch zu dem gegebenen Zeitpunkt vor dem CTDC zündet, verbrennt das Gasgemisch durch Flammenausbreitung. Dann entzündet sich das unverbrannte Gasgemisch zum Sollzeitpunkt selbst und bewirkt die CI-Verbrennung. Der bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff bewirkt hauptsächlich die SI-Verbrennung. Der bei der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff bewirkt hauptsächlich die CI-Verbrennung. Da die Einspritzung der ersten Stufe bei dem Verdichtungstakt durchgeführt wird, wird verhindert, dass der in der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff eine abnormale Verbrennung verursacht, wie beispielsweise die Frühzündung. Darüber hinaus wird der in der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff auf stabile Weise durch Flammenausbreitung verbrannt.
  • (Erstes Mittellastsegment (geboostete SPCCI-Verbrennung))
  • Wenn die Motorlast weiter ansteigt und der Betriebszustand des Motors 1 in das erste Mittellastsegment (B1) eintritt, boostet der Booster 44 die Frischluft und das externe AGR-Gas. Die Menge an Frischluft, die in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, und die Menge des externen AGR-Gases erhöhen sich beide, wenn die Motorlast ansteigt. Die Menge an externem AGR-Gas, das in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, beträgt, wenn sie durch das AGR-Verhältnis ausgedrückt wird, beispielsweise etwa 30%. Das AGR-Verhältnis ist unabhängig von der Motorlast im Wesentlichen konstant. Daher ist das G/F des Gasgemischs auch unabhängig von der Motorlast im Wesentlichen konstant. Man beachte, dass die AGR-Gasmenge, die in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, zwischen dem zweiten Mittellastsegment (B2) und dem ersten Mittellastsegment (B1) stetig ist.
  • Das SI-Verhältnis ist fest oder im Wesentlichen auf einen gegebenen Wert unter 100% in Bezug auf die Motorlast festgelegt. Wenn das SI-Verhältnis des zweiten Mittellastsegments (B2), insbesondere das SI-Verhältnis, das allmählich zunimmt, wenn die Motorlast von einem Wert über der gegebenen Last L1 ansteigt, mit dem SI-Verhältnis des ersten Mittellastsegments (B1) verglichen wird, ist das SI-Verhältnis des ersten Mittellastsegments (B1), in dem die Motorlast höher ist, höher als das des zweiten Mittellastsegments (B2). Das SI-Verhältnis ist über die Grenze zwischen dem ersten Mittellastsegment (B1) und dem zweiten Mittellastsegment (B2) stetig.
  • Dabei kann das SI-Verhältnis innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) geringfügig gemäß der Änderung der Motorlast geändert werden. Die Änderungsrate des SI-Verhältnisses gemäß der Motorlast innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) kann niedriger sein als die auf der Seite einer hohen Motorlast des zweiten Mittellastsegments (B2).
  • Wie in der unteren Grafik von 10 dargestellt, wird auch bei der geboosteten SPCCI-Verbrennung der Zündzeitpunkt allmählich vorverlegt, wenn die Kraftstoffmenge zunimmt. Da die Frischluft und die AGR-Gasmenge, die in die Brennkammer 17 eingeleitet werden, durch Boosten wie oben beschrieben erhöht werden, ist die Wärmemenge groß. Selbst wenn die Kraftstoffmenge ansteigt, wird daher der Temperaturanstieg in der Brennkammer 17, der durch die SI-Verbrennung verursacht wird, unterbunden. Die Wellenform der Wärmeerzeugungsrate der verstärkten SPCCI-Verbrennung wird größer (der Bereich des durch die Wellenform gebildeten Abschnitts und die horizontale Achse wird größer), und zwar in einer ähnlichen Form, wenn die Motorlast zunimmt.
  • Das heißt, die Wärmeerzeugungsmenge der SI-Verbrennung steigt an, während sich die Steigung der Wärmeerzeugungsrate der SI-Verbrennung kaum ändert. Das unverbrannte Gasgemisch entzündet sich nach CTDC im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt selbst. Die Wärmeerzeugungsmenge der Cl-Verbrennung steigt an, wenn die Motorlast ansteigt. Im Ergebnis ist innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1), da sowohl die Wärmeerzeugungsmenge der SI-Verbrennung als auch die Wärmeerzeugungsmenge der CI-Verbrennung ansteigen, das SI-Verhältnis in Bezug auf die Motorlast konstant. Obwohl das Verbrennungsgeräusch ansteigt, wenn die Spitze der Wärmeerzeugung der CI-Verbrennung ansteigt, ist, da die Motorlast innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) relativ hoch ist, ein gewisser Pegel an Verbrennungsgeräusch zugelassen. Man beachte, dass sich der Schwerpunkt der Verbrennung bei der geboosteten SPCCI-Verbrennung verlangsamt, wenn die Motorlast zunimmt.
  • Innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) ist die positive Überlappungsperiode, in der die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 beide geöffnet sind, über dem Auslass-TDC vorgesehen. Das unverbrannte Gas, das sich in der Brennkammer 17 befindet, wird durch den Verstärkungs- bzw. Boostingdruck gespült. Somit fällt die Temperatur in der Brennkammer 17 ab, und im Ergebnis wird verhindert, dass eine abnormale Verbrennung auftritt, wenn die Motorlast relativ hoch ist. Durch Absenken der Temperatur in der Brennkammer 17 innerhalb des Bereichs, in dem die Motorlast relativ hoch ist, wird ferner der Selbstzündungszeitpunkt auf einen geeigneten Zeitpunkt eingestellt und das SI-Verhältnis wird auf einem gegebenen SI-Verhältnis gehalten. Das heißt, das SI-Verhältnis wird durch Einstellen der Überlappungsperiode gesteuert bzw. geregelt. Ferner wird durch Spülen des verbrannten Gases die Ladungsmenge von Frischluft in der Brennkammer 17 erhöht.
  • Innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) spritzt der Injektor 6 ähnlich wie bei dem zweiten Mittellastsegment B2) den Kraftstoff in die Brennkammer 17 in zwei Stufen ein: der Einspritzung der ersten Stufe und der Einspritzung der zweiten Stufe, und zwar beim Verdichtungstakt. Bei der Einspritzung der ersten Stufe wird der Kraftstoff zu dem Zeitpunkt eingespritzt, der von dem Zündzeitpunkt getrennt ist, und bei der Einspritzung der zweiten Stufe wird der Kraftstoff zu dem Zeitpunkt eingespritzt, der nahe dem Zündzeitpunkt liegt. Die Einspritzung der ersten Stufe kann in dem Zeitraum ab dem Einlasstakt bis zu der frühen Hälfte des Verdichtungstakts durchgeführt werden, und die Einspritzung der zweiten Stufe kann in dem Zeitraum ab der letzten Hälfte des Verdichtungstakts bis zu der frühen Hälfte des Expansionstakts durchgeführt werden.
  • Wenn der Injektor 6 die Einspritzung der ersten Stufe in dem Zeitraum ab dem Einlasstakt bis zu der frühen Hälfte des Verdichtungstakts durchführt, wird das Gasgemisch in dem Quetschbereich 171 gebildet. Wenn der Injektor 6 die Einspritzung der zweiten Stufe in dem Zeitraum ab der letzten Hälfte des Verdichtungstakts bis zur frühen Hälfte des Expansionstakts durchführt, wird das Gasgemisch in dem Hohlraum 31 gebildet.
  • Indem der Injektor 6 die Einspritzung der ersten Stufe und die Einspritzung der zweiten Stufe durchführt, bildet sich insgesamt in der Brennkammer 17 ein im Wesentlichen homogenes Gasgemisch, bei dem das Luftüberschussverhältnis λ etwa 1,0 ± etwa 0,2 und das G/F etwa 18:1 bis etwa 30:1 oder etwa 18:1 bis etwa 50:1 ist. Da das Gasgemisch im Wesentlichen homogen ist, werden die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz durch Reduzieren eines Verlusts an unverbranntem Kraftstoff und die Verbesserung der Abgasleistung durch Vermeiden der Raucherzeugung erreicht. Es sei angemerkt, dass das Luftüberschussverhältnis λ in der gesamten Brennkammer 17 vorzugsweise etwa 1,0 bis etwa 1,2 beträgt.
  • Indem Zündkerze 25 das Gasgemisch zu dem gegebenen Zeitpunkt vor dem CTDC zündet, verbrennt das Gasgemisch durch Flammenausbreitung. Nachdem diese Verbrennung beginnt, zündet das unverbrannte Gasgemisch selbst und bewirkt die CI-Verbrennung. Der bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff bewirkt hauptsächlich die SI-Verbrennung. Der bei der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff bewirkt hauptsächlich die CI-Verbrennung. Da die Einspritzung der ersten Stufe bei dem Verdichtungstakt durchgeführt wird, wird verhindert, dass der in der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff eine abnormale Verbrennung verursacht, wie beispielsweise die Frühzündung. Darüber hinaus wird der in der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff auf stabile Weise durch Flammenausbreitung verbrannt.
  • (Hochlastbereich (Hochlast-SI-Verbrennung))
  • Wenn die Motorlast weiter ansteigt und der Betriebszustand des Motors 1 in den Hochlastbereich (C) eintritt, führt der Motor 1 die Hochlast-SI-Verbrennung durch. Daher wird das SI-Verhältnis innerhalb des Hochlastbereichs (C) 100%.
  • Das Drosselventil 43 ist im Wesentlichen vollständig geöffnet. Der Booster 44 boostet die Frischluft und das externe AGR-Gas sogar innerhalb des Hochlastbereichs (C). Das AGR-Ventil 54 verringert durch Einstellen seiner Öffnung allmählich die Einleitungsmenge des externen AGR-Gases, wenn die Motorlast ansteigt. Auf diese Weise nimmt die Frischluft, die in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, zu, wenn die Motorlast ansteigt. Da die Kraftstoffmenge erhöht wird, wenn die Frischluftmenge ansteigt, ist es vorteilhaft, die höchste Leistung des Motors 1 zu erhöhen. Es ist anzumerken, dass die in die Brennkammer 17 eingeleitete AGR-Gasmenge zwischen dem ersten Mittellastsegment (B1) und der Hochlastbereich (C) stetig ist.
  • Ebenfalls innerhalb des Hochlastbereichs (C) ist, ähnlich zu dem ersten Mittellastsegment (B1), die positive Überlappungsperiode, in der die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 beide geöffnet sind, über dem Auslass-TDC vorgesehen. Das unverbrannte Gas, das sich in der Brennkammer 17 befindet, wird durch den Boostingdruck gespült. Somit wird das Auftreten einer abnormalen Verbrennung verhindert. Ferner wird die Ladungsmenge von Frischluft in der Brennkammer 17 erhöht.
  • In einem Segment mit niedriger Motordrehzahl des Hochlastbereichs (C) (d.h. dem ersten Hochlastsegment (C1)) spritzt der Injektor 6 den Kraftstoff in die Brennkammer 17 in dem Verzögerungszeitraum ein, wie oben beschrieben. In einem Segment mit hoher Motordrehzahl des Hochlastbereichs (C) (d.h. dem zweiten Hochlastsegment (C2)) spritzt der Injektor 6 den Kraftstoff in die Brennkammer 17 beim Einlasstakt ein. Innerhalb jedes Segments wird im Wesentlichen homogenes Gasgemisch, in dem das Luftüberschussverhältnis A etwa 1,0 ± etwa 0,2 und das G/F etwa 18:1 bis etwa 30:1 oder etwa 18:1 bis etwa 50:1 beträgt, innerhalb der Brennkammer 17 gebildet. Bei der höchsten Last kann das Luftüberschussverhältnis λ beispielsweise 0,8 betragen. Darüber hinaus kann das G/F des Gasgemischs beispielsweise bei der höchsten Last etwa 17:1 betragen. Indem die Zündkerze 25 das Gasgemisch zu dem gegebenen Zeitpunkt vor dem CTDC zündet, wird das Gasgemisch durch Flammenausbreitung verbrannt. Innerhalb des Hochlastbereichs (C) verursacht das Gasgemisch auf Grund der Hochdruckverzögerungseinspritzung oder der Kraftstoffeinspritzung beim Einlasstakt die SI-Verbrennung, ohne die Selbstzündung zu erreichen.
  • (Betriebssteuerung bzw. -regelung des Motors in Dehzahlrichtung)
  • (Einspritzverhältnis der zweiten Stufe)
  • 11 zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe innerhalb des Mittellastbereichs (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird. Das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe gibt ein Verhältnis der Einspritzmenge bei der Einspritzung der zweiten Stufe in Bezug auf die Einspritzmenge bei der Einspritzung der ersten Stufe an. Wenn sich das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe erhöht, erhöht sich die Einspritzmenge bei der Einspritzung der zweiten Stufe und die Einspritzmenge bei der Einspritzung der ersten Stufe verringert sich. Wenn andererseits das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe abnimmt, nimmt die Einspritzmenge bei der Einspritzung der zweiten Stufe ab und die Einspritzmenge bei der Einspritzung der ersten Stufe steigt an.
  • Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, stellt die ECU 10 das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe auf ein gegebenes niedriges Einspritzverhältnis ein. Wie oben beschrieben, bildet die Einspritzung der zweiten Stufe das Gasgemisch um die Zündkerze 25 herum. Dieses Gasgemisch ist ein funkenzündendes Gasgemisch, das hauptsächlich bei der SI-Verbrennung der SPCCI-Verbrennung verbrennt. Wenn das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe niedrig ist, nimmt das SI-Verhältnis der SPCCI-Verbrennung ab und die CI-Verbrennung steigt an, da die Konzentration des Kraftstoffs in dem funkenzündenden Gasgemisch abnimmt. Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, ist NVH des Motors 1 im Allgemeinen niedrig. Selbst wenn das Verbrennungsgeräusch durch die CI-Verbrennung um einen bestimmten Pegel ansteigt, fällt daher NVH unter den zulässigen Wert. Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, wird durch Verringern des Einspritzverhältnisses der zweiten Stufe und ausreichendes Durchführen der CI-Verbrennung die Kraftstoffeffizienz verbessert.
  • Wenn die Motordrehzahl ansteigt, erhöht sich der NVH des Motors 1. Darüber hinaus kann NVH mit dem zusätzlichen Verbrennungsgeräusch, das durch die CI-Verbrennung verursacht wird, den zulässigen Wert überschreiten. Wenn die Motordrehzahl ansteigt, erhöht daher die ECU 10 das SI-Verhältnis der SPCCI-Verbrennung. Zum Beispiel, wie in 14 dargestellt, erhöht die ECU 10 linear das SI-Verhältnis, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Wie in 7A dargestellt, entspricht eine Drehzahl N2 der Grenze zwischen dem Mittellastbereich (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, und dem Hochdrehzahlbereich (D), in dem die SI-Verbrennung durchgeführt wird. Das SI-Verhältnis beträgt 100% bei der Drehzahl N2.
  • Um das SI-Verhältnis gemäß der Änderung der Motordrehzahl zu ändern, ändert die ECU 10 das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe gemäß der Änderung der Motordrehzahl, wie es durch eine Wellenform 111 in der oberen Grafik von 3 dargestellt ist. Wenn beispielsweise die Motordrehzahl eine vorgegebene Drehzahl N3 überschreitet, erhöht die ECU 10 das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Die gegebene Drehzahl N3 liegt zwischen einer niedrigsten Drehzahl N1 und der höchsten Drehzahl N2 des Mittellastbereichs (B). Die gegebene Drehzahl N3 kann höher als eine mittlere Drehzahl ((N1 + N2) / 2) der niedrigsten Drehzahl N1 und der höchsten Drehzahl N2 innerhalb des Mittellastbereichs (B) sein.
  • Alternativ kann die gegebene Drehzahl N3 gleich oder höher als die mittlere Drehzahl der niedrigsten Motordrehzahl und der höchsten Motordrehzahl im gesamten Betriebsbereich des in 7A dargestellten Motors 1 sein. Mit anderen Worten, kann die gegebene Drehzahl N3 in geeigneter Weise innerhalb des hohen Drehzahlbereichs eingestellt werden, wenn der Betriebsbereich des Motors 1 gleichmäßig in zwei Bereiche unterteilt ist, des niedrigen Drehzahlbereich und den hohen Drehzahlbereich.
  • In dem Beispiel der Wellenform 111 erhöht, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N3 überschreitet, die ECU 10 kontinuierlich das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe mit einer gegebenen Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Alternativ kann die ECU 10 das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe stufenweise (d.h. diskontinuierlich) erhöhen, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Durch Erhöhen des Einspritzverhältnises der zweiten Stufe erhöht sich die Kraftstoffkonzentration des Funkenzündungs-Gasgemischs, das um die Zündkerze 25 herum gebildet wird. Da die SI-Verbrennung im Ergebnis scharf wird, erhöht sich das SI-Verhältnis in der SPCCI-Verbrennung. Da die CI-Verbrennung abnimmt, wenn das SI-Verhältnis zunimmt, wird das durch die SPCCI-Verbrennung erzeugte Verbrennungsgeräusch reduziert. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird der NVH unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) arbeitet, gibt die ECU 10 ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor 6 aus, so dass sich das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe mit der gegebenen Änderungsrate gemäß der Änderung der Motordrehzahl wie oben beschrieben ändert. Genauer gesagt stellt die ECU 10 die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl höher ist als die gegebene Drehzahl N3 (d.h. die Steigung der oberen Grafik von 11), dahingehend ein, höher (schärfer) zu sein als die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger ist als die gegebene Drehzahl N3 (d.h. in dem Beispiel der oberen Grafik von 11 ist die Steigung der Grafik Null).
  • Es sei angemerkt, dass, obwohl nicht dargestellt, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist, anstatt die Änderungsrate der Einspritzmenge der zweiten Stufe auf Null zu setzen, sie erhöht werden kann, wenn die Motordrehzahl ansteigt. In diesem Fall kann die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist, niedriger als diese sein, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N3 überschreitet.
  • <Betriebssteuerung bzw. -regelung des Motors in Drehzahlrichtung>
  • (Anpassen des SI-Verhältnisses)
  • 14 zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem SI-Verhältnis bei einer gegebenen Last innerhalb des Mittellastbereichs (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird. Wie es in dem Betriebsbereichskennfeld 700 von 7A dargestellt ist, ist die Drehzahl N1 die niedrigste Drehzahl innerhalb des Mittellastbereichs (B). Eine Drehzahl N2 ist eine höchste Drehzahl innerhalb des Mittellastbereichs (B), der an einer Grenze zu dem Hochdrehzahlbereich (D) liegt, in dem die SI-Verbrennung durchgeführt wird (dies ist in der nachfolgenden Beschreibung der Fall).
  • Die CI-Verbrennung ist dahingehend nachteilig, dass das Verbrennungsgeräusch lauter ist als bei der SI-Verbrennung. Wenn die Motordrehzahl jedoch niedrig ist, ist NVH des Motors 1 im Allgemeinen niedrig. Daher wird NVH bei der niedrigen Motordrehzahl auch unter Addieren des Verbrennungsgeräusches der Cl-Verbrennung zu NVH niedriger als der zulässige Wert gehalten. Daher senkt die ECU 10 bei der niedrigen Motordrehzahl das SI-Verhältnis und die CI-Verbrennung wird ausreichend durchgeführt. Somit wird bei niedriger Motordrehzahl die Kraftstoffeffizienz verbessert, ohne dass NVH ein Problem wird.
  • Wenn andererseits die Motordrehzahl ansteigt, steigt auch NVH des Motors 1 entsprechend an. Darüber hinaus kann NVH, wenn das Verbrennungsgeräusch der CI-Verbrennung zu dem erhöhten NVH addiert wird, den zulässigen Wert überschreiten. Wenn daher die Motordrehzahl ansteigt, erhöht die ECU 10 das SI-Verhältnis gemäß dem Drehzahlanstieg.
  • Wie in 14 dargestellt, erhöht die ECU 10 dieses Konfigurationsbeispiels das SI-Verhältnis linear, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Da die höchste Drehzahl N2 die Grenze zu dem Hochdrehzahlbereich (D) ist, in dem nur die SI-Verbrennung durchgeführt wird, wird das SI-Verhältnis bei der Drehzahl N2 auf 100% eingestellt. Daher wird der Übergang zwischen dem Mittellastbereich (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, und dem Hochdrehzahlbereich (D), in dem die SI-Verbrennung durchgeführt wird, gleichmäßig durchgeführt, ohne dass sich der Verbrennungszustand stark ändert.
  • Mit anderen Worten wird das Verhältnis der CI-Verbrennung kontinuierlich reduziert, indem das SI-Verhältnis gemäß der Motordrehzahl angepasst wird, und der Motorlastbereich, in dem die Verbrennung durch Selbstzündung durchgeführt wird, wird so hoch wie möglich ausgedehnt. Im Ergebnis kann bei dem Motor 1 nicht nur zu der Seite der höheren Motorlast, sondern auch zu der Seite der höheren Motordrehzahl der Betriebsbereich, in dem die Verbrennung durch Selbstzündung durchgeführt wird, ausgedehnt werden, während NVH, was ein Problem werden kann, unter dem zulässigen Wert gehalten wird. Daher zeichnet sich der Motor 1 hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz aus. Es sei angemerkt, dass eine solche Einstellung des SI-Verhältnisses durch eine ausgefeilte Steuerung bzw. Regelung des Motors 1 erreichbar ist, die von der ECU 10 (später im Detail beschrieben) ausgeführt wird.
  • Wenn die Motorlast hoch ist, erhöht sich die Kraftstoffmenge und die Wärmemenge, welche die Brennkammer 17 aufnimmt, steigt ebenfalls an, und daher wird die Temperatur der Brennkammer 17 relativ hoch. Somit wird die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung bei hoher Motorlast schärfer als bei niedriger Motorlast. Wenn daher bei der gleichen Motordrehzahl verglichen wird, wird das SI-Verhältnis dahingehend eingestellt, bei einer hohen Motorlast höher als bei einer niedrigen Motorlast zu sein. Wie durch die strichpunktierte Linie in 14 angedeutet ist, weist die gerade Linie, welche die Änderung des SI-Verhältnisses in Bezug auf die Motordrehzahl angibt (SI-Verhältnis/Motordrehzahl), eine sanftere Steigung auf, wenn die Motorlast ansteigt.
  • (Verfahren zum Erhöhen des SI-Verhältnisses bei hoher Motordrehzahl)
  • Bei einer hohen Motordrehzahl ist der Verbrennungszyklus kürzer als bei einer niedrigen Motordrehzahl. Da die Wärmemenge, die eine Innenwand der Brennkammer etc. während der Verbrennung aufnimmt, entsprechend abnimmt, fällt die Temperatur der Brennkammer 17 im Vergleich zu dem Fall, wenn die Motordrehzahl niedrig ist. Es wird auch weniger wahrscheinlich, dass das Gasgemisch Wärme von der Brennkammer 17 aufnimmt. Zusätzlich wird die Zeitdauer für die Verbrennung des Gasgemischs kurz. Bei der hohen Motordrehzahl muss das SI-Verhältnis unter einer solchen nachteiligen Bedingung erhöht werden.
  • In dieser Hinsicht wird durch Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs selbst in der Brennkammer 17 die Verbrennung sogar in dem Zustand angeregt, in dem die Wärme nicht leicht von der Brennkammer 17 übertragen wird.
  • Darüber hinaus tritt die Zündung der CI-Verbrennung nach der SI-Verbrennung auf. Obwohl das Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs sowohl die SI-Verbrennung als auch die CI-Verbrennung stimuliert, ist die Verbrennungsdauer kurz, wenn die Motordrehzahl hoch ist. Somit wird die SI-Verbrennung schärfer und wird mehr stimuliert als die CI-Verbrennung, die später beginnt als die SI-Verbrennung. Daher wird durch Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs das SI-Verhältnis erhöht, wenn die Motordrehzahl hoch ist.
  • (Erstes Verfahren)
  • Um das SI-Verhältnis gemäß der Änderung der Motordrehzahl zu ändern, wird daher in dem Motor 1 das interne AGR-Verhältnis innerhalb des Mittellastbereichs (B) eingestellt, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird.
  • Zum Beispiel gibt die ECU 10 ein Steuer- bzw. Regelsignal an die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 und/oder die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 aus, um den Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 21 und/oder des Auslassventils 22 zu ändern.
  • Auf diese Weise wird die negative Überlappungsperiode bereitgestellt, die Länge der Periode wird geändert und das verbrannte Hochtemperaturgas (internes AGR-Gas), das in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, wird auf eine gegebene Menge eingestellt. Somit wird ein internes AGR-Verhältnis, insbesondere „ein Massenverhältnis (%) des internen AGR-Gases in Bezug auf das gesamte Gas innerhalb der Brennkammer 17“, geändert.
  • Wie in 7A dargestellt, ist bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 annimmt, der Mittellastbereich (B) in das erste Mittellastsegment (B1) auf der Seite höherer Motorlast und das zweite Mittellastsegment (B2) auf der Seite niedrigerer Motorlast unterteilt. In dem ersten Mittellastsegment (B1), während es der hohen Motorlast entspricht, wird, da der Betriebsbereich, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, auf die Seite der höheren Motorlast ausgedehnt wird, das Boosten durchgeführt, wohingegen in dem zweiten Mittellastsegment (B2) das Boosten nicht durchgeführt wird.
  • Bei diesem Motor 1 wird innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1), in dem das Boosten durchgeführt wird, da die positive Überlappungsperiode vorgesehen ist, selbst wenn das interne AGR-Gas eingeleitet wird, durch den Boostingdruck gespült. Daher wird innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) das erste Verfahren nicht angewendet, da es schwierig ist, das interne AGR-Verhältnis zu ändern. Innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 etc. aus, so dass das interne AGR-Verhältnis bei einer hohen Motorlast höher wird als bei einer niedrigen Motorlast.
  • 22A zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem internen AGR-Verhältnis (internes AGR-Verhältnis/Motordrehzahl) bei gegebenen Lasten innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2). Die ECU 10 erhöht linear das interne AGR-Verhältnis, wenn die Motordrehzahl von der Drehzahl N1 ansteigt, welche die niedrigste Drehzahl ist. Im Ergebnis steigt die Temperatur des Gasgemischs in der Brennkammer 17 und daher wird, selbst wenn die von der Brennkammer 17 aufgenommene Wärmemenge gering ist und die Verbrennungsdauer kurz ist, die SI-Verbrennung scharf und das SI-Verhältnis erhöht sich. Da das Verhältnis der CI-Verbrennung abnimmt, wenn das SI-Verhältnis zunimmt, wird das durch die SPCCI-Verbrennung verursachte Verbrennungsgeräusch reduziert. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird der NVH unter den zulässigen Wert gedrückt. Es sei angemerkt, dass die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem internen AGR-Verhältnis, die in 22A dargestellt ist, ein Beispiel ist und die Änderungsrate entsprechend den Spezifikationen geeignet änderbar ist.
  • Wie in 22A dargestellt, wenn die Motordrehzahl eine gegebene Drehzahl überschreitet (Begrenzungsstartdrehzahl Na), ist der Anstieg des internen AGR-Verhältnisses begrenzt. Um beispielsweise das interne AGR-Verhältnis gemäß der Änderung der Motordrehzahl zu ändern, speichert der Speicher 102 der ECU 10 ein gegebenes Kennfeld, und die Begrenzungsstartdrehzahl Na wird in dem Kennfeld eingestellt. Wenn die Motordrehzahl die Begrenzungsstartdrehzahl Na überschreitet, gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 etc. aus, um den Anstieg des internen AGR-Verhältnisses zu begrenzen.
  • Es sei angemerkt, dass die Begrenzungsstartdrehzahl Na zumindest höher als ein mittlerer Wert des Bereichs der Motordrehzahl (zwischen der Drehzahl N1 und der Drehzahl N2) innerhalb des Mittellastbereichs (B) eingestellt ist. Insbesondere wenn der Bereich der Motordrehzahl innerhalb des Mittellastbereichs (B) gleichmäßig in drei Segmente unterteilt ist, wird die Drehzahl Na vorzugsweise innerhalb des Hochdrehzahlsegments eingestellt.
  • In diesem Konfigurationsbeispiel erreicht das interne AGR-Verhältnis seine Spitze, sobald es die Begrenzungsstartdrehzahl Na überschreitet, und wird im Wesentlichen konstant gehalten (abhängig von den Spezifikationen kann der Wert leicht variieren). Wenn das interne AGR-Verhältnis zunimmt und die Temperatur des Gasgemischs übermäßig ansteigt, wird auch die CI-Verbrennung scharf und das Verbrennungsgeräusch steigt an, was NVH über dem zulässigen Wert verursachen kann. Daher stellt die ECU 10 die Begrenzungsstartdrehzahl Na niedriger als den Wert ein, der eine solche Situation verursachen kann, um NVH unter den zulässigen Wert zu unterdrücken.
  • Wenn die Motorlast hoch ist, erhöht sich die Kraftstoffmenge und die Wärmeaufnahmemenge der Brennkammer 17 nimmt ebenfalls zu, und daher steigt die Temperatur der Brennkammer 17 relativ an. Somit wird die Temperatur des Gasgemischs höher und die SI-Verbrennung bei der SPCCI-Verbrennung wird bei einer hohen Motorlast als bei einer niedrigen Motorlast scharf. Aus diesem Grund ändert die ECU 10 das interne AGR-Verhältnis über den gesamten Motordrehzahlbereich, wenn die Motorlast ansteigt.
  • Ferner wird hier die Begrenzungsstartdrehzahl Na mit zunehmender Motorlast niedriger eingestellt. Da die Temperatur des Gasgemischs dazu neigt, übermäßig zuzunehmen, wenn die Motorlast ansteigt, wird, indem die Begrenzungsstartdrehzahl Na mit zunehmender Motorlast niedriger eingestellt wird, zuverlässiger verhindert, dass NVH den zulässigen Wert überschreitet.
  • 22A zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem internen AGR-Verhältnis in dem Fall des Einleitens des internen AGR-Gases durch Einstellen der negativen Überlappungsperiode (auch als „NVO-Einstellung“ bezeichnet). 22B zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem internen AGR-Verhältnis in dem Fall des Einleitens des internen AGR-Gases durch Einstellen der positiven Überlappungsperiode (auch als „PVO-Einstellung“ bezeichnet).
  • Bei der Einleitung des internen AGR-Gases durch die PVO-Einstellung fließt, anders als bei der Einleitung des internen AGR-Gases durch die NVO-Einstellung, was das verbrannte Hochtemperaturgas so wie es ist in der Brennkammer 17 hält, das verbrannte Hochtemperaturgas einmal zu der Einlassöffnung 18 hin aus und wird erneut in die Brennkammer 17 eingeleitet. Das verbrannte Hochtemperaturgas, das in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, d.h. das interne AGR-Gas, wird gekühlt, indem es zu der Einlassöffnung 18 strömt, wo die Temperatur niedrig ist.
  • Daher wird, wenn das interne AGR-Gas durch die PVO-Einstellung eingeleitet wird, die Temperatur der Brennkammer 17 im Vergleich zu der Einleitung des internen AGR-Gases durch die NVO-Einstellung relativ niedriger. Selbst wenn das interne AGR-Verhältnis zunimmt, steigt somit die Temperatur des Gasgemischs nicht leicht übermäßig an. Im Ergebnis wird die Einstellung der Begrenzungsstartdrehzahl Na unnötig oder sogar wenn sie benötigt wird, ist sie ausreichend höher eingestellt als wenn die NVO eingestellt ist.
  • Daher erhöht sich bei der Einleitung des internen AGR-Gases durch die PVO-Einstellung das interne AGR-Verhältnis ohne jegliche Begrenzung stetig, bis die höchste Drehzahl N2 erreicht ist. Obwohl die Begrenzungsstartdrehzahl Na nahe bei der höchsten Drehzahl N2 bei einer hohen Motorlast, die in 22B dargestellt ist, eingestellt ist, kann die Einstellung der Begrenzungsstartdrehzahl Na selbst bei der hohen Motorlast unnötig sein. Es kann auch einen Fall geben, in dem die Einstellung der Begrenzungsstartdrehzahl Na bei einer niedrigen Motorlast oder einer mittleren Motorlast notwendig ist. Es ist anzumerken, dass auch in diesem Fall die Begrenzungsstartdrehzahl Na näher an der höchsten Drehzahl N2 im Vergleich zu der Einleitung des internen AGR-Gases durch die NVO-Einstellung eingestellt ist.
  • Es ist anzumerken, dass bei dem Motor 1, der ein Betriebsbereichskennfeld 701 und ein Betriebsbereichskennfeld 702 verwendet, die später beschrieben wird, eine Drallströmung mit einer höheren Stärke als eine gegebene Stärke in der Brennkammer 17 gebildet wird. Mit einer solchen in der Brennkammer 17 gebildeten Drallströmung wird das Gasgemisch in der Brennkammer 17 durch die Strömung geschichtet bzw. stratifiziert. Somit wird das Gasgemisch nahe der Zündkerze 25 für die SI-Verbrennung geeignet gemacht, und im Ergebnis wird die stabile SPCCI-Verbrennung erreicht.
  • Daher wird in diesem Fall, selbst wenn das interne AGR-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl erhöht wird, um das hohe SI-Verhältnis sicherzustellen, das AGR-Gas durch Schichten bzw. Stratifizieren des Gasgemischs in der Nähe der Zündkerze 25 reduziert. Somit ist die Stabilität der Zündung in der SI-Verbrennung sichergestellt und die stabile SPCCI-Verbrennung wird erreicht.
  • (Zweites Verfahren)
  • Durch das erste Verfahren alleine wird in dem Mittellastbereich (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, der Betriebsbereich, in dem die Verbrennung durch Selbstzündung auf die Seite höherer Motordrehzahl nur für das zweite Mittellastsegment (B2) ausgedehnt wird. Daher wird bei diesem Motor 1 auch innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1), ähnlich dem zweiten Mittellastsegment (B2), das zweite Verfahren angewendet, so dass die Temperatur des Gasgemischs selbst in der Brennkammer 17 höher geändert wird, wenn die Motorlast zunimmt.
  • Das heißt, dieser Motor 1 ändert das externe AGR-Verhältnis innerhalb des Mittellastbereichs (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, um das SI-Verhältnis entsprechend der Änderung der Motordrehzahl zu ändern.
  • Beispielsweise wird die Einleitungsmenge des abgekühlten verbrannten Gases (externes AGR-Gas) bei einer niedrigeren Temperatur als das interne AGR-Gas durch Ändern der Öffnung des AGR-Ventils 54 geändert, und somit wird das externe AGR-Verhältnis, insbesondere ein „Massenverhältnis (%) des externen AGR-Gases in Bezug auf das Gesamtgas innerhalb der Brennkammer 17“ geändert.
  • Die ECU 10 gibt das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-Ventil 54 aus, so dass das externe AGR-Verhältnis bei einer niedrigen Motordrehzahl niedriger als bei einer hohen Motordrehzahl abnimmt. Das externe AGR-Gas hat eine niedrigere Temperatur als das Gasgemisch in der Brennkammer 17. Wenn die Einleitungsmenge des externen AGR-Gases groß ist, fällt die Temperatur des Gasgemischs dementsprechend ab. Daher wird durch Verringern des externen AGR-Verhältnisses die Temperatur des Gasgemischs selbst in der Brennkammer 17 höher geändert.
  • Wie in 7A dargestellt, wird das externe AGR-Gas sowohl innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) als auch innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) eingeleitet, und die Menge des externen AGR-Gases ist insbesondere innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) groß. Daher ist das zweite Verfahren innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) wirksam, und durch Kombinieren des ersten Verfahrens wird das SI-Verhältnis entsprechend der Änderung der Motordrehzahl über den gesamten Mittellastbereich (B) effektiv auf hoch eingestellt.
  • 23A zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem externen AGR-Verhältnis (externes AGR-Verhältnis/Motordrehzahl) bei gegebenen Lasten innerhalb des Mittellastbereichs (B). Die durchgezogene Linie gibt die Beziehung innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1) an und die strichpunktierte Linie gibt die Beziehung innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) an.
  • Wie oben beschrieben, ist bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 annimmt, das SCV 56 im Wesentlichen vollständig in jedem Betriebsbereich einschließlich des Mittellastbereichs (B) geöffnet, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird. 23A zeigt eine solche Beziehung, wie sie oben beschrieben wurde, für den Fall, in dem im Wesentlichen keine Drallströmung in der Brennkammer 17 erzeugt wird oder die Strömung schwach ist, selbst wenn sie erzeugt wird.
  • Die ECU 10 hält das externe AGR-Verhältnis im Wesentlichen fest, bis die Motordrehzahl ab der niedrigsten Drehzahl N1 eine vorgegebene Drehzahl erreicht (Verringerungsstartdrehzahl Nb). Auf diese Weise wird ein hohes AGR-Verhältnis (externes AGR-Verhältnis) auf eine niedrige Motordrehzahl eingestellt, und daher kann, selbst wenn der Wert von G/F des Gasgemischs, das zu sichern ist, hoch ist, es innerhalb eines geeigneten Bereichs festgelegt werden. Da das Verdünnungsverhältnis des Gasgemischs hoch gehalten wird, verbessert sich die Kraftstoffeffizienz.
  • Sobald die Verringerungsstartdrehzahl Nb überschritten ist, reduziert die ECU 10 das externe AGR-Verhältnis entsprechend der Motorlast. Um beispielsweise das externe AGR-Verhältnis gemäß der Änderung der Motordrehzahl zu ändern, speichert der Speicher 102 der ECU 10 ein gegebenes Kennfeld, und in dem Kennfeld wird die Verringerungsstartdrehzahl Nb im Voraus eingestellt.
  • Die Verringerungsstartdrehzahl Nb ist ebenso ähnlich wie die Begrenzungsstartdrehzahl Na zumindest höher als ein mittlerer Wert des Bereichs der Motordrehzahl innerhalb des Mittellastbereichs (B) eingestellt. Insbesondere wenn der Bereich der Motordrehzahl innerhalb des Mittellastbereichs (B) gleichmäßig in drei Segmente unterteilt ist, wird die Verringerungsstartdrehzahl Nb vorzugsweise gleich der Begrenzungsstartdrehzahl Na eingestellt.
  • Basierend auf dem Kennfeld gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-Ventil 54 aus, so dass das externe AGR-Verhältnis abhängig von der Motorlast zu sinken beginnt, sobald es die Verringerungsstartdrehzahl Nb überschreitet. Man beachte, dass, wenn die Motorlast niedrig ist, der Wert des externen AGR-Verhältnisses so beibehalten werden kann, wie er ist, selbst wenn die Verringerungsstartdrehzahl Nb überschritten wird.
  • Somit nimmt in einem höheren Drehzahlbereich bei oder oberhalb der Verringerungsstartdrehzahl Nb das Verhältnis des in die Brennkammer 17 eingeleiteten externen AGR-Gases ab und die Temperatur des Gasgemischs selbst steigt an. Selbst wenn die Wärmeaufnahmemenge von der Brennkammer 17 gering ist und die Verbrennungsdauer verkürzt ist, wird daher die SI-Verbrennung scharf und das SI-Verhältnis erhöht sich. Da die CI-Verbrennung mit zunehmendem SI-Verhältnis abnimmt, wird das durch die SPCCI-Verbrennung erzeugte Verbrennungsgeräusch reduziert. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird der NVH unter den zulässigen Wert gedrückt. Es sei angemerkt, dass die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem externen AGR-Verhältnis, die in 23A dargestellt ist, ein Beispiel ist und die Änderungsrate davon in geeigneter Weise gemäß den Spezifikationen geändert werden kann.
  • Dabei gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-Ventil 54 aus, so dass das externe AGR-Verhältnis mit zunehmender Motorlast stärker abnimmt (die Verringerungsrate steigt).
  • Wenn die Motorlast ansteigt, erhöht sich die Kraftstoffmenge entsprechend. Wenn die Menge an verbranntem Gas in Bezug auf den zunehmenden Kraftstoff übermäßig groß ist, wird die Verbrennung durch Funkenzündung, d.h. die SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung, instabil und das SI-Verhältnis kann abnehmen. Da die Verringerungsrate des externen AGR-Verhältnisses erhöht wird, wenn die Motorlast zunimmt, um die Zündung zu stabilisieren, wird daher ein hohes SI-Verhältnis beibehalten.
  • Die ECU 10 ändert das externe AGR-Verhältnis auch innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) ähnlich zu dem ersten Mittellastsegment (B1). In diesem Konfigurationsbeispiel enthält das AGR-Gas, das innerhalb des ersten Mittellastsegment (B1) eingeleitet wird, nur das externe AGR-Gas, während das interne AGR-Gas auch innerhalb des zweiten Mittellastsegment (B2) eingeleitet wird. Daher wird innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) das externe AGR-Verhältnis unter Berücksichtigung der Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17, wie z. B. des G/F des Gasgemischs auf Grund der Beziehung mit der Einleitungsmenge des internen AGR-Gases geändert. Im Ergebnis verringert sich das externe AGR-Verhältnis innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2) relativ zu dem innerhalb des ersten Mittellastsegments (B1).
  • Bei dem Motor 1, der eines des Betriebsbereichskennfelds 701 und des Betriebsbereichskennfelds 702 verwendet, die später beschrieben werden, wird im Unterschied zu dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet, eine Drallströmung, die stärker ist als eine gegebene Stärke, in der Brennkammer 17 gebildet. 23B veranschaulicht die oben beschriebene Beziehung bei einem solchen Motor 1.
  • Durch Bilden der Drallströmung, die stärker ist als die gegebene Stärke, innerhalb der Brennkammer 17, wird die Fließfähigkeit des Gasgemischs in der Brennkammer 17 verbessert. Selbst wenn die Menge an AGR-Gas groß ist, wird somit die Menge an AGR-Gas um die Zündkerze 25 herum reduziert, wenn die Zündung durchgeführt wird. Selbst wenn die Motorlast ansteigt und die Kraftstoffmenge ansteigt, wird daher die Stabilität der Verbrennung durch Zündung sichergestellt, und daher wird die SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung auf stabile Weise durchgeführt.
  • Wie in 23B dargestellt, gibt die ECU 10 somit das Steuer- bzw. Regelsignal an das AGR-Ventil 54 aus, so dass die Verringerungsrate des externen AGR-Verhältnisses im Wesentlichen konstant in Bezug auf die Änderung der Motorlast gehalten wird. Selbst wenn die Motorlast ansteigt, reduziert die ECU 10 das externe AGR-Verhältnis in dem gleichen Zustand wie wenn die Motorlast niedrig ist.
  • (Drittes Verfahren)
  • Bei dem Verfahren zum Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs wie bei dem ersten und dem zweiten Verfahren wird, wenn die Temperatur übermäßig ansteigt, die CI-Verbrennung scharf und das Verbrennungsgeräusch steigt an, was bewirken kann, dass NVH den zulässigen Wert überschreitet. Da das interne AGR-Verhältnis und das externe AGR-Verhältnis durch andere Zustandsfunktionen, wie z.B. das G/F des Gasgemischs, beschränkt sind, begrenzt das einfache Ändern des internen AGR-Verhältnisses und des externen AGR-Verhältnisses den Effekt des Reduzierens des Verbrennungsgeräusches bei der SPCCI-Verbrennung, und der Effekt wird möglicherweise nicht ausreichend erhalten.
  • Insbesondere in dem ersten Verfahren ist der Anstieg des internen AGR-Verhältnisses innerhalb des Bereichs oberhalb der Begrenzungsstartdrehzahl Na begrenzt. Auch wenn in dem zweiten Verfahren das externe AGR-Verhältnis innerhalb des Bereichs oberhalb der Verringerungsstartdrehzahl Nb übermäßig reduziert wird, wird die Temperatur des Gasgemischs übermäßig hoch und das Verbrennungsgeräusch steigt an, was bewirken kann, dass NVH den zulässigen Wert überschreitet, und daher ist die Verringerungsrate begrenzt. Daher kann das SI-Verhältnis innerhalb der Bereiche oberhalb der Begrenzungsstartdrehzahl Na und der Verringerungsstartdrehzahl Nb nicht auf ein gewünschtes SI-Verhältnis ansteigen. In diesem Fall ist die Wirkung der Verringerung des Verbrennungsgeräuschs begrenzt, und eine ausreichende Wirkung kann nicht erhalten werden.
  • Daher wird bei diesem Motor 1 ein anderes Verfahren als das Verfahren zum Erhöhen der Temperatur des Gasgemischs verwendet, so dass das SI-Verhältnis dadurch ebenfalls erhöht wird.
  • Das heißt, in Verbindung mit dem ersten oder zweiten Verfahren verwendet die ECU 10 ein drittes Verfahren, bei dem das SCV 56 dahingehend gesteuert bzw. geregelt wird, den Fluss der Ansaugluft zu verstärken. Wenn der Ansaugluftstrom verstärkt wird, erhöht sich das SI-Verhältnis, weil die SI-Verbrennung scharf wird. Im Ergebnis wird das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung reduziert.
  • 23A zeigt eine Beziehung zwischen der Drehzahl des Motors 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet, und des SCV 56. Wie oben beschrieben, ist bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet, das SCV 56 in jedem Betriebsbereich einschließlich des Mittellastbereichs (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, im Wesentlichen vollständig geöffnet. 23A veranschaulicht die obige Beziehung in einem solchen Fall. Andererseits veranschaulicht 23B die obige Beziehung des Motors 1, der das Betriebsbereichskennfeld 701 verwendet, und des Motors 1, der das Betriebsbereichskennfeld 702 verwendet.
  • Wie in 23A gezeigt, gibt bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet, wenn die Motordrehzahl eine gegebene Drehzahl (Betriebsstartdrehzahl N4) erreicht, bei der die Einstellung auf das gewünschte SI-Verhältnis durch das erste oder zweite Verfahren allein schwierig wird, z.B. die Begrenzungsstartdrehzahl Na, bei der die Begrenzung des internen AGR-Verhältnisses gestartet wird, die Verringerungsstartdrehzahl Nb, bei der die Verringerung des externen AGR-Verhältnisses gestartet wird, die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an das SCV 56 aus, um dessen Öffnung ab bzw. aus dem im Wesentlichen vollständig geöffneten Zustand zu beschränken bzw. zu verengen. Somit wird die Drallströmung in der Brennkammer 17 stark. Die ECU 10 reduziert linear die Öffnung des SCV 56, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Wenn die Motordrehzahl zunimmt, wird die SI-Verbrennung noch schärfer, da die Drallströmung stärker wird.
  • Im Ergebnis wird in dem ersten oder zweiten Verfahren selbst innerhalb des höheren Motordrehzahlbereichs, wo die Begrenzung angewandt wird, das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung reduziert. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird folglich NVH unter den zulässigen Wert gedrückt. Durch Kombinieren des ersten oder zweiten Verfahrens mit dem dritten Verfahren wird das SI-Verhältnis höher und geeigneter geändert.
  • Andererseits wird, wie in 23B dargestellt, bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 701 verwendet, und dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 702 verwendet, das später beschrieben wird, die Drallströmung, die stärker als die gegebene Stärke ist, in der Brennkammer 17 innerhalb des Bereichs gebildet, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird.
  • Beispielsweise wird zu dem Zeitpunkt des Erreichens der Zündung b dem Einlasstakt das SCV 56 bei bzw. mit einer gegebenen engen Öffnung gesteuert bzw. geregelt, ohne vollständig geschlossen zu sein, so dass das Drallverhältnis ein Bereich zwischen etwa 1,5 bis etwa 3 wird. Die Öffnung des SCV 56 oder das Drallverhältnis wird in geeigneter Weise gemäß den Spezifikationen des Motors 1 eingestellt. 23B veranschaulicht den Fall, in dem das SCV 56 im Wesentlichen konstant bei etwa 30% in Bezug auf die Motordrehzahl gehalten wird.
  • Wenn die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, wird durch Bilden einer solchen Drallströmung in der Brennkammer 17 die Fluidität in der Brennkammer 17 verbessert, und ein geschichtetes Gasgemisch wird in der Brennkammer 17 gebildet. Somit wird die stabile SPCCI-Verbrennung innerhalb eines Breiten Betriebsbereichs des Motors 1 erreicht. Details werden später beschrieben.
  • (Viertes Verfahren)
  • Bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 annimmt, wird das SI-Verhältnis auf die Seite der höheren Drehzahl auch durch Ändern des Zündzeitpunkts erhöht.
  • 24 zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Zündzeitpunkt bei einer gegebenen Last innerhalb des Mittellastbereichs (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird. Ähnlich dem dritten Verfahren, wenn die Motordrehzahl eine vorgegebene Drehzahl erreicht (Vorrückstartdrehzahl Nd), bei der die Einstellung auf das gewünschte SI-Verhältnis durch das erste oder zweite Verfahren allein schwierig wird (wie die Begrenzungsstartdrehzahl Na, bei der die Begrenzung des internen AGR-Verhältnisses gestartet wird, oder die Verringerungsstartdrehzahl Nb, bei der die Abnahme des externen AGR-Verhältnisses gestartet wird), gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze 25 aus, um den Zündzeitpunkt vorzuverlegen. Somit wird der Start der SI-Verbrennung vorverlegt und die SI-Verbrennung wird scharf. Die ECU 10 rückt den Zündzeitpunkt mit zunehmender Motordrehzahl linear vor. Die SI-Verbrennung wird noch schärfer, wenn die Motordrehzahl ansteigt.
  • Das vierte Verfahren kann das dritte Verfahren ersetzen. Das vierte Verfahren kann zusammen mit dem dritten Verfahren verwendet werden. Durch geeignetes Kombinieren des ersten bis vierten Verfahrens wird die Anpassung an das stabile SI-Verhältnis selbst bei einer hohen Motordrehzahl möglich.
  • Wie in der oberen Grafik von 11 dargestellt, wird ein oberer Grenzwert für das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe bestimmt. Wenn die Motordrehzahl eine vorgegebene Drehzahl N4 überschreitet, stellt die ECU 10 das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe auf den oberen Grenzwert ein. Die gegebene Drehzahl N4 ist niedriger als die höchste Drehzahl N2 des Mittellastbereichs (B), wie in 7A dargestellt. Da bei der Einspritzung der zweiten Stufe der Zeitpunkt zum Einspritzen des Kraftstoffs in Bezug auf den Kurbelwinkel spät ist, ist die Zeitspanne kurz, bis der eingespritzte Kraftstoff das verbrennbare Gasgemisch bildet. Ferner ist die Zeit, in der sich der Kurbelwinkel um denselben Winkel ändert, kürzer, wenn die Motordrehzahl ansteigt.
  • Daher wird die Zeitdauer ab der Einspritzung des Kraftstoffs bei der Einspritzung der zweiten Stufe bis zur Zündung kürzer, wenn die Motordrehzahl ansteigt.
  • Wie oben beschrieben, muss, wenn das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe mit zunehmender Motordrehzahl erhöht wird, eine große Menge an Kraftstoff in einer kurzen Zeitspanne verdampft werden, um das Gasgemisch zu bilden. Hier erhöht sich in der Realität die Kraftstoffmenge, die bei der Si-Verbrennung der SPCCI-Verbrennung nicht verbrennt, eine große Kraftstoffmenge verursacht die Cl-Verbrennung, und somit kann das Verbrennungsgeräusch ansteigen.
  • Daher wird in einer Konfiguration, in der das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe mit zunehmender Motordrehzahl erhöht wird, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N4 überschreitet, die Einspritzmenge der Einspritzung der zweiten Stufe dahingehend begrenzt, eine bestimmte Menge nicht zu überschreiten. Wenn die Motordrehzahl die vorgegebene Drehzahl N4 überschreitet, legt die ECU 10 die Einspritzmenge der Einspritzung der zweiten Stufe auf eine gegebene Menge fest. Somit wird verhindert, dass der Kraftstoff, der bei der SI-Verbrennung nicht verbrannt wird, zunimmt, und es wird verhindert, dass das Verbrennungsgeräusch auf Grund der CI-Verbrennung ansteigt.
  • Wenn das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe auf den oberen Grenzwert begrenzt ist, erhöht sich das SI-Verhältnis der SPCCI-Verbrennung nicht und daher wird der Effekt des Verringerns des Verbrennungsgeräusches, das durch Erhöhen der Einspritzmenge der Einspritzung der zweiten Stufe verursacht wird, begrenzt. Wenn daher das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe auf den oberen Grenzwert begrenzt ist, wird der Motor 1 in dem SI-Verhältnis erhöht, indem ein anderes Verfahren verwendet wird. Zum Beispiel steuert bzw. regelt die ECU 10 das SCV 56, um die Strömung der Ansaugluft zu verstärken. Wenn der Ansaugluftstrom verstärkt wird, erhöht sich das SI-Verhältnis, weil die SI-Verbrennung scharf wird. Im Ergebnis wird das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung reduziert.
  • Eine Wellenform 131 in der oberen Grafik von 13 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Öffnung des SCV 56. Wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N4 erreicht und das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe auf den oberen Grenzwert begrenzt ist, verschmälert bzw. begrenzt die ECU 10 die Öffnung des SCV 56 aus dem im Wesentlichen vollständig geöffneten Zustand. Somit wird die Drallströmung in der Brennkammer 17 stark. Die ECU 10 ändert linear die Öffnung des SCV 56, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Wenn die Motordrehzahl zunimmt, wird die SI-Verbrennung noch schärfer, da die Drallströmung stärker wird. Somit wird das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung reduziert. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird folglich NVH unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Da bei diesem Motor 1 NVH durch Einstellen des SI-Verhältnisses in der Drehzahlrichtung des Motors 1 unter den zulässigen Wert gedrückt wird, dehnt sich der Bereich, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, auf die Seite höherer Drehzahl aus. Daher zeichnet sich der Motor 1 hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz aus.
  • Wenn die Motorlast hoch ist, wird, da die Temperatur in der Brennkammer 17 relativ hoch wird, die SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung schärfer als wenn die Motorlast niedrig ist. Wenn die Motorlast hoch ist, wird das SI-Verhältnis höher als wenn die Motorlast niedrig ist. Wie durch die strichpunktierte Linie in 14 angegeben ist, hat daher die gerade Linie, welche die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem SI-Verhältnis angibt, eine weniger steile Steigung bei einer hohen Motorlast als bei einer niedrigen Motorlast.
  • Wenn das SI-Verhältnis auf Grund der hohen Motorlast ansteigt, ist es nicht erforderlich, das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe zu erhöhen, um das SI-Verhältnis zu erhöhen, da das Verbrennungsgeräusch reduziert ist. Daher kann die ECU 10 die Drehzahl N3, bei der das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe zuzunehmen beginnt, zu der Seite höherer Drehzahl verschieben, wie durch die strichpunktierte Linie in der oberen Tabelle von 11 veranschaulicht. Auf diese Weise wird der Bereich, in dem das niedrige Einspritzverhältnis der zweiten Stufe aufrechterhalten wird, zu der Seite höherer Drehzahl ausgedehnt. Wie oben beschrieben, wenn das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe niedrig ist, nimmt die Cl-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung zu, was vorteilhaft ist, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
  • Es ist anzumerken, dass abweichend von dem Beispiel der oberen Grafik von 11, wie es durch die strichpunktierte Linie in einer Wellenform 112 der unteren Grafik von 11 angegeben ist, die ECU 10 die Steigung der Geraden Linie einstellen kann, welche die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe angibt, und zwar weniger steil bei einer hohen Motorlast als bei einer niedrigen Motorlast.
  • (Kraftstoffeinspritzzeitpunkt)
  • Eine Wellenform 121 in der oberen Grafik von 12 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe in dem Mittellastbereich (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass, obwohl in 12 nicht dargestellt, der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der ersten Stufe zu einem gegebenen Zeitpunkt unabhängig von der Motordrehzahl unverändert bleibt.
  • Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, stellt die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe zu einem gegebenen verzögerten Zeitpunkt ein. Durch Verzögern des Zeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe wird das Gasgemisch in einem Zustand gezündet, in dem die Strömung des Gases in der Brennkammer 17 stark ist. Somit wird die SI-Verbrennung scharf und der Selbstzündzeitpunkt wird akkurat gesteuert bzw. geregelt.
  • Wenn die Motordrehzahl ansteigt, wird die Verdampfungsperiode ab der Einspritzung des Kraftstoffs in der Einspritzung der zweiten Stufe bis zur Zündung desselben kürzer. Bei der SPCCI-Verbrennung erhöht sich die Menge des Gasgemischs, die bei der SI-Verbrennung nicht verbrennt, und das SI-Verhältnis fällt ab. Im Ergebnis erhöht sich die CI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung und das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung steigt an. Wenn das Verbrennungsgeräusch ansteigt, kann NVH den zulässigen Wert überschreiten.
  • Wenn die Motordrehzahl die vorgegebene Drehzahl N3 überschreitet, rückt daher die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe mit einer gegebenen Änderungsrate vor, wenn sich die Motordrehzahl erhöht, wie es durch die Wellenform 121 angegeben ist. Die gegebene Drehzahl N3 ist die gleiche wie die in 11 dargestellte Drehzahl N3.
  • Die ECU 10 rückt den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe kontinuierlich vor, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Alternativ kann die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe stufenweise (d.h. diskontinuierlich) vorrücken, wenn sich die Motordrehzahl erhöht. Durch Vorverlegen des Einspritzzeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe wird die Verdampfungsperiode verlängert. Im Ergebnis verringert sich die Menge des Gasgemischs, die bei der SI-Verbrennung nicht verbrennt, was das SI-Verhältnis bei der SPCCI-Verbrennung erhöht. Wie in 14 dargestellt, nimmt das SI-Verhältnis mit zunehmender Motordrehzahl linear zu. Da das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung durch Erhöhen des SI-Verhältnisses auf niedrig gedrückt wird, wird NVH, wenn die Motordrehzahl hoch ist, unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) arbeitet, gibt die ECU 10 ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor 6 aus, so dass sich der Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe mit der gegebenen Änderungsrate gemäß der Änderung der Motordrehzahl wie oben beschrieben ändert. Genauer gesagt legt die ECU 10 die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl höher als die gegebene Drehzahl N3 ist (d.h. die Steigung der oberen Kurve von 12), dahingehend fest, höher als die Änderungsrate zu sein, wenn die Motordrehzahl gleich oder ist niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist (d.h. in dem Beispiel der oberen Grafik von 12 ist die Steigung der Grafik Null).
  • Es ist anzumerken, dass, obwohl nicht dargestellt, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist, anstatt die Änderungsrate des Einspritzzeitpunkts der Einspritzung der zweiten Stufe auf Null zu setzen, der Einspritzzeitpunkt vorverlegt werden kann, wenn sich die Motordrehzahl erhöht. In diesem Fall kann die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist, niedriger als die sein, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N3 überschreitet.
  • Wie es in der oberen Grafik von 12 dargestellt ist, wird auch ein oberer Grenzwert für den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe bestimmt. Wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe zu früh ist, wird die Strömung in der Brennkammer 17 zum Zündzeitpunkt schwach, was die SI-Verbrennung verlangsamt. Wenn die SI-Verbrennung langsam wird, kann der Selbstzündungszeitpunkt nicht genau gesteuert bzw. geregelt werden, wie oben beschrieben.
  • Daher gibt die ECU 10 ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor 6 aus, um eine gegebene Vorrückgrenze nicht zu überschreiten. Da das Einspritzverhältnis der Einspritzung der zweiten Stufe mit zunehmender Motordrehzahl linear vorgerückt wird, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N4 überschreitet, gibt die ECU 10 das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor 6 aus, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Vorrückgrenze erreicht. Im Ergebnis wird vermieden, dass sich die SI-Verbrennung verlangsamt, und es wird verhindert, dass sich die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Selbstzündzeitpunkts in der SPCCI-Verbrennung verschlechtert.
  • Wenn das SI-Verhältnis auf Grund der hohen Motorlast zunimmt, ist es, da das Verbrennungsgeräusch reduziert ist, nicht erforderlich, den Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe vorzuverlegen, um das SI-Verhältnis zu erhöhen. Daher kann die ECU 10 die Drehzahl N3, bei der der Einspritzzeitpunkt beginnt, vorgerückt zu sein, zu der Seite höherer Drehzahl verschieben, wie durch die strichpunktierte Linie in der Wellenform 121 dargestellt. Auf diese Weise wird der Bereich, wo der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe spät ist, auf die Seite höherer Drehzahl ausgedehnt. Da die SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung scharf wird, wenn die Einspritzung der zweiten Stufe wie oben beschrieben spät erfolgt, verbessert sich die Steuer- bzw. Regelbarkeit des Selbstzündzeitpunkts.
  • Es ist zu beachten, dass anders als bei dem Beispiel der Wellenform 121, wie durch die strichpunktierte Linie in einer Wellenform 122 der unteren Grafik von 12 angegeben, die ECU 10 die Steigung der geraden Linie, welche die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe angibt, sanfter einstellen kann.
  • Obwohl die ECU 10 sowohl das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe als auch den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe gemäß der Änderung der Motordrehzahl ändert, kann die ECU 10 alternativ nur den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe entsprechend der Änderung der Motordrehzahl ändern.
  • (Anpassung SI-Verhältnis)
  • 15 zeigt einen Prozess bezüglich der Betriebssteuerung bzw. -regelung des Motors, der von der ECU 10 ausgeführt wird. Basierend auf den Erfassungssignalen von den Sensoren SW1 bis SW16 bestimmt die ECU 10 den Betriebszustand des Motors 1 und stellt auch die Zustandsfunktion im Inneren der Brennkammer 17, die Einspritzmenge, den Einspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt ein, so dass die Verbrennung in der Brennkammer 17 vom SI-Verhältnis entsprechend dem Betriebszustand ist. Die ECU 10 stellt weiter das SI-Verhältnis ein, wenn bestimmt wird, dass dessen Einstellung benötigt wird, und zwar basierend auf den Erfassungssignalen von den Sensoren.
  • Zuerst liest die ECU bei S1 die Erfassungssignale der Sensoren SW1 bis SW16. Als nächstes bestimmt die ECU 10 bei S2 den Betriebszustand des Motors 1 basierend auf den Erfassungssignalen und stellt das Soll-SI-Verhältnis ein, das wie in 9 oder 14 dargestellt ist.
  • Als Nächstes legt die ECU 10 bei S3 eine Soll-Innenzylinderzustandsfunktion zum Erzielen des festgelegten Soll-SI-Verhältnisses basierend auf einem voreingestellten Verbrennungsmodell fest. Zum Beispiel werden die Solltemperatur, der Solldruck und die Sollzustandsfunktion in der Brennkammer 17 festgelegt. Bei S4 legt die ECU 10 die Öffnung des AGR-Ventils 54, die Öffnung des Drosselventils 43, die Öffnung des Luftumgehungsventils 48, die Öffnung des SCV 56 und die Phasenwinkel der elektrisch betriebenen Einlass-S-VT 23 und der elektrisch betriebenen Auslass-S-VT 24 fest, die zum Erreichen der Soll-Innenzylinderzustandsfunktion erforderlich sind. Die ECU 10 legt die Steuer- bzw. Regelbeträge dieser Vorrichtungen im Voraus basierend auf einem in der ECU 10 gespeicherten Kennfeld fest. Basierend auf den festgelegten Steuer- bzw. Regelbeträgen gibt die ECU 10 Steuer- bzw. Regelsignale an das AGR-Ventil 54, das Drosselventil 43, das Luftumgehungsventil 48, das SCV 56, die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23 und die elektrisch betriebene Auslass-S-VT 24 aus. Wenn jede Vorrichtung basierend auf dem Steuer- bzw. Regelsignal von der ECU 10 arbeitet, wird die Zustandsfunktion in der Brennkammer 17 die Sollzustandsfunktion.
  • Die ECU 10 berechnet ferner einen vorhergesagten Wert und einen geschätzten Wert der Zustandsfunktion in der Brennkammer 17 basierend auf dem festgelegten Steuer- bzw. Regelbetrag jeder Vorrichtung. Der Zustandfunktionsvorhersagewert wird durch Vorhersagen der Zustandsfunktion in der Brennkammer 17 vor dem Schließen des Einlassventils 21 erhalten und wird zum Einstellen der Kraftstoffeinspritzmenge beim dem Einlasstakt verwendet, wie es später beschrieben wird. Der Zustandsfunktionsschätzwert wird durch Schätzen der Zustandsfunktion in der Brennkammer 17 nach dem Schließen des Einlassventil 21 erhalten und wird zum Einstellen der Kraftstoffeinspritzmenge und des Zündzeitpunkts beim Verdichtungstakt verwendet, wie es später beschrieben wird. Der Zustandsfunktionsschätzwert wird auch zum Berechnen eines Zustandsfunktionsfehlers basierend auf einem Vergleich mit einem tatsächlichen Verbrennungszustand verwendet, wie es später beschrieben wird.
  • Bei S5 stellt die ECU 10 die Kraftstoffeinspritzmenge beim Einlasstakt basierend auf dem vorhergesagten Zustandsfunktionswert ein. Man beachte, dass in einem Fall, in dem die Kraftstoffeinspritzung nicht beim Einlasstakt durchgeführt wird, die Kraftstoffeinspritzmenge Null ist. Bei S6 steuert bzw. regelt die ECU 10 die Einspritzung des Injektors 6. Das heißt, die ECU 10 gibt ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor 6 aus, um den Kraftstoff zu einem gegebenen Einspritzzeitpunkt in die Brennkammer 17 einzuspritzen.
  • Bei S7 stellt die ECU 10 die Kraftstoffeinspritzmenge für den Verdichtungstakt basierend auf dem Zustandsfunktionsschätzwert und dem Kraftstoffeinspritzergebnis beim Einlasstakt ein. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, in dem die Kraftstoffeinspritzung beim Verdichtungstakt nicht durchgeführt wird, die Kraftstoffeinspritzmenge Null ist. In dem Fall, in dem die Teileinspritzungen beim Verdichtungstakt durchgeführt werden, werden die Einspritzmenge der Einspritzung der ersten Stufe und die Einspritzmenge der Einspritzung der zweiten Stufe jeweils bzw. entsprechend eingestellt. Bei S8 gibt die ECU 10 ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor 6 aus, um den Kraftstoff in die Brennkammer 17 zu dem Einspritzzeitpunkt basierend auf dem voreingestellten Kennfeld einzuspritzen.
  • Bei S9 stellt die ECU 10 den Zündzeitpunkt basierend auf dem Zustandsfunktionsschätzwert und dem Kraftstoffeinspritzergebnis beim Verdichtungstakt ein. Bei S10 gibt die ECU 10 ein Steuer- bzw. Regelsignal an die Zündkerze 25 aus, um das Gasgemisch in die Brennkammer 17 zu dem festgelegten Zündzeitpunkt zu zünden.
  • Die SI-Verbrennung oder SPCCI-Verbrennung wird in der Brennkammer 17 durchgeführt, indem die Zündkerze 25 das Gasgemisch entzündet. Bei S11 liest die ECU 10 eine Druckänderung in der Brennkammer 17, die durch den Drucksensor SW6 erfasst wird, und bestimmt basierend auf dieser Änderung den Verbrennungszustand des Gasgemischs in der Brennkammer 17. Bei S12 vergleicht die ECU 10 ferner das Erfassungsergebnis des Verbrennungszustands mit dem Zustandsfunktionsschätzwert, der bei S4 geschätzt wird, um eine Differenz (einen Fehler) zwischen dem Zustandsfunktionsschätzwert und der tatsächlichen Zustandsfunktion zu berechnen. Der berechnete Fehler wird bei der Schätzung bei S4 im nächsten Zyklus und/oder seinen nachfolgenden Zyklen verwendet. Die ECU 10 passt die Öffnungen des Drosselventils 43, des AGR-Ventils 54, des SCV 56 und/oder des Luftumgehungsventils 48 und die Phasenwinkel der elektrisch betriebenen Einlass-S-VT 23 und der elektrisch betriebenen Auslass-S-VT 24 an. Somit werden die Einleitungsmengen von Frischluft und AGR-Gasmenge in die Brennkammer 17 angepasst. Die Rückkopplung des Zustandsfunktionsfehlers ist äquivalent zum Anpassen des SI-Verhältnisses, wenn die ECU 10 basierend auf dem Fehler zwischen dem Soll-SI-Verhältnis und dem tatsächlichen SI-Verhältnis (Fehler) bestimmt, dass die Anpassung des SI-Verhältnisses erforderlich ist.
  • Wenn bei S8 die Temperatur in der Brennkammer 17 basierend auf dem Zustandsfunktionsschätzwert als niedriger als die Solltemperatur geschätzt wird, rückt die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt beim Verdichtungstakt vor, als der Einspritzzeitpunkt, der auf dem Kennfeld basiert, so dass der Zündzeitpunkt vorrückt. Wenn andererseits die Temperatur in der Brennkammer 17 basierend auf dem Zustandsfunktionsschätzwert bei S8 als höher als die Solltemperatur geschätzt wird, verzögert die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt beim Verdichtungstakt, um mehr verzögert zu sein als der Einspritzzeitpunkt, der auf dem Kennfeld basiert.
  • Wenn also die Temperatur in der Brennkammer 17 niedrig ist, wird, wie durch P2 von 16 angezeigt, der Zeitpunkt θCI, bei dem sich das unverbrannte Gasgemisch nach der SI-Verbrennung selbst entzündet, durch die Funkenzündungsverzögerungen gestartet und das SI-Verhältnis verschiebt sich vom Soll-SI-Verhältnis (siehe P1). In diesem Fall erhöht sich der unverbrannte Kraftstoff und die Abgasleistung verschlechtert sich.
  • Wenn die Temperatur in der Brennkammer 17 als niedriger als die Solltemperatur geschätzt wird, rückt daher die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt sowie den Zündzeitpunkt θIG bei S10 von 15 vor. Wie durch P3 in 16 angegeben, da der Start der SI-Verbrennung vorgerückt ist, tritt eine ausreichende Wärmeerzeugung durch die SI-Verbrennung auf und daher wird verhindert, dass der Zeitpunkt θCI der Selbstzündung des unverbrannten Gasgemischs sich verlangsamt, wenn die Temperatur in der Brennkammer 17 niedrig ist. Infolgedessen nähert sich das SI-Verhältnis dem Soll-SI-Verhältnis. Die Zunahme des unverbrannten Kraftstoffs und die Verschlechterung der Abgasleistung werden verhindert.
  • Wenn die Temperatur in der Brennkammer 17 hoch ist, wie durch P4 in 16 angezeigt, entzündet sich das unverbrannte Gasgemisch unmittelbar nach Beginn der SI-Verbrennung durch die Funkenzündung, und das SI-Verhältnis verschiebt sich vom dem Soll-SI-Verhältnis (siehe P1). In diesem Fall erhöht sich das Verbrennungsgeräusch.
  • Wenn daher die Temperatur in der Brennkammer 17 so geschätzt wird, dass sie die Solltemperatur übersteigt, verzögert die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt sowie den Zündzeitpunkt θIG bei S10 von 15. Wie durch P5 in 16 angegeben, da der Start der SI-Verbrennung verzögert ist, wird verhindert, dass der Zeitpunkt θC1 der Selbstzündung des unverbrannten Gasgemischs vorrückt, wenn die Temperatur in der Brennkammer 17 hoch ist. Infolgedessen nähert sich das SI-Verhältnis dem Soll-SI-Verhältnis. Die Zunahme des Verbrennungsgeräuschs wird vermieden.
  • Die Anpassungen des Einspritzzeitpunkts und des Zündzeitpunkts sind äquivalent zum Anpassen des SI-Verhältnisses, wenn die ECU 10 bestimmt, dass das SI-Verhältnis in der SPCCI-Verbrennung angepasst werden muss. Durch Anpassen des Einspritzzeitpunkts wird ein geeignetes Gasgemisch in der Brennkammer 17 zu dem vorgezogenen oder verzögerten Zündzeitpunkt gebildet. Die Zündkerze 25 zündet zuverlässig das Gasgemisch, und das unverbrannte Gasgemisch entzündet sich zu einem geeigneten Zeitpunkt selbst.
  • Man beachte, dass die Anpassung der Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17 durch Steuern bzw. Regeln des Drosselventils 43, des AGR-Ventils 54, des Luftumgehungsventils 48, der elektrisch betriebenen Einlass-S-VT 23, der elektrisch betriebenen Auslass-S-VT 24 und des SCV 56 basierend auf dem tatsächlichen Verbrennungszustand von 16 wie bei S12 und S4 von 15 beschrieben erfolgt.
  • Der Motor 1 passt das SI-Verhältnis durch die Zustandsfunktionseinstellvorrichtungen an, die das Drosselventil 43, das AGR-Ventil 54, das Luftumgehungsventil 48, die elektrisch betriebene Einlass-S-VT 23, die elektrisch betriebene Auslass S-VT 24 und das SCV 56 umfassen. Das SI-Verhältnis kann grob eingestellt werden, indem die Zustandsfunktion innerhalb der Brennkammer 17 angepasst wird. Gleichzeitig passt der Motor 1 das SI-Verhältnis an, indem der Einspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt des Kraftstoffs angepasst werden. Durch Anpassen des Einspritzzeitpunkts und des Zündzeitpunkts kann beispielsweise die Differenz zwischen den Zylindern korrigiert werden und der Selbstzündzeitpunkt wird fein eingestellt. Durch Anpassen des SI-Verhältnisses in zwei Stufen erreicht der Motor 1 genau die Soll-SPCCI-Verbrennung entsprechend dem Betriebszustand.
  • (Zweites Konfigurationsbeispiel des Betriebsbereichskennfelds des Motors)
  • 7B zeigt ein zweites Konfigurationsbeispiel des Betriebsbereichskennfelds des Motors 1. Das Betriebsbereichskennfeld 701 ist in die folgenden drei Bereiche hinsichtlich der Motorlast unterteilt.
    1. (A): einen Niedriglastbereich einschließlich des Leerlaufbetriebs
    2. (B): einen Mittellastbereich zwischen dem Niedriglastbereich (A) und dem folgenden Hochlastbereich (C)
    3. (C): einen Hochlastbereich einschließlich der vollen Motorlast
  • Der Niedriglastbereich (A) des Betriebsbereichskennfelds 701 entspricht dem Niedriglastbereich (A) des Betriebsbereichskennfelds 700 von 7A, der Mittellastbereich (B) des Betriebsbereichskennfelds 701 entspricht dem Mittellastbereich (B) des Betriebsbereichskennfelds 700 von 7A, und der Hochlastbereich (C) des Betriebsbereichskennfelds 701 entspricht dem Hochlastbereich (C) des Betriebsbereichskennfelds 700 von 7A. Der Mittellastbereich (B) ist in Motorlastrichtung in ein erstes Mittellastsegment (B1) und ein zweites Mittellastsegment (B2) unterteilt und der Hochlastbereich (C) ist in Motordrehrichtung in ein erstes Hochlastsegment (C1) und ein zweites Hochlastsegment (C2) unterteilt.
  • Auf dem Betriebsbereichskennfeld 701 von 7B ist kein Hochdrehzahlbereich (D) des Betriebsbereichskennfelds 700 vorgesehen, und der Niedriglastbereich (A), der Mittellastbereich (B) und der Hochlastbereich (C) sind jeweils auf die höchste Drehzahl N2 ausgedehnt. Es sei angemerkt, dass eine Drehzahl N1 von 7B der Drehzahl N1 von 7A in Bezug auf die niedrigste Motordrehzahl zum Ausführen der SPCCI-Verbrennung entspricht und die Drehzahl N2 von 7B der Drehzahl N2 von 7A entspricht in Bezug auf die höchste Motordrehzahl zum Durchführen der SPCCI-Verbrennung entspricht.
  • Auch auf dem Betriebsbereichskennfeld 701 von 7B wird die Steuerung bzw. Regelung in der Motorlastrichtung durchgeführt, wie es in Bezug auf 9 und 10 beschrieben wird, und innerhalb des Mittellastbereichs (B), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, kann das SI-Verhältnis in der SPCCI-Verbrennung geändert werden, indem das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe und/oder der Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe in der Motordrehzahlrichtung geändert wird, wie unter Bezugnahme auf die 11 bis 14 beschrieben.
  • Das heißt, auf dem Betriebsbereichskennfeld 701, verglichen mit dem oben beschriebenen Betriebsbereichskennfeld 700, ist jeder des Niedriglastbereichs (A), des Mittellastbereichs (B) und des Hochlastbereichs (C) in Motordrehrichtung ausgedehnt.
  • Bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 701 anwendet, insbesondere um den Mittellastbereich (B) auszudehnen, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, wird der Drallstrom, der stärker ist als eine gegebene Stärke, in der Brennkammer 17 erzeugt.
  • Zum Beispiel passt die ECU 10 die Öffnung des SCV 56 nach Bedarf an. Wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Mittellastbereichs (B) liegt, wird das SCV 56 so angepasst, dass es vollständig geschlossen ist oder eine gegebene schmale Öffnung aufweist. Im Ergebnis wird eine Drallströmung mit der gegebenen Stärke in der Brennkammer 17 gebildet. Zum Zeitpunkt des Erreichens der Zündung ab dem Einlasstakt kann das Drallverhältnis 4 oder höher sein. Darüber hinaus kann das Drallverhältnis unter 4, beispielsweise in einem Bereich von etwa 1,5 bis etwa 3 eingestellt werden.
  • Auch bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 701 verwendet, wird das SI-Verhältnis vorzugsweise ähnlich dem Motor 1 angepasst, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet. Das heißt, wie in 14 dargestellt, innerhalb des zweiten Mittellastsegments (B2), in dem das Boosten nicht durchgeführt wird, wird das SI-Verhältnis mit zunehmender Motordrehzahl linear erhöht. Infolgedessen wird auch innerhalb des Hochdrehzahlbereichs die SPCCI-Verbrennung auf stabile Weise durchgeführt, während NVH, das ein Problem werden kann, unter dem zulässigen Wert gehalten wird.
  • Ferner wird bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 701 verwendet, das SI-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl durch das erste bis vierte Verfahren erhöht, ähnlich zu dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet.
  • (Drittes Konfigurationsbeispiel des Betriebsbereichskennfelds des Motors)
  • 7C zeigt ein weiteres Konfigurationsbeispiel des Betriebsbereichskennfelds des Motors 1 in einem aufgewärmten Zustand des Motors. Das Betriebsbereichskennfeld 702 des Motors 1 ist in die folgenden fünf Bereiche hinsichtlich der Motorlast und der Motordrehzahl unterteilt.
    • (1)-1: einen Niedriglastbereich, der den Leerlaufbetrieb umfasst und sich in niedrigen und mittleren Motordrehzahlbereichen erstreckt
    • (1)-2: einen Mittellastbereich, in dem die Motorlast höher ist als der Niedriglastbereich und der sich in den niedrigen und mittleren Motordrehzahlbereichen erstreckt
    • (2): einen Hochlast-Mitteldrehzahlbereich, in dem die Motorlast höher ist als der Mittellastbereich und der sich im Hochlastbereich einschließlich bzw. enthaltend die volle Motorlast befindet
    • (3): einen Hochlast-Niedrigdrehzahlbereich, der sich in dem Hochlastbereich befindet und in dem die Motordrehzahl niedriger ist als der Hochlast-Mitteldrehzahlbereich
    • (4): einen Hochdrehzahlbereich, in dem die Motordrehzahl höher ist als der Niedriglastbereich, der Mittellastbereich, der Hochlast-Mitteldrehzahlbereich und der Hochlast-Niedrigdrehzahlbereich
  • Dabei können der Niedrigdrehzahlbereich, der Mitteldrehzahlbereich und der Hochdrehzahlbereich durch im Wesentlichen gleichmäßiges Teilen, in der Motordrehzahlrichtung, des gesamten Betriebsbereichs des Motors 1 in drei Bereiche definiert werden, den Niedrigdrehzahlbereich, den Mitteldrehzahlbereich und den Hochdrehzahlbereich. Auf dem Betriebsbereichskennfeld 702 ist die Motordrehzahl, die niedriger als die Drehzahl N5 ist, als niedrig definiert, die Motordrehzahl, die höher als eine Drehzahl N2 ist, ist als hoch definiert, und die Motordrehzahl zwischen den Motordrehzahlen N5 und N2 ist als mittel definiert.
  • In dem Beispiel von 7C ist die Motordrehzahl, die niedriger als eine Drehzahl N5 ist, als niedrig definiert, die Motordrehzahl, die höher als eine Drehzahl N2 ist, ist als hoch definiert, und die Motordrehzahl zwischen den Motordrehzahlen N5 und N2 ist als mittel definiert. Zum Beispiel kann die Drehzahl N5 etwa 1,200 U/min betragen und die Drehzahl N2 kann etwa 4,000 U/min betragen. Alternativ kann die Drehzahl N1 etwa 1200 U/min betragen und die Drehzahl N2 kann etwa 4000 U/min betragen. Es ist zu beachten, dass die Drehzahl N1 und die Drehzahl N2 zwischen dem Betriebsbereichskennfeld 700 und dem Betriebsbereichskennfeld 702 gleich oder verschieden sein können. Es sei angemerkt, dass die Drehzahl N2 von 7C der Drehzahl N2 von 7A und 7B hinsichtlich der höchsten Motordrehzahl zum Ausführen der SPCCI-Verbrennung entspricht. Ferner gibt die Zweipunkt-Strichlinie von 7C die Straßenlastlinie des Motors 1 an.
  • Auf dem Betriebsbereichskennfeld 702, hauptsächlich zum Verbessern der Kraftstoffeffizienz und der Abgasleistung, führt der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1, des Mittellastbereichs (1)-2 und des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) durch. Das Betriebsbereichskennfeld 702 unterscheidet sich von dem Betriebsbereichskennfeld 701 darin, dass die SPCCI-Verbrennung auch dann durchgeführt wird, wenn der Motor 1 bei einer niedrigen Last arbeitet und wenn der Motor 1 bei einer hohen Last arbeitet. Ferner führt der Motor 1 die Verbrennung durch Funkenzündung innerhalb der anderen Bereiche durch, insbesondere des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) und des Hochdrehzahlbereichs (4). Nachstehend wird der Betrieb des Motors 1 innerhalb jedes Bereichs im Detail unter Bezugnahme auf den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt beschrieben, die in 17 dargestellt sind.
  • Dabei wird in dem dritten Konfigurationsbeispiel das geometrische Verdichtungsverhältnis der Motor 1 relativ niedrig eingestellt. Das Verringern des geometrischen Verdichtungsverhältnisses ist vorteilhaft, um einen Kühlverlust und einen mechanischen Verlust zu reduzieren. Zum Beispiel kann das geometrische Verdichtungsverhältnis auf etwa 14:1 bis etwa 17:1 bei regulären Spezifikationen (die Oktanzahl des Kraftstoffs ist etwa 91) und auf etwa 15:1 bis etwa 18:1 bei Hochoktanspezifikationen (die Oktanzahl des Kraftstoffs beträgt etwa 96) eingestellt werden.
  • Während das geometrische Verdichtungsverhältnis verringert wird, um die Temperatur innerhalb der Brennkammer 17 in einem bestimmten Ausmaß zu erhöhen, wenn der Kolben 3 CTDC erreicht, wird in dem dritten Konfigurationsbeispiel das effektive Verdichtungsverhältnis erhöht. Das heißt, der Schließzeitpunkt des Einlassventils 21 wird vorverlegt, um sich BDC des Einlasstakts zu nähern. Selbst wenn das interne AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet werden soll, indem die negative Überlappungsperiode vorgesehen wird, in der sowohl das Einlassventil 21 als auch das Auslassventil 22 wie oben beschrieben geschlossen sind, kann, da die offene Periode des Einlassventils 21 auf die Vorrückseite eingestellt werden muss, um das effektive Verdichtungsverhältnis zu erhöhen, die Einleitungsmenge des internen AGR-Gases nicht erhöht werden. Daher wird in dem dritten Konfigurationsbeispiel das interne AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet, indem die positive Überlappungsperiode vorgesehen wird, in der die Einlass- und Auslassventile 21 und 22 beide geöffnet sind. Somit werden sowohl das Erhöhen des effektiven Verdichtungsverhältnisses als auch das Einleiten des internen AGR-Gases in die Brennkammer 17 erreicht.
  • Auf dem Betriebsbereichskennfeld 702, hauptsächlich zum Verbessern der Kraftstoffeffizienz und der Abgasleistung, führt der Motor 1 eine Verbrennung durch Kompressionsselbstzündung (d.h. SPCCI-Verbrennung) innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1, des Mittellastbereichs (1)-2 und des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) durch. Das Betriebsbereichskennfeld 702 unterscheidet sich von dem Betriebsbereichskennfeld 700 oder 701 darin, dass die SPCCI-Verbrennung auch dann durchgeführt wird, wenn der Motor 1 bei einer niedrigen Last arbeitet und wenn der Motor 1 bei einer hohen Last arbeitet. Ferner führt der Motor 1 die Verbrennung durch Funkenzündung innerhalb der anderen Bereiche durch, insbesondere des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) und des Hochdrehzahlbereichs (4).
  • In dem dritten Konfigurationsbeispiel wird eine Drallströmung in der Brennkammer 17 gebildet, indem die Öffnung des SCV 56 auf die bzw. zu der Schließseite zumindest innerhalb des Bereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, eingestellt wird.
  • Gemäß der Studie der Erfinder der vorliegenden Erfindung wird durch Erzeugen der Drallströmung in der Brennkammer 17 das Restgas (d.h. das verbrannte Gas), das sich in dem Hohlraum 31 an der oberen Fläche des Kolbens 3 angesammelt hat, aus dem Hohlraum herausgeführt. Wenn der Kraftstoff im Wesentlichen gleichmäßig in der Brennkammer 17 verteilt wird, wird das G/F des Gasgemischs in der Nähe der Zündkerze 25 relativ abgesenkt, da sich in dem Hohlraum 31 kein Restgas befindet, und das G/F des Gasgemischs, das sich von der Zündkerze 25 entfernt befindet, wird relativ erhöht, da es das Restgas enthält. Das G/F des Gasgemischs in der Brennkammer 17 kann geschichtet bzw. stratifiziert sein.
  • Die SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung ist die Verbrennung des durch die Zündkerze 25 entzündeten Gasgemischs. Das Gasgemisch nahe der Zündkerze 25 verbrennt hauptsächlich in der SI-Verbrennung. Andererseits ist die CI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung die Verbrennung, die durch Selbstzündung des unverbrannten Gemisches nach Beginn der SI-Verbrennung bewirkt wird. Das von der Zündkerze 25 entfernte Gasgemisch verbrennt hauptsächlich in der CI-Verbrennung.
  • Wenn das G/F in der Brennkammer 17 geschichtet ist, überschreitet der obere Grenzwert des Gesamt-G/F in der gesamten Brennkammer 17 zum Stabilisieren der SPCCI-Verbrennung den oben beschriebenen Bereich von etwa 18 bis etwa 30. Gemäß der Studie der Erfinder der vorliegenden Erfindung kann die SPCCI-Verbrennung stabilisiert werden, wenn der Gesamt-G/F-Bereich von etwa 18 bis etwa 50 reicht. Dabei liegt der Bereich von G/F des Gasgemischs in der Nähe der Zündkerze 25 bei etwa 14:1 bis etwa 22:1. Die Stratifizierung bzw. Schichtung des G/F des Gasgemischs in der Brennkammer 17 verdünnt das Gasgemisch weiter, während es die SPCCI-Verbrennung stabilisiert, was zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz des Motors vorteilhaft ist.
  • Nachstehend wird der Betrieb des Motors 1 innerhalb jedes Bereichs des Betriebsbereichskennfelds 702 im Detail unter Bezugnahme auf den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt beschrieben, die in 17 dargestellt sind. Es sei angemerkt, dass die Bezugszeichen 601, 602, 603, 604, 605 und 606 von 17 dem Betriebszustand des Motors 1 entsprechen, der durch die Bezugszeichen 601, 602, 603, 604, 605 und 606 auf dem Betriebsbereichskennfeld 702 von 7C angegeben ist.
  • (Niedriglastbereich (1)-1)
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, führt der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung durch.
  • Das Bezugszeichen 601 von 17 zeigt ein Beispiel der Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (Bezugszeichen 6011 und 6012) und des Zündzeitpunkts (Bezugszeichen 6013) und eine Verbrennungswellenform (d.h. eine Wellenform, die eine Änderung der Wärmeerzeugungsrate in Bezug auf den Kurbelwinkel angibt; das Bezugszeichen 6014), wenn der Motor 1 in dem Betriebszustand des Bezugszeichens 601 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 des Motors 1 arbeitet.
  • Um die Kraftstoffeffizienz des Motors 1 zu verbessern, leitet das AGR-System 55 das AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein, wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet. Zum Beispiel wird durch Vorsehen der positiven Überlappungsperiode, in der das Einlassventil 21 und das Auslassventil 22 beide nahe dem TDC des Auslasstakts geöffnet sind, ein Teil des Abgases, das aus der Brennkammer 17 zu der Einlassöffnung 18 und der Auslassöffnung 19 ausgestoßen wird, wieder in die Brennkammer 17 eingeleitet. Da in diesem Fall heißes verbranntes Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet wird, steigt die Temperatur in der Brennkammer 17 an, was vorteilhaft ist, um die SPCCI-Verbrennung zu stabilisieren.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, wird die Drallströmung in der Brennkammer 17 gebildet (siehe 23B). Das Drallverhältnis, wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, beträgt etwa 2 und wird innerhalb eines Bereichs von unter 4, beispielsweise innerhalb des Bereichs von 1,5 bis 3 eingestellt. Man beachte, dass eine starke Drallströmung gebildet werden kann, indem das Drallverhältnis auf 4 oder höher eingestellt wird. Die Drallströmung ist in einem Außenumfangsabschnitt der Brennkammer 17 stark und in einem mittleren Abschnitt schwach. Das SCV 56 ist im Wesentlichen vollständig geschlossen oder hat eine gegebene schmale Öffnung. Wie oben beschrieben, wird, da die Einlassöffnung 18 eine Tumble-Öffnung ist, eine schräge Drallströmung mit einer Tumble-Komponente und einer Drallkomponente in der Brennkammer 17 gebildet.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, ist das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs magerer als das theoretische Luftkraftstoffverhältnis in der gesamten Brennkammer 17. Das heißt, das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs übersteigt 1 in der gesamten Brennkammer 17. Insbesondere beträgt das A/F des Gasgemischs in der gesamten Brennkammer 17 etwa 30:1 oder höher. Auf diese Weise wird die Entstehung von Roh-NOx reduziert und die Abgasleistung wird verbessert.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, ist das Gasgemisch zwischen dem mittleren Abschnitt und dem Außenumfangsabschnitt der Brennkammer 17 geschichtet. Der mittlere Abschnitt der Brennkammer 17 ist der Abschnitt, wo die Zündkerze 25 angeordnet ist, und der Außenumfangsabschnitt ist der Abschnitt um den mittleren Abschnitt herum und in Kontakt mit einer Auskleidung des Zylinders 11. Der mittlere Abschnitt der Brennkammer 17 kann als ein Abschnitt definiert sein, wo die Drallströmung schwach ist, und der Außenumfangsabschnitt kann als ein Abschnitt definiert sein, wo die Drallströmung stark ist.
  • Die Kraftstoffkonzentration des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt ist höher als diejenige in dem Außenumfangsabschnitt. Zum Beispiel liegt das A/F des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt zwischen etwa 20:1 und etwa 30:1, und das A/F des Gasgemischs in dem Außenumfangsabschnitt beträgt etwa 35:1 oder höher.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, spritzt der Injektor 6 grundsätzlich den Kraftstoff in die Brennkammer 17 ein, indem er ihn in eine Mehrzahl von Einspritzungen beim Verdichtungstakt aufteilt. Das Gasgemisch wird in dem mittleren Abschnitt und dem Außenumfangsabschnitt der Brennkammer 17 durch die geteilten Einspritzungen des Kraftstoffs und die starke Drallströmung in der Brennkammer 17 geschichtet.
  • Nachdem die Kraftstoffeinspritzung beendet ist, zündet die Zündkerze 25 das Gasgemisch in dem mittleren Abschnitt der Brennkammer 17 zu dem gegebenen Zeitpunkt vor dem CTDC (siehe das Bezugszeichen 6013). Da die Brennstoffkonzentration des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt relativ hoch ist, verbessert sich die Zündfähigkeit und die SI-Verbrennung durch die Flammenausbreitung stabilisiert sich. Durch Stabilisieren der SI-Verbrennung beginnt die CI-Verbrennung zu dem geeigneten Zeitpunkt. Die Steuer- bzw. Regelbarkeit der CI-Verbrennung verbessert sich bei der SPCCI-Verbrennung. Wenn der Motor 1 innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 arbeitet, werden sowohl die Verringerung der Erzeugung von Verbrennungsgeräuschen als auch die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz durch Verkürzung der Brenndauer erreicht.
  • Da der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung durchführt, indem das Gasgemisch wie oben beschrieben innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1 magerer gemacht wird als das theoretische Luftkraftstoffverhältnis, kann der Niedriglastbereich (1)-1 als „SPCCI Magerer-Bereich“ bezeichnet werden.
  • (Mittellastbereich (1)-2)
  • Auch wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 arbeitet, führt der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung ähnlich dem Niedriglastbereich (1)-1 durch. Der Mittellastbereich (1)-2 entspricht dem Mittellastbereich (B) auf dem Betriebsbereichskennfeld 700 oder 701.
  • Das Bezugszeichen 602 von 17 zeigt ein Beispiel für die Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (Bezugszeichen 6021 und 6022) und den Zündzeitpunkt (Bezugszeichen 6023) und eine Verbrennungswellenform (Bezugszeichen 6024), wenn der Motor 1 in dem Betriebszustand des Bezugszeichens 602 innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 des Motors 1 arbeitet.
  • Das AGR-System 55 leitet das AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 ist. Zum Beispiel wird das interne AGR-Gas gemäß der Einstellung der positiven Überlappungsdauer eingeleitet. Insbesondere wird, ähnlich wie bei dem Niedriglastbereich (1)-1, durch Vorsehen der positiven Überlappungsperiode, in der das Einlassventil 21 und das Auslassventil 22 beide nahe dem TDC des Auslasstakts geöffnet sind, ein Teil des Abgas, das aus der Brennkammer 17 zu der Einlassöffnung 18 und der Auslassöffnung 19 ausgestoßen wird, wieder in die Brennkammer 17 eingeleitet. Das heißt, das interne AGR-Gas wird in die Brennkammer 17 eingeleitet. Ferner wird innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 das durch den AGR-Kühler 53 gekühlte Abgas durch den AGR-Trakt 52 in die Brennkammer 17 eingeleitet. Das heißt, das externe AGR-Gas mit einer niedrigeren Temperatur als das interne AGR-Gas wird in die Brennkammer 17 eingeleitet. Innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 wird das interne AGR-Gas und/oder das externe AGR-Gas in die Brennkammer 17 eingeleitet, um die Temperatur in der Brennkammer 17 auf eine geeignete Temperatur einzustellen.
  • Auch wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 arbeitet, wird ähnlich zu dem Niedriglastbereich (1)-1 eine Drallströmung mit einer gegebenen Stärke, bei der das Drallverhältnis etwa 2 beträgt, in der Brennkammer 17 gebildet. Das SCV 56 ist nicht vollständig geschlossen, sondern hat eine gegebene schmale Öffnung. Durch Bilden der Drallströmung wird das in dem Hohlraum 31 angesammelte Restgas aus dem Hohlraum 31 herausgeführt. Im Ergebnis kann das G/F des Gasgemischs in dem SI-Abschnitt nahe der Zündkerze 25 von bzw. gegenüber dem G/F des Gasgemischs in dem CI-Abschnitt um den SI-Abschnitt herum variiert werden bzw. sein. Daher wird die SPCCI-Verbrennung stabilisiert, indem das Gesamt-G/F in der gesamten Brennkammer 17 auf zwischen 18 und 50 eingestellt wird, wie oben beschrieben.
  • Da die kinetische Turbulenzenergie in der Brennkammer 17 durch Bilden der Drallströmung zunimmt, wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 arbeitet, breitet sich die Flamme der SI-Verbrennung unmittelbar aus und die SI-Verbrennung wird stabilisiert. Die Steuer- bzw. Regelbarkeit der CI-Verbrennung verbessert sich durch Stabilisierung der SI-Verbrennung. Indem der Zeitpunkt der Cl-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung geeignet gemacht wird, wird die Entstehung von Verbrennungsgeräusch reduziert und die Kraftstoffeffizienz wird verbessert. Ferner wird die Drehmomentänderung zwischen den Zyklen reduziert.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereich (1)-2 arbeitet, ist das L Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs im Wesentlichen auf dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis (A/F = etwa 14,7:1) in der gesamten Brennkammer 17. Der Dreiwegekatalysator reinigt das aus der Brennkammer 17 ausgestoßene Abgas. Somit wird die Abgasleistung des Motors 1 gut. Das A/F des Gasgemischs kann so eingestellt werden, dass es innerhalb des Reinigungsfensters des Dreiwegekatalysators bleibt. Daher kann das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 eingestellt werden.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Mittellastbereichs (1)-2 arbeitet, führt der Injektor 6 die Kraftstoffeinspritzung beim Einlasstakt (Bezugszeichen 6021) und die Kraftstoffeinspritzung beim Verdichtungstakt (Bezugszeichen 6022) durch. Durch Durchführen der ersten Einspritzung 6021 beim Einlasstakt wird der Kraftstoff im Wesentlichen gleichmäßig in der Brennkammer 17 verteilt. Durch Durchführen der zweiten Einspritzung 6022 beim Verdichtungstakt wird die Temperatur in der Brennkammer 17 durch die latente Verdampfungswärme des Kraftstoffs verringert. Das Gasgemisch, das den in der ersten Einspritzung 6021 eingespritzten Kraftstoff enthält, wird daran gehindert, eine Früh- bzw. Vorzündung zu verursachen. Man beachte, dass innerhalb des Mittellastbereichs(1)-2, insbesondere in dem Betriebszustand, in dem die Motorlast niedrig ist, die zweite Einspritzung 6022 weggelassen werden kann.
  • Wenn der Injektor 6 die erste Einspritzung 6021 beim Einlasstakt durchführt und die zweite Einspritzung 6022 beim Verdichtungstakt durchführt, wird das Gasgemisch mit dem Luftüberschussverhältnis λ von 1,0 ± 0,2 insgesamt in der Brennkammer 17 gebildet. Da die Kraftstoffkonzentration des Gasgemischs im Wesentlichen homogen ist, wird die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz durch Verringern des Verlusts von unverbranntem Kraftstoff und die Verbesserung der Abgasleistung durch Vermeidung der Raucherzeugung erzielt. Das Luftüberschussverhältnis λ beträgt vorzugsweise 1,0 bis 1,2. Ferner beträgt das Gesamt-G/F in der gesamten Brennkammer 17 etwa 18 bis etwa 50, und das G/F des SI-Abschnitts nahe der Zündkerze 25 beträgt etwa 14 bis etwa 22.
  • Indem die Zündkerze 25 das Gasgemisch zu dem gegebenen Zeitpunkt vor dem CTDC (Bezugszeichen 6023) zündet, verbrennt das Gasgemisch durch Flammenausbreitung. Nachdem die Verbrennung durch Flammenausbreitung begonnen hat, entzündet sich das unverbrannte Gasgemisch zum Sollzeitpunkt selbst und bewirkt die CI-Verbrennung. Der bei der Einspritzung der zweiten Stufe eingespritzte Kraftstoff bewirkt hauptsächlich die SI-Verbrennung. Der bei der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff bewirkt hauptsächlich die Cl-Verbrennung. Indem das Gesamt-G/F in der gesamten Brennkammer 17 zwischen 18 und 50 und das G/F des SI-Abschnitts nahe der Zündkerze 25 zwischen 14 und 22 liegt, wird die SPCCI-Verbrennung stabilisiert.
  • Daher kann, innerhalb des Mittellastbereichs (1) 2, da der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung durch Einstellen des Gasgemischs auf das theoretische Luftkraftstoffverhältnis durchführt, der Mittellastbereichs (1)-2, als „SPCCI A=1 Bereich“ bezeichnet werden.
  • Dabei ist auf dem Betriebsbereichskennfeld 702 ein Bereich, in dem der Booster 44 ausgeschaltet ist (siehe S/C AUS), ein Teil des Niedriglastbereichs (1)-1 und ein Teil des Mittellastbereichs (1)-2. Im Detail wird der Booster 44 innerhalb des Niedrigdrehzahlsegments des Niedriglastbereichs (1)-1 ausgeschaltet. Innerhalb eines Hochdrehzahlsegments des Niedriglastbereichs (1)-1 wird der Booster 44 eingeschaltet, um den Boosting-Druck zu erhöhen, um eine erforderliche Einlassladungsmenge entsprechend der Motordrehzahl sicherzustellen, die hoch ist. Ferner ist der Booster 44 innerhalb eines Niedriglast-Niedrigdrehzahlsegments des Mittellastbereichs (1)-2 ausgeschaltet. Innerhalb eines Hochlastsegments des Mittellastbereichs (1)-2 wird der Booster 44 eingeschaltet, um die erforderliche Einlassladungsmenge entsprechend der Motordrehzahl sicherzustellen, die hoch ist. Innerhalb eines Hochdrehzahlsegments des Mittellastbereichs (1)-2 wird der Booster 44 eingeschaltet, um die erforderliche Einlasslademenge entsprechend der Motordrehzahl sicherzustellen, die hoch ist.
  • Es sei angemerkt, dass innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2), des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) und des Hochdrehzahlbereichs (4) der Booster 44 über die Bereiche hinweg eingeschaltet ist.
  • (Hochlast-Mitteldrehzahlbereich (2))
  • Auch wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet, führt der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung ähnlich dem Niedriglastbereich (1)-1 und dem Mittellastbereich (1)-2 aus.
  • Das Bezugszeichen 603 von 17 zeigt ein Beispiel für die Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (Bezugszeichen 6031 und 6032) und den Zündzeitpunkt (Bezugszeichen 6033) und eine Verbrennungswellenform (Bezugszeichen 6034), wenn der Motor 1 in dem Betriebszustand des Bezugszeichens 603 innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) des Motors 1 arbeitet. Ferner zeigt das Bezugszeichen 604 von 17 ein Beispiel der Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (Bezugszeichen 6041) und des Zündzeitpunkts (Bezugszeichen 6042) und eine Verbrennungswellenform (Bezugszeichen 6043), wenn die Motordrehzahl höher als in dem Betriebszustand des Bezugszeichens 603 ist.
  • Das AGR-System 55 leitet das AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) liegt. Der Motor 1 reduziert die AGR-Gasmenge, wenn die Motorlast ansteigt. Bei der vollen Motorlast kann das AGR-Gas auf etwa Null eingestellt werden.
  • Auch wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) ähnlich dem Niedriglastbereich (1)-1 arbeitet, wird eine Drallströmung in der Brennkammer 17 gebildet. Die Drallströmung kann beispielsweise eine starke Drallströmung bei bzw. mit einem Drallverhältnis von 4 oder höher sein. Das SCV 56 ist im Wesentlichen vollständig geschlossen oder hat eine gegebene schmale Öffnung.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet, ist das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs auf dem oder fetter als das theoretische Luftkraftstoffverhältnis in der gesamten Brennkammer 17 (d.h. das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs ist λ <= 1).
  • Wenn der Motor 1 auf der Niedrigdrehzahlseite des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet, spritzt der Injektor 6 den Kraftstoff beim Einlasstakt (Bezugszeichen 6031) ein und spritzt den Kraftstoff in einer Endstufe des Verdichtungstakts (Bezugszeichen 6032) ein. Die Endstufe des Verdichtungstakts kann definiert werden, indem der Verdichtungstakt gleichmäßig in drei Stufen unterteilt wird, eine Anfangsstufe, eine Zwischenstufe und die Endstufe.
  • Die Einspritzung der ersten Stufe 6031, die beim Einlasstakt beginnt, kann die Kraftstoffeinspritzung in einer frühen Hälfte des Einlasstakts starten. Die frühe Hälfte des Einlasstakts kann durch gleichmäßiges Teilen des Einlasstakts in zwei Teile, die erste Hälfte und die zweite Hälfte, definiert werden. Zum Beispiel kann die Einspritzung der ersten Stufe die Kraftstoffeinspritzung bei etwa 280°CA vor TDC beginnen.
  • Wenn die Einspritzung der Einspritzung 6031 der ersten Stufe in der frühen Hälfte des Einlasstakts gestartet wird, trifft der Kraftstoffstrahl, obwohl nicht dargestellt, auf eine Öffnungskante des Hohlraums 31, so dass ein Teil des Kraftstoffs in den Quetschbereich 171 der Brennkammer 17 eintritt und der Rest des Kraftstoffs in den Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31 eintritt. Die Drallströmung ist in dem Außenumfangsabschnitt der Brennkammer 17 stark und in dem mittleren Abschnitt schwach. Daher verbindet sich der Teil des Brennstoffs, der in den Quetschbereich 171 eingetreten ist, mit der Drallströmung, und der Rest des in den Abschnitt innerhalb des Hohlraums 31 eingetretenen Kraftstoffs verbindet sich mit der Innenseite der Drallströmung. Der Kraftstoff verbindet sich mit der Drallströmung, bleibt während des Einlasstakts und des Verdichtungstakts in der Drallströmung und bildet das Gasgemisch für die CI-Verbrennung in dem Außenumfangsabschnitt der Brennkammer 17. Der Kraftstoff, der in die Innenseite der Drallströmung eingetreten ist, bleibt auch während des Einlasstakts und des Verdichtungstakts an der Innenseite der Drallströmung und bildet das Gasgemisch für die SI-Verbrennung in dem mittleren Abschnitt der Brennkammer 17.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet, ist das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt, in dem die Zündkerze 25 angeordnet ist, vorzugsweise etwa 1 oder weniger, und das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs in dem Außenumfangsabschnitt beträgt etwa 1 oder weniger, vorzugsweise unter 1. Das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt kann beispielsweise zwischen etwa 13 und etwa dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis (14,7:1) liegen. Das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt kann magerer sein als das theoretische Luftkraftstoffverhältnis. Ferner kann das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs in dem Außenumfangsabschnitt beispielsweise zwischen etwa 11:1 und etwa dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis liegen, vorzugsweise zwischen etwa 11:1 und etwa 12:1. Da die Kraftstoffmenge in dem Gasgemisch in dem Außenumfangsabschnitt zunimmt, wenn das Luftüberschussverhältnis λ des Außenumfangsabschnitts der Brennkammer 17 auf unter 1 eingestellt ist, wird die Temperatur durch die latente Verdampfungswärme des Kraftstoffs verringert. Das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs in der gesamten Brennkammer 17 kann zwischen etwa 12,5:1 und etwa dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis liegen, vorzugsweise zwischen etwa 12,5:1 und etwa 13:1.
  • Die Einspritzung der zweiten Stufe 6032, die in der Endstufe des Verdichtungstakts durchgeführt wird, kann die Kraftstoffeinspritzung bei 10°CA vor TDC beginnen. Durch Ausführen der Einspritzung der zweiten Stufe unmittelbar vor dem TDC wird die Temperatur in der Brennkammer 17 durch die latente Verdampfungswärme des Kraftstoffs gesenkt. Obwohl eine Niedrigtemperatur-Oxidationsreaktion des bei der Einspritzung 6031 der ersten Stufe eingespritzten Kraftstoffs beim Verdichtungstakt fortschreitet und zu einer Hochtemperatur-Oxidationsreaktion vor TDC übergeht, wird durch Durchführen der Einspritzung 6032 der zweiten Stufe unmittelbar vor dem TDC, um so die Temperatur innerhalb der Brennkammer zu senken, der Übergang von der Niedrigtemperatur-Oxidationsreaktion zu der Hochtemperatur-Oxidationsreaktion vermieden und die Vorzündung wird verhindert. Es sei angemerkt, dass das Verhältnis zwischen der Einspritzmenge der Einspritzung der ersten Stufe und der Einspritzmenge der Einspritzung der zweiten Stufe beispielsweise etwa 95:5 betragen kann.
  • Die Zündkerze 25 zündet das Gasgemisch in dem mittleren Abschnitt der Brennkammer 17 in der Nähe von CTDC (Bezugszeichen 6033). Die Zündkerze 25 zündet beispielsweise nach CTDC. Da die Zündkerze 25 in dem mittleren Abschnitt der Brennkammer 17 angeordnet ist, bewirkt die Zündung der Zündkerze 25, dass das Gasgemisch in dem mittleren Abschnitt die SI-Verbrennung durch Flammenausbreitung beginnt.
  • Innerhalb des Hochlastbereichs steigt die Kraftstoffeinspritzmenge ebenso wie die Temperatur der Brennkammer 17, weshalb die CI-Verbrennung wahrscheinlich früh beginnt. Mit anderen Worten, innerhalb des Hochlastbereichs tritt wahrscheinlich die Vorzündung des Gasgemischs auf. Da jedoch die Temperatur des Außenumfangsabschnitts der Brennkammer 17 durch die latente Verdampfungswärme des Kraftstoffs wie oben beschrieben abgesenkt wird, wird verhindert, dass die CI-Verbrennung unmittelbar nach dem Funkenzünden des Gasgemischs beginnt.
  • Wenn, wie oben beschrieben, die Zündkerze 25 das Gasgemisch im mittleren Abschnitt zündet, erhöht sich die Verbrennungsgeschwindigkeit und die SI-Verbrennung wird durch hohe kinetische Turbulenzenergie stabilisiert, und die Flamme der SI-Verbrennung breitet sich in der Umfangsrichtung entlang der starken Drallströmung innerhalb der Brennkammer 17 aus. Dann, an einer gegebenen Position des Außenumfangsabschnitts der Brennkammer 17 in der Umfangsrichtung, zündet das unverbrannte Gasgemisch, indem es verdichtet wird, und die CI-Verbrennung beginnt.
  • Bei dem Konzept dieser SPCCI-Verbrennung wird durch die Kombination des Schichtens des Gasgemischs in der Brennkammer 17 und des Bewirkens der starken Drallströmung in der Brennkammer 17 die SI-Verbrennung ausreichend durchgeführt, bis die CI-Verbrennung beginnt. Im Ergebnis wird die Entstehung von Verbrennungsgeräusch reduziert, und da die Verbrennungstemperatur nicht übermäßig hoch wird, wird auch die Erzeugung von NOx reduziert. Ferner wird die Drehmomentänderung zwischen den Zyklen reduziert.
  • Da die Temperatur in dem Außenumfangsabschnitt niedrig ist, wird ferner die Cl-Verbrennung langsamer und die Erzeugung des Verbrennungsgeräusches wird reduziert. Da außerdem die Brenndauer durch die CI-Verbrennung verkürzt wird, verbessert sich innerhalb des Hochlastbereichs das Drehmoment und auch der Wärmewirkungsgrad verbessert sich. Durch Durchführen der SPCCI-Verbrennung innerhalb des hohen Motorlastbereichs wird somit die Kraftstoffeffizienz des Motors 1 verbessert, während das Verbrennungsgeräusch vermieden wird.
  • Wenn der Motor 1 auf der Hochdrehzahlseite des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet, startet der Injektor 6 die Kraftstoffeinspritzung beim Einlasstakt (Bezugszeichen 6041).
  • Die Einspritzung 6041 der ersten Stufe, die beim Einlasstakt beginnt, kann die Kraftstoffeinspritzung in der frühen Hälfte des Einlasstakts ähnlich der obigen Beschreibung beginnen. Zum Beispiel kann die Einspritzung 6041 der ersten Stufe die Kraftstoffeinspritzung bei 280°CA vor TDC beginnen. Die Einspritzung der ersten Stufe kann über den Einlasstakt dauern und beim Verdichtungstakt enden. Durch Einstellen des Einspritzbeginns der Einspritzung 6041 der ersten Stufe in der frühen Hälfte des Einlasstakts wird das Gasgemisch für die CI-Verbrennung in dem Außenumfangsabschnitt der Brennkammer 17 gebildet und das Gasgemisch für die SI-Verbrennung wird in dem mittleren Abschnitt der Brennkammer 17 gebildet. Ähnlich der obigen Beschreibung ist das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt, in dem die Zündkerze 25 angeordnet ist, vorzugsweise etwa 1 oder weniger, und das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs in dem Außenumfangsabschnitt ist etwa 1 oder weniger, vorzugsweise unter 1. Das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt kann beispielsweise zwischen etwa 13:1 und etwa dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis (14,7:1) liegen. Das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs in dem mittleren Abschnitt kann magerer sein als das theoretische Luftkraftstoffverhältnis. Ferner kann das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs in dem Außenumfangsabschnitt beispielsweise zwischen etwa 11:1 und etwa dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis, vorzugsweise zwischen etwa 11:1 und etwa 12:1 liegen. Das Luftkraftstoffverhältnis des Gasgemischs in der gesamten Brennkammer 17 kann zwischen etwa 12,5:1 und etwa dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis, vorzugsweise zwischen etwa 12,5:1 und etwa 13:1 liegen.
  • Wenn die Motordrehzahl zunimmt, wird die Zeitdauer, während der der bei der Einspritzung 6041 der ersten Stufe eingespritzte Kraftstoff reagiert, kürzer. Daher kann die Einspritzung der zweiten Stufe zur Unterdrückung der Oxidationsreaktion des Gasgemischs weggelassen werden.
  • Die Zündkerze 25 zündet das Gasgemisch in dem zentralen Abschnitt der Brennkammer 17 in der Nähe von CTDC (Bezugszeichen 6042). Die Zündkerze 25 zündet beispielsweise nach CTDC.
  • Wie oben beschrieben, wird durch Schichten bzw. Stratifizieren des Gasgemischs innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) das Verbrennungsgeräusch reduziert und die SPCCI-Verbrennung wird stabilisiert.
  • Da der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung durch Einstellen des Gasgemischs auf das theoretische Luftkraftstoffverhältnis oder magererer als dieses innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) wie oben beschrieben durchführt, kann der Hochlast-Mitteldrehzahlbereich (2) als „SPCCI λ<=1 Bereich“ bezeichnet werden.
  • (Hochlast-Niedrigdrehzahlbereich (3))
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, führt der Motor 1 die SI-Verbrennung anstelle der SPCCI-Verbrennung durch. Der Hochlast-Niedrigdrehzahlbereich (3) entspricht dem ersten Hochlastsegment (C1) auf dem Betriebsbereichskennfeld 700 oder 701.
  • Das Bezugszeichen 605 von 17 zeigt ein Beispiel für die Kraftstoffeinspritzzeitpunkte (Bezugszeichen 6051 und 6052) und den Zündzeitpunkt (Bezugszeichen 6053) und eine Verbrennungswellenform (Bezugszeichen 6054), wenn der Motor 1 in dem Betriebszustand des Bezugszeichens 605 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) des Motors 1 arbeitet.
  • Das AGR-System 55 leitet das AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein, wenn der Betriebszustand der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) liegt. Der Motor 1 reduziert die AGR-Gasmenge, wenn die Motorlast ansteigt. Bei der Volllast kann das AGR-Gas auf etwa Null eingestellt werden.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, ist das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs im Wesentlichen auf dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis (A/F = etwa 14,7:1) in der gesamten Brennkammer 17. Das A/F des Gasgemischs kann so eingestellt werden, dass es innerhalb des Reinigungsfensters des Dreiwegekatalysators bleibt. Daher kann das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 eingestellt werden. Durch Einstellen des Luftkraftstoffverhältnisses des Gasgemischs auf das theoretische Luftkraftstoffverhältnis verbessert sich die Kraftstoffeffizienz innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3). Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, kann die Kraftstoffkonzentration des Gasgemischs in der gesamten Brennkammer 17 so eingestellt werden, dass das Luftüberschussverhältnis λ etwa 1 oder kleiner und gleich oder höher als das Luftüberschussverhältnis λ innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2), vorzugsweise höher als das Luftüberschussverhältnis λ innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) ist.
  • Auf dem Betriebsbereichskennfeld 702, wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, spritzt der Injektor 6 den Kraftstoff in die Brennkammer 17 zu den Zeitpunkten des Einlasstakts und in dem Verzögerungszeitraum ab der Endstufe des Verdichtungstakts bis zu der frühen Stufe des Expansionstakts (Bezugszeichen 6051 und 6052) ein. Indem der Kraftstoff in zwei Einspritzungen eingespritzt wird, wird die in dem Verzögerungszeitraum eingespritzte Kraftstoffmenge reduziert. Durch Einspritzen des Kraftstoffs beim Einlasstakt (Bezugszeichen 6051) wird der Bildungszeitraum des Gasgemischs ausreichend sichergestellt. Zusätzlich wird durch Einspritzen des Kraftstoffs in dem Verzögerungszeitraum (Bezugszeichen 6052) die Strömung in der Brennkammer 17 unmittelbar vor der Zündung verstärkt, was zur Stabilisierung der SI-Verbrennung vorteilhaft ist.
  • Nachdem der Kraftstoff eingespritzt ist, zündet die Zündkerze 25 das Gasgemisch zu einem Zeitpunkt nahe CTDC (Bezugszeichen 6053). Die Zündkerze 25 zündet beispielsweise nach CTDC. Das Gasgemisch bewirkt die SI-Verbrennung beim Expansionstakt. Da die SI-Verbrennung beim Expansionstakt beginnt, beginnt die Cl-Verbrennung nicht.
  • Um die Vorzündung zu vermeiden, kann der Injektor 6 den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögern, wenn die Motordrehzahl abnimmt. Die Kraftstoffeinspritzung in dem Verzögerungszeitraum kann beim Expansionstakt enden.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, wird die Drallströmung schwächer gemacht, als wenn er innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet. Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, ist die Öffnung des SCV 56 größer als wenn er innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) arbeitet. Die Öffnung des SCV 56 kann beispielsweise etwa 50% betragen (d.h. halb geöffnet).
  • Wie durch die strichpunktierte Linie in der oberen Grafik von 2 angegeben, überlappen die Achsen der Düsenöffnungen des Injektors 6 nicht in Umfangsrichtung mit der Zündkerze 25. Der aus den Düsenöffnungen eingespritzte Kraftstoff strömt in der Umfangsrichtung auf Grund der Drallströmung in der Brennkammer 17. Durch diese Drallströmung wird der Kraftstoff umgehend in die Nähe der Zündkerze 25 befördert. Der Kraftstoff wird verdampft, während er in die Nähe der Zündkerze 25 befördert wird.
  • Wenn andererseits die Drallströmung übermäßig stark ist, fließt der Kraftstoff in der Umfangsrichtung und entfernt sich von der Zündkerze 25, und der Kraftstoff kann nicht umgehend in die Nähe der Zündkerze 25 befördert werden. Aus diesem Grund, wenn der Motor 1 innerhalb des Hochdrehzahl-Niedrigdrehzahlbereichs (3) arbeitet, wird die Drallströmung schwächer als beim Betrieb innerhalb des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2) gemacht. Im Ergebnis wird der Kraftstoff umgehend in die Nähe der Zündkerze 25 befördert, wodurch die Zündfähigkeit des Gasgemischs verbessert und die SI-Verbrennung stabilisiert wird.
  • Innerhalb des Hochlast-Niedrigdrehzahlbereichs (3), da der Motor 1 die SI-Verbrennung durch Einspritzen des Kraftstoffs in dem Verzögerungszeitraum ab der Endstufe des Verdichtungstakts bis zu der frühen Stufe des Expansionstakts durchführt, kann der Hochlast-Niedrigdrehzahlbereich (3) als „verzögerter SI-Bereich“ bezeichnet werden.
  • (Hochdrehzahlbereich (4))
  • Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird die Zeitlänge für die Änderung des Kurbelwinkels um 1° kürzer. Daher ist es beispielsweise auf der Hochdrehzahlseite des Hochlastbereichs schwierig, das Gasgemisch in der Brennkammer 17 wie oben beschrieben zu schichten. Wenn die Motordrehzahl ansteigt, wird es schwierig, die oben beschriebene SPCCI-Verbrennung durchzuführen.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (4) arbeitet, führt der Motor 1 die SI-Verbrennung anstelle der SPCCI-Verbrennung durch. Es ist anzumerken, dass sich der Hochdrehzahlbereich (4) über die gesamte Lastrichtung von niedriger Last bis zu hoher Last erstreckt.
  • Das Bezugszeichen 606 von 17 zeigt ein Beispiel für den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt (Bezugszeichen 6061) und den Zündzeitpunkt (Bezugszeichen 6062) und eine Verbrennungswellenform (Bezugszeichen 6063), wenn der Motor 1 in dem Betriebszustand des Bezugszeichens 606 innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (4) arbeitet.
  • Das AGR-System 55 leitet das AGR-Gas in die Brennkammer 17 ein, wenn der Betriebszustand des Motors 1 innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (4) liegt. Der Motor 1 reduziert die AGR-Gasmenge, wenn die Motorlast ansteigt. Bei der Volllast kann das AGR-Gas auf etwa Null eingestellt werden.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (4) arbeitet, öffnet er das SCV 56 im Wesentlichen vollständig. In der Brennkammer 17 wird keine Drallströmung erzeugt, und nur die Tumble-Strömung wird erzeugt. Durch vollständiges Öffnen des SCV 56 wird die Ladeeffizienz in dem Hochdrehzahlbereich (4) verbessert und ein Pumpverlust wird verringert.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochdrehzahlbereich (4) arbeitet, ist das Luftkraftstoffverhältnis (A/F) des Gasgemischs grundsätzlich bei dem theoretischen Luftkraftstoffverhältnis (A/F = etwa 14,7:1) in der gesamten Brennkammer 17. Das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs kann auf etwa 1,0 ± etwa 0,2 eingestellt werden. Es sei angemerkt, dass innerhalb der Hochlastseite des Hochdrehzahlbereichs (4) einschließlich der bzw. enthaltend die Volllast das Luftüberschussverhältnis λ des Gasgemischs kleiner als 1 sein kann.
  • Wenn der Motor 1 innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (4) arbeitet, beginnt der Injektor 6 die Kraftstoffeinspritzung beim Einlasstakt (Bezugszeichen 6061). Der Injektor 6 spritzt den gesamten Kraftstoff für einen Verbrennungszyklus in einem Stück ein. Durch Beginnen der Kraftstoffeinspritzung beim Einlasstakt wird homogenes oder im Wesentlichen homogenes Gasgemisch in der Brennkammer 17 gebildet. Ferner, wenn die Motordrehzahl hoch ist, werden, da der Verdampfungszeitraum des Kraftstoffs so lang wie möglich sichergestellt ist, der Verlust des unverbrannten Kraftstoffs und die Erzeugung von Ruß reduziert.
  • Nachdem die Kraftstoffeinspritzung beendet ist, zündet die Zündkerze 25 das Gasgemisch zu einem geeigneten Zeitpunkt vor CTDC (Bezugszeichen 6062).
  • Daher kann innerhalb des Hochdrehzahlbereichs (4), da der Motor 1 die Kraftstoffeinspritzung beim Einlasstakt beginnt und die SI-Verbrennung durchführt, der Hochdrehzahlbereich (4) als der „Einlass-Sl-Bereich“ bezeichnet werden.
  • Auch bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 702 verwendet, wird das SI-Verhältnis vorzugsweise ähnlich wie bei dem Motor 1 eingestellt, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet. Das heißt, wie in 11 dargestellt, innerhalb des Niedriglastbereichs (1)-1, des Mittellastbereichs (1)-2 und des Hochlast-Mitteldrehzahlbereichs (2), in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, wird das SI-Verhältnis mit zunehmender Motordrehzahl linear erhöht. Im Ergebnis wird die SPCCI-Verbrennung, obwohl innerhalb des Hochdrehzahlbereichs, auf stabile Weise durchgeführt, während NVH, was zu einem Problem werden könnte, unter dem zulässigen Wert gehalten wird.
  • Ferner wird bei dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 702 verwendet, das SI-Verhältnis bei einer hohen Motordrehzahl durch das erste bis vierte Verfahren erhöht, ähnlich zu dem Motor 1, der das Betriebsbereichskennfeld 700 verwendet.
  • (Betriebssteuerung bzw. -regelung des Motors in Drehzahlrichtung in dem dritten Konfigurationsbeispiel des Betriebsbereichskennfelds)
  • Eine Wellenform 132 im unteren Teil von 13 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Öffnung des SCV 56 innerhalb des Bereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird (insbesondere der SPCCIλ>1-Bereich und der SPCCIλ=1-Bereich) auf dem Betriebsbereichskennfeld 702 von 7C. Die Zweipunkt-Strichlinie im unteren Teil von 13 zeigt die Wellenform 131 in der oberen Grafik von 13. Wie oben beschrieben, wird innerhalb des SPCCI-Bereichs des Betriebsbereichskennfelds 702 die Öffnung des SCV 56 zu der bzw. auf die Schließseite unabhängig von der Motordrehzahl eingestellt. Die Wellenform 132 unterscheidet sich in dieser Hinsicht von der Wellenform 131, in der das SCV 56 im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, bis die Motordrehzahl N4 überschreitet. Das Drallverhältnis kann zum Beispiel auf etwa 1,5 bis etwa 3 innerhalb des SPCCIλ>1-Bereichs und des SPCCIA=1-Bereichs eingestellt werden. Dabei kann die Öffnung des SCV 56 etwa 25 bis etwa 40% betragen. Da die Drallströmung in der Brennkammer 17 gebildet wird, wird die SI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung scharf, weshalb das SI-Verhältnis höher wird als wenn die Drallströmung nicht gebildet wird.
  • 18 zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe innerhalb des SPCCI-Bereichs des Betriebsbereichskennfelds 702 in 7C (Wellenform 113). In der oberen Grafik von 18 zeigt die Zweipunktstrichlinie die Wellenform 111 von 11. Wie oben beschrieben, wird, da das SI-Verhältnis auf Grund der in der Brennkammer 17 gebildeten Drallströmung relativ hoch wird, das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe relativ niedrig eingestellt. Wenn das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe niedrig ist, wird eine lange Verdampfungszeitspanne des Kraftstoffs sichergestellt, da die Menge an Kraftstoff, die bei der Einspritzung der ersten Stufe eingespritzt wird, ansteigt. Dies verringert die Erzeugung von unverbranntem Gasgemisch und Ruß, was zur Verbesserung der Abgasemissionsleistung des Motors 1 vorteilhaft ist. Es ist anzumerken, dass auch auf dem Betriebsbereichskennfeld 702 die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem SI-Verhältnis der in 14 dargestellten Beziehung entspricht.
  • Wenn bei der Wellenform 113, wie oben beschrieben, die Motordrehzahl N3 überschreitet, wird auch das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe erhöht, um das SI-Verhältnis der SPCCI-Verbrennung zu erhöhen. Das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe steigt an, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Es sei angemerkt, dass das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe von einer Motordrehzahl höher als N3 erhöht werden kann. In dem Beispiel der Wellenform 113 wird das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe mit einer gegebenen Änderungsrate kontinuierlich erhöht, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Alternativ kann das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe schrittweise (d.h. diskontinuierlich) erhöht werden, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Da das SI-Verhältnis in der SPCCI-Verbrennung ansteigt und das Verbrennungsgeräusch, das durch die SPCCI-Verbrennung verursacht wird, verringert wird, wird NVH unter den zulässigen Wert gedrückt, wenn die Motordrehzahl hoch ist.
  • Während das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe erhöht wird, wenn die Motordrehzahl zunimmt, überschreitet das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe den oberen Grenzwert selbst bei der Drehzahl N2 nicht, da das anfängliche Einspritzverhältnis der zweiten Stufe niedrig ist. Das heißt, durch Bilden der Drallströmung in der Brennkammer 17, auch innerhalb des Segments der höchsten Motordrehzahl des Betriebsbereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird (ein Segment nahe der Drehzahl N2 von 18), wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe erhöht, um höher zu sein als wenn die Motordrehzahl niedrig ist.
  • Zu beachten ist, dass, obwohl nicht dargestellt, wenn die Motordrehzahl kleiner oder gleich der gegebenen Drehzahl N3 ist, die Änderungsrate der Einspritzmenge der zweiten Stufe erhöht werden kann, wenn die Motordrehzahl zunimmt, anstatt die Änderungsrate auf Null zu setzen. In diesem Fall ist die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl gleich oder geringer als die gegebene Drehzahl N3 ist, vorzugsweise niedriger als die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N3 überschreitet.
  • Ferner kann, wie durch die strichpunktierte Linie in der oberen Grafik von 18 veranschaulicht, die Drehzahl N3, bei welcher der Anstieg des Einspritzverhältnisses der zweiten Stufe beginnt, zu der Seite der höheren Motordrehzahl verschoben werden, wenn der Motorlast ansteigt. Auf diese Weise wird der Bereich, in dem das niedrige Einspritzverhältnis der zweiten Stufe beibehalten wird, auf die Seite höherer Drehzahl ausgedehnt. Wenn das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe niedrig ist, erhöht sich die CI-Verbrennung in der SPCCI-Verbrennung, was zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz vorteilhaft ist.
  • Es ist anzumerken, dass abweichend von dem Beispiel der oberen Grafik von 18, wie es durch die strichpunktierte Linie in einer Wellenform 114 der unteren Grafik von 18 gezeigt ist, die Steigung der geraden Linie, welche die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzverhältnis der zweiten Stufe angibt, bei hoher Motorlast sanfter eingestellt werden kann als bei niedriger Motorlast.
  • 19 zeigt eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe innerhalb des SPCCI-Bereichs des Betriebsbereichskennfelds 702 von 7C. Eine Wellenform 123 in der oberen Grafik von 19 entspricht der Wellenform 121 in der oberen Grafik von 12. Die Zweipunktstrichlinie von 19 zeigt einen Teil der Wellenform 121 in 12.
  • Wenn bei der Wellenform 123 die Motordrehzahl die vorgegebene Drehzahl N3 überschreitet, rückt die ECU 10 den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vor, wenn sich die Motordrehzahl erhöht. Wenn die Motordrehzahl hoch ist, wird das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung auf niedrig gedrückt. Man beachte, dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe ab einer Motordrehzahl höher als N3 vorverlegt werden kann.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist, anstatt den Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe auf Null zu setzen, der Einspritzzeitpunkt vorgezogen werden, wenn die Motordrehzahl ansteigt. In diesem Fall kann die Änderungsrate, wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als die gegebene Drehzahl N3 ist, niedriger als diejenige sein, wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl N3 überschreitet.
  • Wenn die Drallströmung nicht in der Brennkammer 17 gebildet wird, wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorverlegt wird, wird die durch die Einspritzung verursachte Strömung in der Brennkammer 17 zum Zündzeitpunkt schwächer. Wenn hingegen die Drallströmung in der Brennkammer 17 gebildet wird, selbst wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorverlegt wird, wird die in der Brennkammer 17 durch die Einspritzung zu dem Zündzeitpunkt verursachte Strömung stark gehalten. Das heißt, durch Bilden der Drallströmung in der Brennkammer 17 wird die Vorrückgrenze der Einspritzung der zweiten Stufe beseitigt, und wie durch die Wellenform 123 dargestellt ist, wird der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorverlegt, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Durch Bilden der Drallströmung in der Brennkammer 17 wird auch innerhalb des Segments der höchsten Motordrehzahl des Betriebsbereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird (der Bereich nahe der Drehzahl N2 von 18), der Zeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe bei einer hohen Motordrehzahl als bei einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt.
  • Wenn der Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe vorverlegt wird, wird dementsprechend eine lange Verdampfungszeitdauer des Kraftstoffs sichergestellt, und somit wird die Erzeugung von unverbranntem Gasgemisch und Ruß reduziert. Da insbesondere die Einspritzmenge der Einspritzung der zweiten Stufe zunimmt, wenn die Motordrehzahl ansteigt, wie in 18 dargestellt, ist das Vorverlegen des Einspritzzeitpunkts der zweiten Stufe vorteilhaft, um die lange Zeitdauer für die Kraftstoffverdampfung durch die Einspritzung der zweiten Stufe sicherzustellen. Dies verringert die Erzeugung von unverbranntem Gasgemisch und Ruß, was die Abgasemissionsleistung des Motors verbessert.
  • Ferner kann, wie durch die strichpunktierte Linie in der oberen Grafik von 18 veranschaulicht, die Drehzahl N3, bei der begonnen wird, den Einspritzzeitpunkt der zweiten Stufe vorzurücken, zu der Seite der höheren Motordrehzahl verschoben werden, wenn die Motorlast ansteigt. Auf diese Weise wird der Bereich, in dem der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe spät ist, auf die Seite höherer Drehzahl ausgedehnt.
  • Man beachte, dass anders als in dem Beispiel der oberen Grafik von 19, wie durch die strichpunktierte Linie in der Wellenform 124 der unteren Grafik von 19 angegeben, die Steigung der geraden Linie, welche die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe angibt, bei einer hohen Motorlast sanfter eingestellt werden kann als bei einer niedrigen Motorlast.
  • (Beispiel der Verbrennungswellenform der SPCCI-Verbrennung)
  • 20 und 21 zeigen Verbrennungswellenformen in Betriebszuständen W1 bis W12 des Motors 1 oder Verbrennungswellenformen in den jeweiligen Betriebszuständen des Motors 1, der das Betriebsbereichskennfeld 702 verwendet. Ein Betriebsbereichskennfeld 704, das in 20 dargestellt ist, entspricht dem Betriebsbereichskennfeld 702 von 7C. Das heißt, die SPCCI-Verbrennung wird innerhalb des Niedriglastbereichs einschließlich des Leerlaufbetriebs ausgeführt und erstreckt sich in den niedrigen und mittleren Drehzahlbereichen auf dem Betriebsbereichskennfeld 704. Dieser Bereich entspricht dem Niedriglastbereich (1)-1 auf dem Betriebsbereichskennfeld 702. Es ist zu beachten, dass dieser Bereich auf dem Betriebsbereichskennfeld 704 von 20 ein Bereich ist, in dem das Boosten nicht durchgeführt wird. W1 bis W12 entsprechen den in 20 dargestellten jeweiligen Betriebszuständen.
  • Ferner wird auf dem Betriebsbereichskennfeld 704 von 20 die SPCCI-Verbrennung innerhalb des Mittellastbereichs, in dem die Motorlast höher ist als der Niedriglastbereich und innerhalb des Hochlastbereichs durchgeführt, in dem die Motorlast weiter höher ist. Dieser Bereich entspricht dem Mittellastbereich (1)-2 und dem Hochlast-Mitteldrehzahlbereich (2) auf dem Betriebsbereichskennfeld 702. Dieser Bereich auf dem Betriebsbereichskennfeld 704 von 20 ist ein Bereich, in dem das Boosten durchgeführt wird.
  • Ferner ist auf dem Betriebsbereichskennfeld der 20 eine Niedrigdrehzahlseite des Hochlastbereichs, in dem die Motordrehzahl niedriger als der mittlere Drehzahlbereich ist, der Bereich, in dem die verzögerte SI-Verbrennung durchgeführt wird. Dieser Bereich entspricht dem Hochlast-Niedrigdrehzahlbereich (3) auf dem Betriebsbereichskennfeld 702.
  • Außerdem ist auf dem Betriebsbereichskennfeld 704 von 20 der Hochdrehzahlbereich der Bereich, in dem der Kraftstoff bei dem Einlasstakt eingespritzt wird, um die SI-Verbrennung durchzuführen. Dieser Bereich entspricht dem Hochdrehzahlbereich (4) auf dem Betriebsbereichskennfeld 702.
  • Auch auf dem Betriebsbereichskennfeld von 20, wie in 11 und 12 oder Fig. In 18 und 19 gezeigt, werden innerhalb des Bereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, das Einspritzverhältnis der zweiten Stufe und/oder der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe entsprechend den Motordrehzahländerungen geändert. Die Motordrehzahlen N1 und N2 von 11 und 12 oder 18 und 19 entsprechen den Motordrehzahlen N1 und N2 von 14. Innerhalb des Bereichs, in dem die SPCCI-Verbrennung durchgeführt wird, nimmt das SI-Verhältnis mit steigender Motordrehzahl linear zu (siehe 14). Da das Verbrennungsgeräusch der SPCCI-Verbrennung durch Erhöhen des SI-Verhältnisses niedrig gedrückt wird, wird NVH, wenn die Motordrehzahl hoch ist, unter den zulässigen Wert gedrückt.
  • Wie oben beschrieben, wird innerhalb des SPCCI-Bereichs das SI-Verhältnis erhöht, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Wenn die Wellenformen von W2, W7 und W10 verglichen werden, nimmt die Spitze der SI-Verbrennung allmählich in der Reihenfolge von W2, W7 und W10 zu. Im Ergebnis nimmt die Spitze der CI-Verbrennung allmählich in der Reihenfolge von W2, W7 und W10 ab. Somit wird die Erzeugung von Verbrennungsgeräusch reduziert, wenn die Motordrehzahl ansteigt. Man beachte, dass innerhalb des SPCCI-Bereichs die ähnliche Tendenz in den Wellenformen W3, W8 und W11 und den Wellenformen W4, W9 und W12 gezeigt ist, die für niedrigere Motorlasten als W2, W7 und W10 sind.
  • (Andere Ausführungsformen)
  • Es ist zu beachten, dass die durch die ECU 10 durchgeführte Steuerung bzw. Regelung des Motors 1 nicht darauf beschränkt ist, auf dem oben beschriebenen Verbrennungsmodell zu basieren. Zum Beispiel kann, obwohl das interne AGR-System des oben beschriebenen Motors 1 das interne AGR-Verhältnis durch Ändern der negativen Überlappungsperiode ändert, es durch Öffnen des Auslassventils auch bei dem Einlasshub geändert werden.
  • Das dritte und das vierte Verfahren sind nicht darauf beschränkt, das erste oder das zweite Verfahren zu ergänzen. Sie können je nach Spezifikationen unabhängig von dem ersten und dem zweiten Verfahren sein. Das heißt, die Kombination des ersten bis vierten Verfahrens ist frei wählbar.
  • Ferner kann der Motor 1 anstelle der Durchführung der SI-Verbrennung innerhalb des Hochdrehzahlbereichs die SPCCI-Verbrennung über den gesamten Motordrehzahlbereich durchführen. Darüber hinaus kann der Motor 1 die SPCCI-Verbrennung über den gesamten Betriebsbereich durchführen.
  • Ferner ist der hier offenbarte Stand der Technik nicht darauf beschränkt, auf den Motor 1 mit der obigen Konfiguration angewandt zu werden. Die Konfiguration des Motors 1 kann verschiedene Konfigurationen annehmen.

Claims (12)

  1. Verbrennungsmotor, umfassend: einen Injektor (6), der an dem Motor (1) angebracht ist und konfiguriert ist, Kraftstoff in eine Brennkammer (17) des Motors einzuspritzen; eine Zündkerze (25), die angeordnet ist, im Wesentlichen in die Brennkammer (17) hinein ausgerichtet zu sein, und die konfiguriert ist, das Gasgemisch innerhalb der Brennkammer (17) zu zünden; einen Drallerzeugungsteil, der konfiguriert ist, eine Drallströmung innerhalb der Brennkammer (17) zu erzeugen; und einen Controller (10), der operativ mit zumindest dem Injektor (6) und der Zündkerze (25) verbunden ist, umfassend einen Prozessor (101), der konfiguriert ist, den Motor (1) durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an den Injektor (6) bzw. die Zündkerze (25) zu betreiben, wobei der Motor konfiguriert ist, in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem, nachdem die Zündkerze (25) das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung entzündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, und der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt wird, wenn der Motor (1) mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet, die niedriger als die hohe Drehzahl ist, wobei der Controller (10) ein Steuer- bzw. Regelsignal an den Drallerzeugungsteil ausgibt, um ungeachtet der Motordrehzahl die Drallströmung innerhalb der Brennkammer (17) zu erzeugen, und zumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl gegenüber einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, um eine Einspritzung der ersten Stufe und eine Einspritzung der zweiten Stufe durchzuführen, die zu einem späteren Zeitpunkt als die Einspritzung der ersten Stufe ist, und der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass ein Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe vorverlegt wird, wenn der Motor (1) mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe mit einer gegebenen Änderungsrate vorverlegt wird, wenn sich die Motordrehzahl ändert, und der Controller (10) bewirkt, dass die Änderungsrate bei einer hohen Motordrehzahl höher ist als bei einer niedrigen Motordrehzahl.
  4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei wenn die Motordrehzahl gleich oder niedriger als eine gegebene Drehzahl (N3) ist, der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe konstant ist, selbst wenn sich die Motordrehzahl ändert, und wenn die Motordrehzahl die gegebene Drehzahl (N3) überschreitet, der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe mit zunehmender Motordrehzahl vorverlegt wird.
  5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe eine gegebene Vorrückgrenze nicht überschreitet.
  6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, ferner umfassend eine Einlassstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung (56), die an dem Motor (1) angebracht ist und konfiguriert ist, einen in die Brennkammer (17) eingeleiteten Ansaugluftstrom einzustellen, wobei, wenn der Einspritzzeitpunkt der Einspritzung der zweiten Stufe an der Vorrückgrenze liegt, der Controller (10) ein Steuer- bzw. Regelsignal an die Einlassstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung (56) ausgibt, um den Strom der Ansaugluft zu erhöhen.
  7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an die Einlassstromsteuer- bzw. -regelvorrichtung (56) ausgibt, um den Strom der Ansaugluft zu erhöhen, wenn die Motordrehzahl ansteigt.
  8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei der Motor (1) einen Kolben (3) enthält, der zumindest teilweise die Brennkammer (17) bildet und mit einer Vertiefung bzw. einem Hohlraum (31) ausgebildet ist, der dem Injektor (6) zugewandt ist, indem eine obere Fläche bzw. Oberfläche des Kolbens (3) eingebeult bzw. eingekerbt ist, und bei der Einspritzung der ersten Stufe der Kraftstoff in einen Quetschbereich (171) außerhalb des Hohlraums (31) innerhalb der Verbrennungskammer (17) bei einem Kompressionshub eingespritzt wird und bei der Einspritzung der zweiten Stufe der Kraftstoff im Wesentlichen in den Hohlraum (31) eingespritzt wird.
  9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Controller (10) ein Selbstzündungs(SI)-Verhältnis auf weniger als 100% sowie höher bei einer hohen Motordrehzahl als bei einer niedrigen Motordrehzahl einstellt, wobei das SI-Verhältnis ein Index betreffend ein Verhältnis einer Wärmemenge, die erzeugt wird, wenn das gezündete Gasgemisch durch Flammenausbreitung verbrennt, in Bezug auf eine Gesamtwärmemenge ist, die erzeugt wird, wenn das Gasgemisch in der Verbrennungskammer (17) verbrennt.
  10. Steuer- bzw. Regelvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, konfiguriert, in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem, nachdem eine Zündkerze (25) das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung entzündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, wobei die Steuer- bzw. Regelvorrichtung umfasst: einen Controller (10), der operativ mit zumindest einem Injektor (6) des Motors und der Zündkerze (25) verbunden ist, umfassend einen Prozessor (101), der konfiguriert ist, den Motor (1) durch Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an den Injektor (6) bzw. die Zündkerze (25) zu betreiben, wobei der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverlegt wird, wenn der Motor (1) mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet, die niedriger als die hohe Drehzahl ist, der Controller (10) ein Steuer- bzw. Regelsignal an ein Drallerzeugungsteil ausgibt, um ungeachtet der Motordrehzahl eine Drallströmung innerhalb einer Brennkammer (17) zu erzeugen, und zumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, der Controller (10) das Steuer- bzw. Regelsignal an den Injektor (6) ausgibt, so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl gegenüber einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  11. Verfahren zum Steuern bzw. Regeln eines Verbrennungsmotors, umfassend die Schritte: Betreiben des Motors in zumindest einem gegebenen Betriebsmodus, in dem, nachdem eine Zündkerze (25) das Gasgemisch zum Starten der Verbrennung zündet, unverbranntes Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, Erfassen einer Motordrehzahl, Vorverlegen eines Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, wenn der Motor (1) mit einer hohen Drehzahl gegenüber einer niedrigen Drehzahl arbeitet, die niedriger als die hohe Drehzahl ist, Erzeugen einer Drallströmung innerhalb einer Brennkammer (17); und zumindest innerhalb eines Höchste-Motordrehzahl-Segments eines Betriebsbereichs, in dem nach der Zündung des Gasgemischs durch die Zündkerze, um die Verbrennung zu beginnen, das unverbrannte Gasgemisch durch Selbstzündung verbrennt, Ausgeben eines Steuer- bzw. Regelsignals an den Injektor (6), so dass der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei einer hohen Motordrehzahl gegenüber einer niedrigen Motordrehzahl vorverlegt wird.
  12. Computerprogrammprodukt, umfassend computerlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem geeigneten System geladen und ausgeführt werden, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 11 ausführen können.
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