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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Vormisch-Kompressionsselbstzündungsmotor
und ein Verfahren zum Steuern seiner Einlassluft.
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Stand der Technik
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In
den letzten Jahren haben Vormisch-Kompressionsselbstzündungsmotoren
(Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI)), die
mit hohem Wirkungsgrad arbeiten und geringe Mengen an NOx abgegeben,
Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Da eine Vormisch-Kompressionsselbstzündungs-(HCCI-)Verbrennung
einen Betrieb mit einem magereren Gemisch als eine Funkenzündungs-(SI-)Verbrennung
ermöglicht, hat sie die Vorteile eines höheren
thermischen Wirkungsgrads und einer geringeren maximalen Verbrennungstemperatur.
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Allerdings
ist die Steuerung der Zündeinstellung schwierig, und trotz
einer Zündeinstellungssteuerung, die eine innere AGR (Abgasrückführung)
usw. nutzt, ist der Betriebsbereich, der eine stabile Verbrennung
gewährleistet, immer noch begrenzt. Daher ist in Übereinstimmung
mit seinem Betriebsbereich eine Motorumschaltung zwischen HCCI-Verbrennung
und SI-Verbrennung vorgeschlagen worden. Ein Beispiel eines solchen
Motors ist in der Patentdruckschrift 1 offenbart. Verschiedene Bedingungen
der HCCI-Verbrennung und SI-Verbrennung unterscheiden sich, etwa
die Menge des AGR-Gases und die des in der Brennkammer benötigten
Gemisches. Wenn zum Beispiel von der SI-Verbrennung zur HCCI-Verbrennung
umgeschaltet wird, muss die Gasmenge in der Brennkammer, die sich
aus dem Gemisch und dem AGR-Gas (nachstehend als zylinderinternes
Gas bezeichnet) zusammensetzt, erhöht werden. Andererseits
reicht der Betriebsbereich, der es erlaubt, die HCCI-Verbrennung
durchzuführen, stabil von einer Seite mit mittlerer Umdrehung
und mittlerer Last zu einer Seite mit geringer Umdrehung und geringer
Last. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Verbrennung umgeschaltet wird,
tendiert das Drosselventil im Einlassdurchlass demnach dazu, sich
zu schließen, und ist der Druck in einem Raum von einem
Bereich stromabwärts vom Drosselventil bis zu einem Einlasskanal
kurz vor jeder Brennkammer negativ. Wenn das Drosselventil daher
beim Umschalten der Verbrennungsarten so gesteuert wird, dass es
vollständig offen ist, ist die Menge des der Brennkammer
zugeführten Gemisches unzureichend, was zu einem Drehmomentsprung
in Form eines Absinkens des Drehmoments führt.
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Um
dieses Problem zu lösen, schlägt die Patentdruckschrift
1 vor, dass beim Umschalten von der SI-Verbrennung zur HCCI-Verbrennung
in einem Vormisch-Kompressionsselbstzündungsmotor mit einem
Verdichter das Umschalten zur HCCI- Verbrennung nur dann erfolgt,
nachdem die Bedingungen zum Durchführen der HCCI-Verbrennung
mittels des Verdichters durch Erhöhen des Drucks und der
Temperatur in der Brennkammer erfüllt wurden.
- Patentdruckschrift
1: JP 2004-176688
A
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösendes
Problem
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Da
ein Verdichter ein unverzichtbares Bauteil des in der Patentdruckschrift
1 offenbarten Vormisch-Kompressionsselbstzündungsmotors
ist, trifft dieser Vorschlag jedoch nicht auf einen Vormisch-Kompressionsselbstzündungsmotor
ohne Verdichter zu. Die Technik der Patentdruckschrift 1 kann daher
keine Lösung für einen Überschuss oder Mangel
bei der Menge des Einlassgemisches bieten, zu dem es beim Umschalten
zwischen SI-Verbrennung und HCCI-Verbrennung kommt.
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Die
Erfindung erfolgte, um das oben genannte Problem zu lösen,
und ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vormisch-Kompressionszündungsmotor
und ein Verfahren zum Steuern seiner Einlassluft zur Verfügung
zu stellen, durch die es ohne Rücksicht auf das Vorhandensein
oder die Abwesenheit eines Verdichters möglich ist, den Überschuss
oder Mangel bei der Menge des Einlassgemisches zu überwinden,
zu dem es beim Umschalten zwischen Funkenzündungsverbrennung
und Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung kommt.
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Mittel zum Lösen
des Problems
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Ein
Vormisch-Kompressionszündungsmotor, der dazu im Stande
ist, zwischen Funkenzündungsverbrennung und Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung
umzuschalten, ist dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes aufweist:
einen
ersten Zweigeinlassdurchlass und einen zweiten Zweigeinlassdurchlass,
wobei ein Ende jedes Durchlasses mit einer Brennkammer in Verbindung steht;
einen
gemeinsamen Einlassdurchlass, der mit den anderen Enden des ersten
Zweigeinlassdurchlasses und des zweiten Zweigeinlassdurchlasses
in Verbindung steht;
eine im gemeinsamen Einlassdurchlass vorgesehene
Kraftstoffversorgungsvorrichtung zum Mischen von Luft mit Kraftstoff,
um ein Gemisch zu erzeugen;
eine Umschalteinrichtung zum In-Verbindung-Bringen
des gemeinsamen Einlassdurchlasses mit dem ersten Zweigeinlassdurchlass
und/oder dem zweiten Zweigeinlassdurchlass;
eine im ersten
Zweigeinlassdurchlass vorgesehene Durchsatz-Einstelleinrichtung
zum Steuern eines Durchsatzes des durch den ersten Zweigeinlassdurchlass
strömenden Gemisches; und
eine Steuerungsvorrichtung
zum Betätigen der Umschalteinrichtung beim Umschalten zwischen
der Funkenzündungsverbrennung und der Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung.
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Ein
Verfahren zum Steuern von Einlassluft eines Vormisch-Kompressionszündungsmotors,
der dazu im Stande ist, zwischen Funkenzündungsverbrennung
und Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung umzuschalten,
wobei der Motor einen ersten Zweigeinlassdurchlass und einen zweiten
Zweigeinlassdurchlass, die jeweils mit einer Brennkammer in Verbindung
stehen, ein Umschaltventil zum derartigen Tätigwerden,
dass ein Gemisch dazu gebracht wird, durch den ersten Zweigeinlassdurchlass und/oder
den zweiten Zweigeinlassdurchlass zu strömen, und ein im
ersten Zweigeinlassdurchlass vorgesehenes Drosselventil aufweist,
ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Umschaltventil so tätig
wird, dass es das Gemisch dazu bringt, nur durch den zweiten Zweigeinlassdurchlass
zu strömen, nachdem von der Funkenzündungsverbrennung
zur Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung umgeschaltet
wurde.
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Wirkung der Erfindung
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Dadurch,
dass die Erfindung Folgendes aufweist: einen ersten Zweigeinlassdurchlass
und einen zweiten Zweigeinlassdurchlass, bei denen ein Durchlassende
mit einer Brennkammer in Verbindung steht; einen gemeinsamen Einlassdurchlass,
der mit den anderen Enden des ersten Zweigeinlassdurchlasses und
des zweiten Zweigeinlassdurchlasses in Verbindung steht; eine im
gemeinsamen Einlassdurchlass vorgesehene Kraftstoffversorgungsvorrichtung
zum Mischen von Luft mit Kraftstoff, um ein Gemisch zu erzeugen;
eine Umschalteinrichtung zum In-Verbindung-Bringen des gemeinsamen
Einlassdurchlasses mit dem ersten Zweigeinlassdurchlass und/oder
dem zweiten Zweigeinlassdurchlass; eine im ersten Zweigeinlassdurchlass
vorgesehene Durchsatz-Einstelleinrichtung zum Steuern eines Durchsatzes
des durch den ersten Zweigeinlassdurchlass strömenden Gemisches;
und eine Steuerungsvorrichtung zum Betätigen der Umschalteinrichtung
beim Umschalten von der Funkenzündungsverbrennung zur Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung,
kann verhindert werden, dass die Menge des in die Brennkammer gesaugten
Gemisches unzureichend wird, da das Gemisch beim Umschalten von
der Funkenzündungsverbrennung zur Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung
nur durch den zweiten Zweigeinlassdurchlass strömt und der
Brennkammer zugeführt wird, ohne dass sein Durchsatz eingestellt
wird. Darüber hinaus kann dadurch, dass das Gemisch beim
Umschalten von der Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung
zur Funkenzündungsverbrennung nur durch den ersten Zweigeinlassdurchlass
strömen gelassen wird, in dem die Menge des Gemisches durch
die Durchsatz-Einstelleinrichtung im Voraus auf eine geeignete Menge
eingestellt werden kann, verhindert werden, dass die Menge des in
die Brennkammer gesaugten Gemisches überschüssig
wird, da der Brennkammer das Gemisch zugeführt wird, dessen
Durchsatz eingestellt ist. Demnach kann ein Überschuss
oder ein Mangel bei der Menge des Einlassgemisches, zu dem es beim
Umschalten zwischen Funkenzündungsverbrennung und Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung
kommt, ohne Rücksicht auf das Vorhandensein oder die Abwesenheit
eines Verdichters überwunden werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Darstellung, die den Aufbau eines Vormisch-Kompressionszündungsmotors
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen einem Vormisch-Kompressionszündungsverbrennungsbereich
und einem Funkenzündungsverbrennungsbereich zeigt;
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3 ist
ein Ablaufdiagramm zum Erläutern der Umschaltprozedur von
einer Funkenzündungsverbrennung zu einer Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung
in dem Vormisch-Kompressionszündungsmotor gemäß diesem
Ausführungsbeispiel;
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4 ist
eine Darstellung, die beim Umschalten von einer Funkenzündungsverbrennung
zu einer Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung in dem
Vormisch-Kompressionszündungs motor gemäß diesem
Ausführungsbeispiel mit dem Vergehen der Zeit den Umschaltvorgang
eines Umschaltventils, den Öffnungs-/Schließvorgang
eines Drosselventils und den Zustand zeigt, in dem eine innere AGR
durchgeführt oder gestoppt wird;
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5 ist
ein Ablaufdiagramm zum Erläutern der Umschaltprozedur von
einer Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung zu einer
Funkenzündungsverbrennung in dem Vormisch-Kompressionszündungsmotor
gemäß diesem Ausführungsbeispiel; und
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6 ist
eine Darstellung, die beim Umschalten von einer Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung
zu einer Funkenzündungsverbrennung in dem Vormisch-Kompressionszündungsmotor
gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit
dem Vergehen der Zeit den Umschaltvorgang eines Umschaltventils,
den Öffnungs-/Schließvorgang eines Drosselventils
und den Zustand zeigt, in dem eine innere AGR durchgeführt
oder gestoppt wird.
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Beste Ausführungsart
für die Erfindung
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
das Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Als
Beispiel für den Vormisch-Kompressionszündungsmotor
gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird
ein Gasmotor für eine Gaswärmepumpe (nachstehend
als GWP bezeichnet) beschrieben. Wie in 1 gezeigt
ist, weist der Gasmotor für die GWP gemäß diesem
Ausführungsbeispiel Folgendes auf: einen Zylinder 1;
einen Kolben 2, der sich vertikal innerhalb des Zylinders 1 bewegen
kann; eine Brennkammer 3, die oberhalb des Kolbens 2 innerhalb
des durch den Zylinder 1, den Kolben 2 und einen
Zylinderkopf 1a definierten Zylinders 1 ausgebildet
ist; zwei Einlasskanäle 4 und 14 und
einen Auslasskanal 5, die innerhalb des Zylinderkopfs 1a ausgebildet
und mit der Brennkammer 3 verbunden sind; Einlassventile 6 und 25 und
ein Auslassventil 7, die jeweils die Einlasskanäle 4 und 14 und
den Auslasskanal 5 mit der Brennkammer 3 in oder
aus der Verbindung bringen; und eine Zündkerze 21,
die so angeordnet ist, dass sie von einem oberen Abschnitt des Zylinderkopfs 1a in
die Brennkammer 3 eindringt. Zum Antreiben der Einlassventile 6 und 25 und
des Auslassventils 7 sind jeweils (nicht gezeigte) Nockenwellen
mit bekannten variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 vorgesehen.
Jeder der variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 kann
sowohl die Betätigungsdauer als auch den Hubbetrag des
Einlassventils 25 und des Auslassventils 7 steuern,
die durch Nocken betätigt werden. Ein Einlassdurchlass 10 ist so
vorgesehen, dass er mit der Brennkammer in Verbindung steht, wobei
er einen ersten Zweigeinlassdurchlass 16 mit dem Einlasskanal 4 an
einem Ende von ihm, einen zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 mit dem
Einlasskanal 14 an einem Ende von ihm und einen gemeinsamen
Einlassdurchlass 19 aufweist, der mit den anderen Enden
des ersten Zweigeinlassdurchlasses 16 und des zweiten Zweigeinlassdurchlasses 17 in
Verbindung steht. Der gemeinsame Einlassdurchlass 19 ist
mit einem Mischer 11 versehen, der eine Kraftstoffversorgungsvorrichtung
zum Erzeugen eines Gemisches durch Mischen von durch den gemeinsamen
Einlassdurchlass 19 strömender Luft und durch
einen Kraftstoffdurchlass 15 strömendem Erdgas,
das ein Kraftstoff ist, ist. Der Kraftstoffdurchlass 15,
der mit dem Mischer 11 in Verbindung steht, ist mit einem
Kraftstoffdurchsatz-Steuerungsventil 22 versehen. Das Kraftstoffdurchsatz-Steuerungsventil 22 steuert
den Durchsatz von Stadt- oder Kommunalgas, das ein gasförmiger Kraftstoff
ist, und arbeitet mit einem Drosselventil 12 zusammen,
um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches zu steuern.
Der Einlassdurchlass 10 ist mit einem Umschaltventil 18 versehen,
das eine Umschalteinrichtung zum In-Verbindung-Bringen des gemeinsamen
Einlassdurchlasses 19 mit dem ersten Zweigeinlassdurchlass 16 und/oder
dem zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 ist. Der erste Zweigeinlassdurchlass 16 ist
mit dem Drosselventil 12 versehen, das eine Durchsatz-Einstelleinrichtung
zum Einstellen des Durchsatzes des durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 strömenden
Gemisches ist, wobei stromabwärts von dem Drosselventil 12 ein
Einlasskrümmer vorgesehen ist, der einen Ausgleichsbehälter 23 enthält.
Daneben ist der Gasmotor für die GWP gemäß diesem
Ausführungsbeispiel auch mit einer ECU 20 versehen,
die eine Steuerungsvorrichtung ist. Die variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9,
das Drosselventil 12, das Umschaltventil 18 und
die Zündkerze 21 sind mit der ECU 20 elektrisch verbunden.
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Als
nächstes wird der Betrieb des Vormisch-Kompressionszündungsmotors
gemäß diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Wenn
der Gasmotor für die GWP gemäß diesem
Ausführungsbeispiel gestartet wird, mischen sich, wie in 1 gezeigt
ist, die durch den gemeinsamen Einlassdurchlass 19 strömende
Luft und das durch den Kraftstoffdurchlass 15 strömende
Erdgas miteinander in dem Mischer 11, sodass sie zu dem Gemisch
werden. Wenn der Gasmotor für die GWP gestartet wird, bringt
das Umschaltventil 18 den gemeinsamen Einlassdurchlass 19 mit
dem ersten Zweigeinlassdurchlass 16 in Verbindung. Nachdem der
Durchsatz des Gemisches durch das Drosselventil 12 eingestellt
wurde, strömt das Gemisch durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 und
in den Einlasskrümmer, der den Ausgleichsbehälter 13 enthält. Wenn
das Einlassventil 6 geöffnet wird, wird das Gemisch über
den Einlasskanal 4 in die Brennkammer 3 gesaugt.
Das heißt, dass das Gemisch nur durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 strömt,
um in die Brennkammer 3 gesaugt zu werden. Das in die Brennkammer 3 gesaugte
Gemisch wird durch den Kolben 2 verdichtet und zu einem
geeigneten Zeitpunkt durch die Zündkerze 21 gezündet,
um zu verbrennen. Nach der Verbrennung erzeugtes Abgas wird durch
den Auslasskanal 5 abgegeben, wenn das Auslassventil 7 geöffnet
wird.
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Wenn
der Gasmotor für die GWP gestartet wird, wird im Allgemeinen
eine wie oben beschriebene Funkenzündungs-(SI-)Verbrennung
durchgeführt. Bei der Vormisch-Kompressionszündungs-(HCCI-)Verbrennung
gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt
die Zündeinstellungssteuerung durch Steuern der Temperatur
des Gases in der Brennkammer 3, während außerdem
von einer später beschriebenen inneren AGR Verwendung gemacht
wird. Da die Temperatur des Motors die Zündungssteuerung stark
beeinflusst, befindet sich der Motor somit, bis der Aufwärmvorgang
abgeschlossen ist und sich die Temperatur des Motors stabilisiert
hat, in einem Betriebszustand, der es im Wesentlichen schwierig macht,
eine HCCI-Verbrennung durchzuführen. In der ECU 20 ist
ein wie in 2 gezeigtes Kennfeld enthalten,
das den Zusammenhang zwischen dem SI-Verbrennungsbereich und einem
Vormisch-Kompressionszündungs-(HCCI-)Verbrennungsbereich darstellt.
Wenn der Gasmotor für die GWP gestartet wird, befindet
sich der Motor üblicherweise nicht unter der Bedingung
für den HCCI-Verbrennungsbereich. Mit anderen Worten bestimmt
die ECU 20, weil der Betriebszustand, der durch Motordrehzahl
und Motordrehmoment ausgedrückt wird, nicht für
die HCCI-Verbrennung geeignet ist, dass sich der Motor unter den
Bedingungen für die SI-Verbrennung befindet, sie bringt
das Gemisch durch Betätigung des Umschaltventils 18 dazu,
nur durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 zu strömen,
und sie betätigt unter einer geeigneten Zeiteinstellung
die Zündkerze 21. Danach empfängt die
ECU 20 Signale, die die Drehzahl des Gasmotors, das Soll-Drehmoment
usw. angeben. Wenn die ECU 20 feststellt, dass sich der Motor
unter den Bedingungen für die HCCI-Verbrennung befindet,
schaltet es den Betrieb zur HCCI-Verbrennung um. In dem in 2 gezeigten
Kennfeld dieses Ausführungsbeispiels ist zur Erleichterung
der Steuerung zwischen dem HCCI-Verbrennungsbereich und dem SI-Verbrennungsbereich
ein Übergangsbereich vorgesehen. Der Übergangsbereich
ist so vorgesehen, dass er die Außengrenze des HCCI-Verbrennungsbereichs
innerhalb eines Bereichs umgibt, in dem die HCCI-Verbrennung durchgeführt werden
kann (für HCCI-Verbrennung möglicher Bereich).
Der Grund, warum der Übergangsbereich vorgesehen ist, wird
später beschrieben. Der für die HCCI-Verbrennung
mögliche Bereich, in dem auch dann, wenn eine HCCI-Verbrennung
durchgeführt wird, eine stabile Verbrennung und eine geeignete Steuerung
durchgeführt werden können, ohne irgendwelche
Unannehmlichkeiten wie eine verfrühte Zündung
oder ein Klopfen zu verursachen, ist in dem Bereich vorgesehen,
in dem eine HCCI-Verbrennung durchgeführt werden kann.
Aus diesem Grund ist der Bereich, in dem die HCCI-Verbrennung durchgeführt werden
kann, abhängig vom jeweiligen Satz an Bedingungen, die
bei dem Gasmotor für die GWP vorausgesetzt werden, etwa
der Kraftstoffart und den Charakteristika der variablen Ventilsteuerungsmechanismen,
verschieden. Das in 2 gezeigte Kennfeld ist in diesem
Ausführungsbeispiel nicht mehr als ein Beispiel.
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Als
nächstes wird auf Grundlage des Ablaufdiagramms in 3 die
Umschaltprozedur von der SI-Verbrennung zur HCCI- Verbrennung in
dem Vormisch-Kompressionszündungsmotor gemäß diesem Ausführungsbeispiel
beschrieben.
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In
dem Fall, dass in dem Gasmotor für die GWP die SI-Verbrennung
durchgeführt wird, wird periodisch beruhend auf dem Betriebsbereich
des Gasmotors für die GWP und seiner Betriebsbedingung festgestellt,
ob eine HCCI-Verbrennung durchgeführt werden kann oder
nicht. Wenn die HCCI-Verbrennung durchgeführt werden kann,
schaltet der Betrieb zur HCCI-Verbrennung um. Wenn dieser Vorgang gestartet
wird, wird zunächst festgestellt, ob der Gasmotor für
die GWP aufgewärmt ist, was die HCCI-Verbrennung ermöglicht,
oder nicht (Schritt S1). Genauer gesagt wird eine (nicht gezeigte)
Erfassungseinrichtung verwendet, um die Kühlmitteltemperatur
und Öltemperatur des Gasmotors für die GWP zu
erfassen. Wenn die Kühlmittel- oder Öltemperatur
niedriger als ein voreingestellter Schwellenwert ist, wird bestimmt,
dass der derzeitige Zustand des Motors nicht für die HCCI-Verbrennung
geeignet ist, und der oben genannte Vorgang wird beendet. Wenn andererseits
sowohl die Kühlmitteltemperatur als auch die Öltemperatur
des Gasmotors für die GWP höher als der Schwellenwert
sind, wird eine Feststellung über den Betriebsbereich durchgeführt, um
festzustellen, ob die HCCI-Verbrennung durchgeführt werden
kann oder nicht. Genauer gesagt stellt die ECU 20 beruhend
auf dem in 2 gezeigten Kennfeld fest, ob
sich der Betriebszustand innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
befindet oder nicht (Schritt S2). Wenn festgestellt wird, dass sich
der Betriebszustand nicht innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
befindet, endet der oben genannte Vorgang. Wenn andererseits festgestellt
wird, dass sich der Betriebszustand innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
befindet, betätigt die ECU 20 das Umschaltventil 18,
um das Gemisch nur durch den zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 strömen
zu lassen, indem der gemeinsame Einlassdurchlass 19 mit dem
zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 in Verbindung gebracht
wird (Schritt S3). Gleichzeitig steuert die ECU 20 die
Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 so, dass sie
das Öffnen/Schließen des Einlassventils 6 beenden,
und schaltet zur Steuerung zum Öffnen/Schließen
des Einlassventils 25 um, um die Zeiteinstellung zum Schließen
des Auslassventils 7 bezogen auf den oberen Totpunkt vorzuverlegen
und die Zeiteinstellung zum Öffnen des Einlassventils 25 bezogen
auf den oberen Totpunkt zu verzögern, wodurch eine Steuerung
zur sogenannten negativen Überlappung durchgeführt
wird (Schritt S4). Das heißt, dass ein Anteil des Abgases
in der Brennkammer 3 zurückgehalten wird (innere
AGR), indem das Auslassventil 7 im Verlauf des Auslasshubs
geschlossen wird. Die ECU 20 ändert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Gemisches zur mageren Seite, indem sie den Öffnungsgrad
des Kraftstoffdurchsatz-Steuerungsventils 22 verringert
(Schritt S5). Diese Steuerung erfolgt, um nach Berücksichtigung der
Tatsache, dass die HCCI-Verbrennung einen höheren thermischen
Wirkungsgrad als die SI-Verbrennung hat, zu verhindern, dass ein
Drehmomentsprung erzeugt wird. Die Umschaltprozedur wird wie oben
beschrieben beendet. Dabei ist zu beachten, dass deswegen, weil
das Gemisch beim Umschalten bei der SI-Verbrennung zur HCCI-Verbrennung
nicht durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 strömt, der Öffnungsgrad
des Drosselventils 12 nicht eingestellt werden muss. 4 zeigt
mit dem Vergehen der Zeit den Umschaltvorgang des Umschaltventils, den Öffnungs-/Schließvorgang
des Drosselventils 12 und den Zustand, in dem die innere
AGR durchgeführt oder gestoppt wird.
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Da
sich das in die Brennkammer 3 gesaugte Gemisch mit dem
verbrannten Hochtemperaturgas mischt, das durch die innere AGR in
der Brennkammer 3 zurückbleibt, steigt die Temperatur
des Gases in der Brennkammer 3. Da die Temperatur in der Brennkammer 3 in
der Nähe des oberen Kompressionstotpunkts ebenfalls zunimmt,
findet stabil eine Kompressionsselbstzündung statt.
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Herkömmlicherweise
kann das in die Brennkammer 3 gesaugte Gemisch unmittelbar
nach dem Umschalten zur HCCI-Verbrennung unzureichend werden. Indem
die negative Überlappung für die innere AGR realisiert
wird, ändert sich die Zeitdauer, in der das Gemisch in
einem Einlasshub in die Brennkammer gesaugt werden kann, wobei der
variable Ventilsteuerungsmechanismus außerdem im Wesentlichen
dazu dient, die Menge des in die Brennkammer eindringenden Gemisches
zu steuern. Da die Menge des zylinderinternen Gases während
der HCCI-Verbrennung größer als während
der SI-Verbrennung sein muss, wird das Drosselventil 12 vollständig
geöffnet, um den übermäßigen
Mangel in dem Gemisch zu kompensieren. Da der HCCI-Verbrennungsbereich
jedoch zwischen einem Bereich mit geringer Umdrehung und geringer
Last und einem Bereich mit mittlerer Umdrehung und mittlerer Last
liegt und der Öffnungsgrad des Drosselventils 12 vor
dem Umschalten der Verbrennung gering ist, ist der Druck stromabwärts
vom Drosselventil 12 gleich hoch wie oder kleiner als der
Atmosphärendruck (ein Unterdruck). Wenn das Gemisch beim Umschalten
von der SI-Verbrennung zur HCCI-Verbrennung durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 strömen
gelassen wird, wird zudem die Bedingung, unter der der Druck in
dem Einlasskanal 4 vorübergehend gleich hoch wie
oder kleiner als der Atmosphärendruck (ein Unterdruck)
ist, nicht überwunden und kann die Menge des in die Brennkammer 3 gesaugten
Gemisches unzureichend werden, da der Vorgang des Öffnens/Schließens
des Drosselventils 12 aufgrund der Charakteristika eines
Stellglieds langsam ist. Da jedoch das Umschaltventil 18 gewährleistet,
dass das Gemisch nur durch den zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 strömt,
strömt durch den Einlasskanal 14 das Gemisch,
dessen Durchsatz durch das Drosselventil 12 nicht eingestellt
wird. Daher wird der Zustand des Unterdrucks in dem Einlasskanal 14 rasch überwunden
und wird verhindert, dass die Menge des in die Brennkammer 3 gesaugten
Gemisches unzureichend wird. Somit wird eine Verringerung des Drehmoments
verhindert.
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Nach
dem Umschalten von der SI-Verbrennung zur HCCI-Verbrennung gemäß der
oben genannten Prozedur wird die HCCI-Verbrennung fortgesetzt, wenn
sich die Betriebsbedingung innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
befindet. Wenn der Betriebszustand innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
schwankt, kann die HCCI-Verbrennung stabil fortgesetzt werden, indem
die variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 so
gesteuert werden, dass sich die Menge an innerer AGR ändert, oder
der Öffnungsgrad des Kraftstoffdurchsatz-Steuerungsventils
eingestellt wird. Wenn sich die Betriebsbedingung aus dem HCCI-Verbrennungsbereich
bewegt, schaltet die ECU 20 zur SI-Verbrennung um, um die
Zündkerze 21 am oberen Kompressionstotpunkt oder
unter einer geeigneten Zeiteinstellung vor oder nach dem oberen
Kompressionstotpunkt zu betätigen. Genauer gesagt wird
das Umschalten zur SI-Verbrennung durchgeführt, wenn sich der
Betriebszustand vom Inneren des Übergangsbereichs zum Übergangsbereich
innerhalb des für die HCCI-Verbrennung möglichen
Bereichs verschiebt. Wenn das Umschalten erfolgt, nachdem sich der
Betriebszustand aus dem für die HCCI-Verbrennung möglichen
Bereich bewegt hat, kann das Steuerungsverhalten zu spät
sein, um Unannehmlichkeiten wie ein Motorabwürgen usw.
zu verhindern. Um solche Unannehmlichkeiten zu vermeiden, ist außerhalb des
HCCI-Verbrennungsbereichs innerhalb des für die HCCI-Verbrennung
möglichen Bereichs der Übergangsbereich vorgesehen.
Die Breite des Übergangsbereichs ist demnach so festgelegt, dass
sich der Betriebszustand des Gasmotors für die GWP vom
HCCI-Verbrennungsbereich zum SI-Verbrennungsbereich verschiebt,
ohne dass erfasst wird, dass er sich im Übergangsbereich
befindet.
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Als
nächstes wird auf der Grundlage des Ablaufdiagramms in 5 die
Prozedur zum Umschalten von der HCCI-Verbrennung zur SI-Verbrennung in
dem Vormisch-Kompressionszündungsmotor gemäß diesem
Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In
dem Fall, dass in dem Gasmotor für die GWP die HCCI-Verbrennung
durchgeführt wird, stellt die ECU 20 beruhend
auf dem Betriebsbereich und der Betriebsbedingung periodisch fest,
ob eine Verschiebung zur SI-Verbrennung durchgeführt werden soll
oder nicht. Wenn es beruhend auf der Verschiebung des Betriebszustands
zum Übergangsbereich wahrscheinlich ist, dass es zu einer
Verschiebung zur SI-Verbrennung kommt, erfolgt das Umschalten zur SI-Verbrennung.
Wenn dieser Vorgang gestartet wird, wird beruhend auf dem in 2 gezeigten Kennfeld
festgestellt, ob sich die Betriebsbedingung innerhalb des Übergangsbereichs
befindet oder nicht (Schritt S11). Wenn festgestellt wird, dass
sich die Betriebsbedingung nicht innerhalb des Übergangsbereichs
befindet, wird die HCCI-Verbrennung fortgesetzt und der oben genannte
Vorgang beendet. Wenn andererseits festgestellt wird, dass sich
die Betriebsbedingung innerhalb des Übergangsbereichs befindet,
stellt die ECU 20 den Öffnungsgrad des Drosselventils 12 auf
einen Öffnungsgrad ein, der zu der Menge des Gemisches
zum Zeitpunkt der SI-Verbrennung passt. Das heißt, dass
die ECU 20 im Voraus einen Zustand einstellt, in dem das
Drosselventil 12 den Durchsatz des Gemisches auf einen
geeigneten Durchsatz einstellt (Schritt S12). Die ECU 20 dient
auch als eine Steuerung, um den Öffnungsgrad des Kraftstoffdurchsatz-Steuerungsventils 22 zu
erhöhen, wodurch sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur
fetten Seite ändert, sodass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
für eine SI-Verbrennung eignet (Schritt S13). Nachdem der
Vorgang zum Einstellen des Öffnungsgrads des Drosselventils 12 und
zum Ändern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beendet worden
ist, betätigt die ECU 20 das Umschaltventil 18,
um den gemeinsamen Einlassdurchlass 19 mit dem ersten Zweigeinlassdurchlass 16 in
Verbindung zu bringen, wodurch das Gemisch dazu gebracht wird, nur
durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 zu strömen
(Schritt S14). Gleichzeitig mit der Betätigung des Umschaltventils 18 steuert
die ECU 20 die variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 so, dass
sie das Öffnen/Schließen des Einlassventils 25 beenden
und zum Steuern des Öffnens/Schließens des Einlassventils 6 umschalten,
um den Zustand negativer Überlappung aufzuheben. Mit anderen
Worten stoppt die ECU 20 die innere AGR (Schritt S15). Die
Prozedur zum Umschalten wird wie oben beschrieben beendet. Wenn
danach die Leistung des Gasmotors für die GWP während
der SI-Verbrennung ansteigt, nimmt die benötigte Gemischmenge zu.
In diesem Fall betätigt die ECU 20 das Umschaltventil 18,
um den gemeinsamen Einlassdurchlass 19 nach Bedarf mit
sowohl dem ersten Zweigeinlassdurchlass 16 als auch dem
zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 in Verbindung zu bringen,
um das Gemisch dazu zu bringen, durch sowohl den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 als
auch den zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 zu strömen. 6 zeigt mit
dem Vergehen der Zeit den Vorgang des Betätigens des Umschaltventils 18,
den Vorgang des Öffnens/Schließens des Drosselventils 12 und
den Zustand, in dem die innere AGR durchgeführt oder gestoppt
wird.
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Wenn
bei durch den zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 strömendem
Gemisch zur SI-Verbrennung umgeschaltet wird, wird, weil die Differenz
zwischen den Drücken in dem Einlasskanal 14 und
der Brennkammer 3 aufgrund des Stopps der inneren AGR zunimmt,
vorübergehend das Gemisch in die Brennkammer 3 gesaugt,
dessen Menge größer als oder gleich hoch wie die
bei der SI-Verbrennung benötigte Menge ist. Dadurch kann
ein Drehmomentsprung verursacht werden, sodass sich das Drehmoment
erhöht. Wenn das Umschaltventil 18 jedoch betätigt
wird, nachdem der Öffnungsgrad des Drosselventils 12 auf
den Öffnungsgrad eingestellt wurde, der zu der Menge des
Gemisches zum Zeitpunkt der SI-Verbrennung passt, strömt
das Gemisch durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16,
indem die innere AGR gestoppt wird, nachdem das Drosselventil 12 den
Durchsatz des Gemisches im Voraus auf einen geeigneten Durchsatz
eingestellt hat. Daher wird verhindert, dass die Menge des in die
Brennkammer 3 gesaugten Gemisches vorübergehend überschüssig
wird. Dadurch kann eine anormale Verbrennung, d. h. einen Anstieg
des Drehmoments, verhindert werden.
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Da
wie oben beschrieben ein erster Zweigeinlassdurchlass 16 und
ein zweiter Zweigeinlassdurchlass 17, wobei ein Ende jedes
Durchlasses mit der Brennkammer 3 in Verbindung steht,
ein gemeinsamer Einlassdurchlass 19, der mit den anderen
Enden des ersten Zweigeinlassdurchlasses 16 und des zweiten
Zweigeinlassdurchlasses 17 in Verbindung steht, ein Mischer 11 zum
Mischen von Luft mit Kraftstoff, um ein Gemisch zu erzeugen, ein
Umschaltventil 18 zur derartigen Betätigung, dass
der gemeinsame Einlassdurchlass 19 mit dem ersten Zweigeinlassdurchlass 16 und/oder
dem zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 in Verbindung gebracht
wird, ein Drosselventil 12 zum Steuern eines Durchsatzes
des durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 strömenden
Gemisches und eine ECU 20 zum Betätigen des Umschaltventils 18 vorgesehen
sind, wobei die ECU 20 das Umschaltventil 18 so
betätigt, dass das Gemisch dazu gebracht wird, beim Umschalten
von der Funkenzündungsverbrennung zur Vormisch- Kompressionszündungsverbrennung
nur durch den zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 zu strömen,
wird das Gemisch der Brennkammer 3 zugeführt,
ohne dass sein Durchsatz eingestellt wird, und kann daher verhindert
werden, dass die Menge des in die Brennkammer 3 gesaugten
Gemisches unzureichend wird. Da die ECU 20 darüber
hinaus beim Umschalten von der Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung zu
der Funkenzündungsverbrennung das Umschaltventil 18 so
betätigt, dass das Gemisch nur durch den ersten Zweigeinlassdurchlass 16 strömt,
nachdem der Öffnungsgrad des Drosselventils 12 auf
den Öffnungsgrad eingestellt wurde, der zur Menge des Gemisches
zum Zeitpunkt der SI-Verbrennung passt, und der Brennkammer 3 das
Gemisch zugeführt wird, dessen Durchsatz eingestellt ist,
kann verhindert werden, dass die Menge des in die Brennkammer 3 gesaugten
Gemisches überschüssig wird. Demnach kann ein Überschuss
oder ein Mangel bei der Menge des Einlassgemisches, zu dem es beim
Umschalten zwischen der Funkenzündungsverbrennung und der Vormisch-Kompressionszündungsverbrennung kommt, überwunden
werden.
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Dieses
Ausführungsbeispiel setzt einen Aufbau ein, in dem der
variable Ventilsteuerungsmechanismus 8 zum Zeitpunkt der
SI-Verbrennung oder HCCI-Verbrennung nur eines der beiden Einlassventile 6 und 25 antreibt.
Allerdings ist dieser Aufbau nicht unverzichtbar. Da die Erfindung
den Aufbau einsetzt, der zwischen dem ersten Zweigeinlassdurchlass 16 und
dem zweiten Zweigeinlassdurchlass 17 umschaltet, kann die
Erfindung auch mit einem Aufbau realisiert werden, bei dem die beiden
Einlassventile 6 und 25 konstant angetrieben werden.
Allerdings ist das Anhalten des einen Einlassventils 6 oder 25, dem
das Gemisch nicht zugeführt wird, hinsichtlich einer Reibungsverringerung
usw. vorteilhaft. Da der Betrieb des Motors zum Zeitpunkt der HCCI-Verbrennung
durch Ändern der Menge an innerer AGR gesteuert wird, ohne
dass das Drosselventil 12 verwendet wird, muss der variable
Ventilsteuerungsmechanismus 8 zudem eine Funktion zum Ändern
der Zeiteinstellung zum Öffnen/Schließen des Einlassventils 25 haben.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird als Kraftstoff Stadt- oder
Kommunalgas verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf
beschränkt. Es kann ein beliebiger Kraftstoff wie Erdgas
verwendet werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird der Vormisch-Kompressionszündungsmotor
unter Bezugnahme auf einen Gasmotor für eine GWP als Beispiel beschrieben.
Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Der
Vormisch-Kompressionszündungsmotor kann auch ein Dieselmotor,
der als Kraftstoff Leichtöl verwendet, oder ein Benzinmotor
sein. Der Vormisch-Kompressionszündungsmotor ist nicht
auf einen Motor mit einem einzelnen Zylinder beschränkt,
sondern kann ein beliebiger Motor wie ein 4-Zylinder-Reihenmotor
oder ein V8-Motor sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
mit einer Brennkammer (3) in Verbindung stehender Einlassdurchlass
(10) weist einen ersten Zweigeinlassdurchlass (16),
der einen Einlasskanal (4) an seinem einen Ende und einen
Einlasskrümmer mit einem Ausgleichsbehälter (13)
aufweist, einen zweiten Zweigeinlassdurchlass (17), der
einen Einlasskanal (14) an seinem einen Ende und einen
Einlasskrümmer mit einem Ausgleichstank (23) aufweist,
und einen gemeinsamen Einlassdurchlass (19) auf, der jeweils
mit den anderen Enden des ersten Zweigeinlassdurchlasses (16)
und des zweiten Zweigeinlassdurchlasses (17) in Verbindung
steht. Im gemeinsamen Einlassdurchlass (19) ist ein Mischer
(11) zum Erzeugen eines Gemisches vorgesehen. Im Einlassdurchlass
(10) ist ein Umschaltventil (18) zum In-Verbindung-Bringen
des gemeinsamen Einlassdurchlasses (19) mit dem ersten
Zweigeinlassdurchlass (16) und/oder dem zweiten Zweigeinlassdurchlass
(17) vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-176688
A [0004]