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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine mit homogener Kompressionszündung, in der ein Verbrennungsmodus zwischen einer Funkenzündungsverbrennung und einer homogenen Kompressionszündungsverbrennung umgeschaltet werden kann.
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STAND DER TECHNIK
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In vergangenen Jahren haben Maschinen mit homogener Kompressionszündung (HCCI), von denen eine exzellente Kraftstoffwirtschaftlichkeit und ein exzellenter Wärmewirkungsgrad erhalten werden kann, Aufmerksamkeit erregt und verschiedene Untersuchungen über diese Maschinen sind ausgeführt worden. In den meisten HCCI-Maschinen wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch ein Gemisch aus einem Kraftstoff und Luft in einem Einlassdurchgang der Maschine erzeugt, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu einer Brennkammer zugeführt werden kann. Dann steigen die Temperatur und der Druck in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das im Inneren der Brennkammer enthalten ist, an, wenn sich der Kolben zu der Zeit des Verdichtungshubs anhebt, so dass das Gemisch plötzlich zündet. Ein Problem, das im Hinblick auf die praktische Umsetzung von HCCI-Maschinen bewältigt werden muss, ist, dass der Maschinenbetriebsbereich, der eine stabile Steuerung der homogenen Kompressionszündungsverbrennung (HCCI-Verbrennung) gestattet, noch immer schmal ist. Um dieses Problem zu bewältigen gibt es einen Trend, die HCCI-Verbrennung in stationären Maschinen umzusetzen, in denen der gewöhnlich verwendete Betriebsbereich relativ schmal ist, beispielsweise in Gasmaschinen für GHPs (Gaswärmepumpen). Darüber hinaus ist auch eine Maschine vorgeschlagen worden, in der der Verbrennungsmodus so umgeschaltet wird, dass eine HCCI-Verbrennung in dem häufig verwendeten Mitteldrehzahl- und Mittellastbereich ausgeführt wird und eine Funkenzündungsverbrennung (SI-Verbrennung) in dem Niedrigdrehzahlbereich und dem Hochdrehzahlbereich und in dem Niedriglastbereich und dem Hochlastbereich ausgeführt wird.
JP 2000-220 458 A und
JP 2004-293 471 A offenbaren beispielsweise ein Verfahren zum Steuern einer HCCI-Maschine, in der der Verbrennungsmodus zwischen der SI-Verbrennung und der HCCI-Verbrennung umgeschaltet werden kann.
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In
JP 2000-220 458 A wird die Drossel allmählich geöffnet, wenn die SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, so dass die Einlassmenge zu der Zeit der HCCI-Verbrennung höher als zu der Zeit der SI-Verbrennung ist. Als eine Folge ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der Zeit der HCCI-Verbrennung höher als zu der Zeit der SI-Verbrennung, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu der Zeit eines Betriebs durch die HCCI-Verbrennung mager wird, und sich die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und der Wärmewirkungsgrad erhöhen.
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Darüber hinaus wird in
JP 2004-293 471 A der Drosselöffnungsgrad temporär bei einem Niveau zwischen dem Öffnungsgrad zu der Zeit der SI-Verbrennung und dem Öffnungsgrad zu der Zeit der HCCI-Verbrennung fixiert, wenn die SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird. Als eine Folge wird ein Pumpverlust verringert, während die Fahrbarkeit aufrechterhalten wird, so dass sich die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöht.
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Der Drosselöffnungsgrad hat einen Schließwinkel in dem Zustand der SI-Verbrennung, bevor der Verbrennungsmodus zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird. Demzufolge gibt es einen Druckunterschied zwischen Abschnitten an jeder Seite der Drossel innerhalb des Einlassdurchgangs. Im Speziellen erreicht ein Unterdruck (Einlassunterdruck) den Abschnitt des Einlassdurchgangs an der Seite, die zu der Brennkammer der Drossel korrespondiert, und ein im Wesentlichen atmosphärischer Druck erreicht den Abschnitt des Einlassdurchgangs an der Seite entgegengesetzt zu der Brennkammer. Wenn die Drossel in dem Aufbau öffnet, der in
JP 2000-220 458 A und
JP 2004-293 471 A beschrieben ist, erhöht sich die Strömungsrate von Luft in der Nähe der Drossel plötzlich aufgrund des Druckunterschieds. Demzufolge wird in dem Fall, in dem der Kraftstoffzuführungsabschnitt in der Nähe der Drossel angeordnet ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager. Als eine Folge treten Fehlzündungen in der Maschine während der Zeitspanne auf, in der die SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, und die Maschine kann absterben. Insbesondere in dem Fall, in dem ein Mischer oder Vergaser verwendet wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zuzuführen, wird Kraftstoff zu einem Punkt stromaufwärts der Drossel und in der Nähe der Drossel zugeführt, und deshalb wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Überschussluftverhältnis) in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch durch das Öffnen und Schließen der Drossel stark beeinflusst.
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Das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das mager wird, ist in dem Fall kein bedeutendes Problem, in dem das Überschussluftverhältnis in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das für die HCCI-Verbrennung erfordert ist, hoch ist. In dem Fall jedoch, in dem die HCCI-Verbrennung in einer HCCI-Maschine ausgeführt wird, die eine negative Überlappungszeitspanne zu der Zeit der HCCI-Verbrennung vorsieht und eine interne AGR verwendet, ist es notwendig, ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer zuzuführen. Das heißt, es ist notwendig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass das Überschussluftverhältnis niedrig wird. In diesem Fall verursacht ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch, wie es vorstehend beschrieben ist, ein bedeutendes Problem. Die negative Überlappungszeitspanne ist eine Zeitspanne, während der sowohl das Auslassventil als auch das Einlassventil geschlossen sind, wenn sich der Kolben in dem Auslasshub in der Nähe des oberen Totpunkts befindet. Insbesondere um eine hohe Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine niedrige NOx-Emissionsmenge zu erreichen, wird in manchen Fällen eine magere Verbrennung zu der Zeit der SI-Verbrennung ausgeführt. In diesem Fall wird das Überschussluftverhältnis manchmal größer als das zu der Zeit der HCCI-Verbrennung, und somit wird das vorstehend beschriebene Problem merklicher.
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Somit erhöht sich die Einlassmenge äußerst plötzlich, wenn ein Öffnen der Drossel beginnt. Deshalb ist es, selbst wenn die Einlassmenge unter Verwendung der Technologie eingestellt wird, die in
JP 2000-220 458 A und
JP 2004-293 471 A offenbart ist, schwierig, solch eine plötzliche Erhöhung der Einlassmenge zu unterdrücken und zu verhindern, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch als eine Folge übermäßig mager wird.
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US 6 336 436 B1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei der die Kraftstoffeinspritzmenge während einer Umschaltzeitspanne zwischen der Zündfunkenverbrennung und einer homogenen Kompressionszündungsverbrennung verringert wird.
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Eine weitere Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik ist in
US 2003/0 192 305 A1 offenbart.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine HCCI-Maschine vorzusehen, die, wenn der Verbrennungsmodus von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, verhindert, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird, wenn die Drossel öffnet, wodurch ein Fehlzünden verhindert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Maschine mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Maschine) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Maschine mit homogener Kompressionszündung vorgesehen, die eine Brennkammer und einen Einlassdurchgang hat, der mit dieser Brennkammer verbunden ist. In dieser Maschine wird der Verbrennungsmodus zwischen einer Funkenzündungsverbrennung und einer homogenen Kompressionszündungsverbrennung während einer Umschaltzeitspanne umgeschaltet. Die Maschine sieht eine negative Überlappungszeitspanne in dem Betrieb während einer homogenen Kompressionszündungsverbrennung vor. Diese negative Überlappungszeitspanne ist eine Zeitspanne, während der ein Einlassventil und ein Auslassventil beide geschlossen sind, wenn sich ein Kolben in dem Auslasshub in der Nähe des oberen Totpunkts befindet, so dass verbranntes Gas im Inneren der Brennkammer verbleibt. Die Maschine ist mit einer Drossel, einem Einstellabschnitt und einem Steuerungsabschnitt versehen. Die Drossel stellt die Menge von Luft ein, die zu der Brennkammer zugeführt wird. Der Einstellabschnitt stellt die Kraftstoffmenge ein, die zu dem Einlassdurchgang zugeführt wird. Der Steuerungsabschnitt steuert die Drossel und den Einstellabschnitt. Während der Umschaltzeitspanne, in der die Funkenzündungsverbrennung zu der homogenen Kompressionszündungsverbrennung umgeschaltet wird, steuert der Steuerungsabschnitt die Drossel derart, dass sich der Drosselöffnungsgrad von dem Öffnungsgrad zu der Zeit eines stetigen Betriebs bei der Funkenzündungsverbrennung zu dem Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen Betriebs bei der homogenen Kompressionszündungsverbrennung erhöht. Des Weiteren steuert der Steuerungsabschnitt den Einstellabschnitt derart, dass die Kraftstoffmenge, die zu dem Einlassdurchgang zugeführt wird, größer wird als zu der Zeit des stetigen Betriebs bei der Funkenzündungsverbrennung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Diagramm, das den Gesamtaufbau einer HCCI-Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist ein Diagramm, das den Drosselöffnungsgrad, den Kraftstoffventilöffnungsgrad, die Strömungsrate durch den Mischer und das Überschussluftverhältnis in der Maschine von 1 zeigt;
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3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des SI- und HCCI-Betriebsbereichs in der Maschine von 1 zeigt;
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4 ist ein schematisches Diagramm, das den Gesamtaufbau einer HCCI-Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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5 ist ein Diagramm, das den Drosselöffnungsgrad, den Kraftstoffventilöffnungsgrad, die Strömungsrate durch den Mischer und das Überschussluftverhältnis in der Maschine von 4 zeigt.
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BESTE FORM ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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In dem Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Mit Bezug auf 1 ist der Gesamtaufbau einer Maschine mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Maschine) 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die Maschine 1 hat eine Brennkammer 10, einen Einlassdurchgang 11p, der mit der Brennkammer 10 verbunden ist, ein Einlassventil 11v, ein Auslassventil 12v und einen Auslassdurchgang 12p. Die Maschine arbeitet, während der Verbrennungsmodus in geeigneter Weise zwischen einer Funkenzündungsverbrennung (SI-Verbrennung) und einer homogenen Kompressionszündungsverbrennung (HCCI-Verbrennung) gemäß der Betriebsbedingung (Last und Drehzahl der Maschine) umgeschaltet wird. Demzufolge erreicht die Maschine 1 sowohl eine hohe Kraftstoffwirtschaftlichkeit aufgrund der HCCI-Verbrennung und eine hohe Leistung aufgrund der SI-Verbrennung. Der Einlassdurchgang 11p ist mit einem Mischer 4 versehen. Ein Gaskraftstoff wird zu diesem Mischer 4 über einen Kraftstoffzufuhrweg 2p zugeführt, so dass Luft und der Kraftstoff in dem Mischer 4 gemischt werden. Der Kraftstoffzufuhrweg 2p, der mit dem Mischer 4 verbunden ist (Einlassdurchgang 11p), funktioniert als ein Weg für einen Gaskraftstoff. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform ein Gaskraftstoff wie Stadtgas oder LPG als der Kraftstoff verwendet wird, ist der Kraftstoff nicht auf einen Gaskraftstoff beschränkt. Darüber hinaus, obwohl in der vorliegenden Ausführungsform der Kraftstoff und Luft in dem Mischer 4 gemischt werden, können sie in einem anderen Gerät als dem Mischer 4 gemischt werden (beispielsweise in einem Vergaser oder einem Injektor).
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Darüber hinaus wird die Maschine 1 gesteuert, um in dem Betrieb während der HCCI-Verbrennung eine negative Überlappungszeitspanne vorzusehen. Die Maschine 1 kann die HCCI-Verbrennung während der negativen Überlappungszeitspanne unter Anwendung der internen AGR durchführen. Die negative Überlappungszeitspanne ist eine Zeitspanne, während der das Auslassventil und das Einlassventil beide geschlossen sind, wenn sich der Kolben 20 in dem Auslasshub in der Nähe des oberen Totpunkts befindet. In diesem Fall wird das Auslassventil geschlossen, bevor der Kolben 20 in dem Auslasshub den oberen Totpunkt erreicht. Als eine Folge verbleibt ein Teil des verbrannten Gases im Inneren der Brennkammer als ein internes AGR-Gas und wird für die nächste Verbrennung verwendet. Der vorstehend beschriebene Aufbau gestattet, dass das interne AGR-Gas mit hoher Temperatur mit einem neuen Luft-Kraftstoff-Gemisch gemischt wird, das in die Brennkammer 10 zugeführt wird, so dass die Temperatur im Inneren der Brennkammer 10 ansteigt. Als eine Folge erhöht sich die Zündbarkeit während der HCCI-Verbrennung. Es wird somit möglich, die Zündungszeit durch Einstellen der Länge der negativen Überlappungszeitspanne auf einen gewissen Grad einzustellen. Die interne AGR wird angewendet, wie vorstehend beschrieben ist, und deshalb ist es notwendig, ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu der Brennkammer 10 zu der Zeit der HCCI-Verbrennung zuzuführen. Dies ist so, weil das Innere der Brennkammer 10 auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt ist, das zu der Zeit der HCCI-Verbrennung erfordert ist, wenn das interne AGR-Gas und das Luft-Kraftstoff-Gemisch gemischt werden.
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Darüber hinaus hat die Maschine 1 eine Drossel 3 und ein Kraftstoffventil 2v, das ein Einstellabschnitt ist. Des Weiteren hat die Maschine 1 eine ECU (elektronische Steuerungseinheit) 5, die ein Steuerungsabschnitt ist, und das Kraftstoffventil 2v, die Drossel 3, das Einlassventil 11v, eine Zündkerze 60c und das Auslassventil 12v sind über entsprechende Leitungen 5a bis 5e mit der ECU 5 elektrisch verbunden. Somit steuert die ECU 5 den Betrieb des Kraftstoffventils 2v, der Drossel 3, des Einlassventils 11v, der Zündkerze 60c und des Auslassventils 12v. Im Detail haben das Einlassventil 11v und das Auslassventil 12v Nocken 11c bzw. 12c, und die ECU 5 steuert den Betrieb der Nocken 11c und 12c, so dass der Öffnungs- und Schließbetrieb des Einlassventils 11v und des Auslassventils 12v gesteuert wird. Darüber hinaus wird die Zündkerze 60c zu der Zeit der SI-Verbrennung verwendet.
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Wie in 1 gezeigt ist, hat die Drossel 3 eine Welle 3c, einen Ventilabschnitt 3v und einen Schrittmotor (nicht gezeigt) zum Antreiben der Welle 3c. Der Ventilabschnitt 3v ist um die Welle 3c herum drehbar. Darüber hinaus wird der Öffnungsgrad des Ventilabschnitts 3v durch Steuern des Schrittmotors durch die ECU 5 eingestellt, und deshalb wird die Einlassmenge von Luft, die auf diese Weise zu der Brennkammer 10 über den Einlassdurchgang 11p zugeführt wird, eingestellt.
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Das Kraftstoffventil 2v ist in dem Kraftstoffzufuhrweg 2p vorgesehen. Der Öffnungsgrad des Kraftstoffventils 2v wird durch die ECU 5 gesteuert. Als eine Folge wird die Kraftstoffmenge eingestellt, die zu dem Einlassdurchgang 11p zugeführt wird.
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Als nächstes wird der Betrieb der Maschine 1 mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das den Drosselöffnungsgrad, den Kraftstoffventilöffnungsgrad, die Strömungsrate durch den Mischer und das Überschussluftverhältnis in der Maschine 1 zeigt. Die horizontale Achse in 2 kennzeichnet die Anzahl von Verbrennungszyklen. Der Drosselöffnungsgrad und der Kraftstoffventilöffnungsgrad kennzeichnen den Zustand nach einer Steuerung durch die ECU 5, und die Strömungsrate durch den Mischer und das Überschussluftverhältnis kennzeichnen die Ergebnisse, die durch diese Steuerung erhalten werden. Darüber hinaus wird in 2 eine HCCI-Verbrennung unter Verwendung der internen AGR ausgeführt. Demzufolge sind der Drosselöffnungsgrad, der Kraftstoffventilöffnungsgrad, die Strömungsrate durch den Mischer und das Überschussluftverhältnis, wenn die Maschine 1 während der HCCI-Verbrennung stetig arbeitet, d. h. zu der Zeit eines stetigen HCCI-Betriebs, Beträge oder Werte in dem Fall, in dem eine interne AGR ausgeführt wird.
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In der Maschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie in 3 gezeigt ist, der Verbrennungsmodus zwischen der HCCI-Verbrennung und der SI-Verbrennung gemäß der Last der Maschine und der Drehzahl der Maschine umgeschaltet. Demzufolge beinhaltet ein „Umschalten von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung” verschiedene Umschaltmuster, wie durch die Pfeile in 3 dargestellt ist. Das Diagramm von 2 ist ein Beispiel von verschiedenen Umschaltmustern, und die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf das in 2 gezeigte Muster beschränkt.
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Darüber hinaus hat die ECU 5 in der HCCI-Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Steuerungsmuster wie das, das in dem Diagramm von 2 zu der Zeit des Umschaltens gezeigt ist, und hat zusätzlich, zu diesem in 2 gezeigtem Muster, verschiedene Steuerungsmuster, die zu verschiedenen Umschaltmustern (von SI zu HCCI) korrespondieren, wie in 3 gezeigt ist.
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Der „Drosselöffnungsgrad” in 2 kennzeichnet den Öffnungsgrad der Drossel 3. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Drosselöffnungsgrad derart, dass die Drossel zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs vollständig geöffnet ist. Darüber hinaus kennzeichnet der „Kraftstoffventilöffnungsgrad” den Öffnungsgrad des Kraftstoffventils 2v.
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Darüber hinaus kennzeichnet in 2 die „Strömungsrate durch den Mischer” die Strömungsrate des Luft-Kraftstoff-Gemischs, das durch den Mischer 4 hindurchgeht. Darüber hinaus ist das „Überschussluftverhältnis” in 2 ein Wert, der durch Teilen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch, das über den Einlassdurchgang 11p zu der Brennkammer 10 zugeführt wird, durch das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhalten wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das zum Erhalten des überschussluftverhältnisses verwendet wird, wird durch den Sensor 50 gemessen, der in 1 zwischen der Drossel 3 und der Brennkammer 10 vorgesehen ist. Je höher das Überschussluftverhältnis ist, desto magerer wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch.
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Die durchgehenden Linien in 2 zeigen den Zustand, in dem Fall der Steuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nimmt der Drosselöffnungsgrad Schritt um Schritt während der Zeitspanne zu, in der der Verbrennungsmodus von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, und der Kraftstoffventilöffnungsgrad erhöht sich einmal und wird anschließend zu dem Öffnungsgrad geändert, der für die HCCI-Verbrennung erfordert ist. Die gestrichelten Linien zeigen den Zustand in dem Fall, in dem sich der Drosselöffnungsgrad direkt zu einem vollständig geöffneten Zustand während der Zeitspanne erhöht, in der der Verbrennungsmodus von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, und sich der Kraftstoffventilöffnungsgrad direkt zu dem Öffnungsgrad ändert, der für die HCCI-Verbrennung erfordert ist.
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Wie vorstehend beschrieben ist, gibt es einen Druckunterschied zwischen Abschnitten des Einlassdurchgangs 11p an jeder Seite der Drossel 3. Im Speziellen erreicht ein Unterdruck (Einlassunterdruck) den Abschnitt des Einlassdurchgangs 11p an einer Seite, die zu der Brennkammer 10 der Drossel 3 korrespondiert, und ein im Wesentlichen atmosphärischer Druck erreicht den Abschnitt des Einlassdurchgangs 11p an der Seite entgegengesetzt zu der Brennkammer 10. In dem Beispiel, das durch die gestrichelten Linien gezeigt ist, erhöht sich der Drosselöffnungsgrad von dem Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen Betriebs der Maschine 1 während der SI-Verbrennung (zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs) direkt auf den Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs (in einen vollständig geöffneten Zustand) (siehe (1)), und der Kraftstoffventilöffnungsgrad verringert sich direkt auf den Öffnungsgrad, der während der HCCI-Verbrennung erfordert ist (Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs) (siehe (2)). In diesem Fall bewirkt die vorstehend beschriebene Druckdifferenz, dass während der Umschaltzeitspanne sich die Strömungsrate durch den Mischer plötzlich erhöht (siehe (3)) und sich das Überschussluftverhältnis plötzlich erhöht (siehe (4)). Als eine Folge wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager, und somit wird es leicht, dass die Maschine fehlzündet und abstirbt.
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Die interne AGR wird in der Maschine 1 zu der Zeit des Kompressionszündungsbetriebs ausgeführt, wie vorstehend beschrieben ist, und deshalb ist es notwendig, ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu der Brennkammer 10 zuzuführen. Demzufolge werden in dem Fall, in dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager wird (siehe (4)), derartige Probleme wie ein Fehlzünden merklich. Im Speziellen gibt es einige Fälle, in denen eine magere Verbrennung während der SI-Verbrennung ausgeführt wird, um eine hohe Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine niedrige NOx-Emissionsmenge zu erreichen. In diesem Fall wird das Überschuss-luftverhältnis manchmal größer als das zu der Zeit der HCCI-Verbrennung, und die vorstehend beschriebenen Probleme werden merklicher.
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In der Maschine 1 gemäß der vorliegenden Erfindung steuert die ECU 5 die Drossel 3 während der Zeitspanne, in der die SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, so, dass sich der Öffnungsgrad der Drossel 3 von dem Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs zu dem Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs erhöht (siehe (A)). Darüber hinaus steuert die ECU 5 das Kraftstoffventil 2v während dieser Umschaltzeitspanne derart, dass die Kraftstoffmenge, die zu dem Einlassdurchgang 11p zugeführt wird, größer als die Kraftstoffmenge wird, die zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs zugeführt wird (siehe (B)). Als eine Folge wird verhindert, dass sich die Strömungsrate durch den Mischer plötzlich erhöht (siehe (C)), und das Überschussluftverhältnis zu der Zeit der SI-Verbrennung ändert sich sanft bzw. gleichmäßig zu dem Überschussluftverhältnis zu der Zeit der HCCI-Verbrennung, ohne eine plötzliche Erhöhung des Überschussluftverhältnisses während der Umschaltzeitspanne (siehe (D)). Deshalb kann verhindert werden, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird.
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Darüber hinaus wird der Öffnungsgrad der Drossel 3 durch die ECU 5 während der Umschaltzeitspanne gesteuert, um sich Schritt um Schritt auf den Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs zu erhöhen (siehe (A)). Die ECU 5 erhöht den Öffnungsgrad der Drossel 3 in wenigstens einem Schritt von dem zweiten Schritt aus um einen Zunahmebetrag, der größer als der Zunahmebetrag in dem ersten Schritt ist. In 2 ist der Zunahmebetrag in dem zweiten Schritt (siehe (b)) und in dem dritten Schritt (siehe (c)) größer als in dem ersten Schritt (siehe (a)).
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Eine Spitzenströmungsrate tritt in mehreren Schritten in der Strömungsrate durch den Mischer auf, wenn die Drossel 3 Schritt um Schritt gesteuert wird. Jeder Zeitpunkt, zu dem eine Spitzenströmungsrate auftritt, entspricht dem Zeitpunkt unmittelbar nachdem die Drossel 3 öffnet (siehe (C)). Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dass der Öffnungsgrad der Drossel 3 Schritt um Schritt gesteuert wird. Der Drosselöffnungsgrad kann beispielsweise von dem Öffnungsgrad zu der Zeit der SI-Verbrennung monoton auf den Öffnungsgrad zu der Zeit der HCCI-Verbrennung ansteigen. In diesem Fall kann der Zunahmebetrag des Öffnungsgrads für die Anzahl von Verbrennungszyklen (d. h. das Zunahmeverhältnis der Öffnung) kleiner sein.
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Darüber hinaus steuert die ECU 5 das Kraftstoffventil 2v derart, dass die Kraftstoffmenge, die zu dem Einlassdurchgang 11p zugeführt wird, größer als die Kraftstoffmenge wird, die zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs zugeführt wird, bevor der Öffnungsgrad der Drossel 3 der Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs wird. Darüber hinaus steuert die ECU 5 das Kraftstoffventil 2v derart, dass die Kraftstoffmenge, die zu dem Einlassdurchgang 11p zugeführt wird, die Kraftstoffmenge wird, die zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs zugeführt wird, nachdem der Öffnungsgrad der Drossel 3 der Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs geworden ist (siehe (A) und (B)). Die zugeführte Kraftstoffmenge erhöht sich nur während der Umschaltzeitspanne, in der das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird, wie vorstehend beschrieben ist, und deshalb wird der Verbrennungsmodus sanft von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet, während verhindert wird, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch temporär mager wird.
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In diesem Aufbau wird verhindert, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird, wenn die Einlassmenge plötzlich zunimmt. Deshalb wird verhindert, dass die Maschine 1 fehlzündet. Darüber hinaus werden das Auftreten von Momentenstufen, die Erhöhung von HC und CO und das Absenken der Kraftstoffwirtschaftlichkeit aufgrund einer Erhöhung von HC und CO verhindert.
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Darüber hinaus erhöht sich während der Umschaltzeitspanne der Öffnungsgrad der Drossel 3 Schritt um Schritt auf den Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs, und deshalb wird verhindert, dass sich die Einlassmenge plötzlich erhöht, und es wird verhindert, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird.
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Darüber hinaus ist wenigstens einer der Zunahmebeträge des Öffnungsgrads der Drossel 3 während der Umschaltungszeitspanne von dem zweiten Schritt fortschreitend größer als der Zunahmebetrag in dem ersten Schritt. Demzufolge, wenn die Drossel 3 leicht öffnet, insbesondere während der Zeitspanne, in der ein Öffnen der Drossel 3 beginnt (erster Schritt), wird sicher verhindert, dass sich die Einlassmenge plötzlich erhöht, und es kann verhindert werden, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird. Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf diese Steuerung beschränkt.
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Darüber hinaus gilt, dass je höher die Last der Maschine zu der Zeit der SI-Verbrennung wird, desto größer wird der Drosselöffnungsgrad. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Anzahl von Schritten in der diskreten Steuerung des Drosselöffnungsgrads während der Umschaltzeitspanne verringert wird, so dass der Änderungsbetrag der Öffnung pro Schritt ansteigt. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass sich der Zunahmebetrag des Kraftstoffventilöffnungsgrads verringert, wenn die Betriebslast höher wird.
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Als nächstes wird eine HCCI-Maschine 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. In dem Folgenden werden hauptsächlich Teile beschrieben, die sich von denjenigen der ersten Ausführungsform unterscheiden. Die gleichen Symbole werden für Teile verwendet, die gleich zu denjenigen in der ersten Ausführungsform sind, und die Beschreibung von diesen wird weggelassen.
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Ein Gaskraftstoff wird in der Maschine 100 verwendet. Darüber hinaus ist, wie in 4 gezeigt ist, ein Mischer 4 in dem Einlassdurchgang 111p vorgesehen, so dass Luft und Kraftstoff in dem Mischer 4 gemischt werden. Darüber hinaus ist ein erster Kraftstoffzufuhrweg 102p mit dem Mischer 4 verbunden. Der erste Kraftstoffzufuhrweg 102p entspricht dem Kraftstoffzufuhrweg 2p in der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus zweigt ein zweiter Kraftstoffzufuhrweg 4p von einem Abschnitt des ersten Kraftstoffzufuhrwegs 102p ab, der sich stromaufwärts des Kraftstoffventils 2v befindet, und der zweite Kraftstoffzufuhrweg 4p ist mit dem Einlassdurchgang 111p verbunden. Das heißt, das Kraftstoffventil 2v ist in einem Abschnitt des ersten Kraftstoffzufuhrwegs 102p zwischen dem Mischer 4 und dem Punkt vorgesehen, wo sich der erste Kraftstoffzufuhrweg 102p und der zweite Kraftstoffzufuhrweg 4p verzweigen. Der zweite Kraftstoffzufuhrweg 4p und der erste Kraftstoffzufuhrweg 102p sind miteinander verbunden.
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Darüber hinaus ist ein AN-AUS-Ventil (Kraftstoffzufuhrmengeneinstellabschnitt) 4v in dem zweiten Kraftstoffzufuhrweg 4p vorgesehen. Darüber hinaus ist das AN-AUS-Ventil 4v über eine Leitung 5f elektrisch mit der ECU 105 verbunden. Des Weiteren steuert die ECU 105 den Betrieb des Kraftstoffventils 2v, der Drossel 3, des Einlassventils 11v, der Zündkerze 60c, des Auslassventils 12v und des AN-AUS-Ventils 4v.
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Als nächstes wird der Betrieb der Maschine 100 mit Bezug auf 5 beschrieben. In 5 ist das „AN-AUS-Ventil” der Öffnungs-/Schließzustand des AN-AUS-Ventils 4v. Wie in 5 gezeigt ist, befindet sich das AN-AUS-Ventil 4v zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs und zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs in einem geschlossenen Zustand. Somit wird in der Maschine 100 durch das Öffnen und Schließen des AN-AUS-Ventils 4v eine gewisse Kraftstoffmenge zu dem Einlassdurchgang 111p separat von dem Mischer 4 zugeführt.
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Gestrichelte Linien in dem Diagramm von 5 zeigen einen Fall, in dem das AN-AUS-Ventil 4v nicht öffnet oder schließt (in dem Fall, in dem es kein AN-AUS-Ventil 4v gibt, oder in dem Fall, in dem das AN-AUS-Ventil 4v nicht gesteuert wird).
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Wie vorstehend beschrieben ist, gibt es einen Druckunterschied zwischen Abschnitten an beiden Seiten der Drossel 3 in dem Einlassdurchgang 111p. Im Speziellen erreicht ein Unterdruck (Einlassunterdruck) einen Abschnitt des Einlassdurchgangs 111p an einer Seite, die zu der Brennkammer 10 der Drossel 3 korrespondiert, und ein im Wesentlichen atmosphärischer Druck erreicht einen Abschnitt des Einlassdurchgangs 111p an der Seite entgegengesetzt zu der Brennkammer 10. In dem Fall, in dem der Verbrennungsmodus von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, erhöht die ECU 105 den Öffnungsgrad der Drossel 3 von dem Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs direkt auf den Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs (vollständig geöffneter Zustand) (siehe (E), gleich wie die gestrichelte Linie (1) in 2). In dem Fall, in dem das AN-AUS-Ventil 4v nicht geöffnet oder geschlossen wird (siehe (5)), erhöht sich die Strömungsrate durch den Mischer plötzlich aufgrund des vorstehend beschriebenen Druckunterschieds (siehe (G), gleich wie (3) in 2), und das Überschussluftverhältnis erhöht sich plötzlich während der Umschaltzeitspanne (siehe (6)). Als eine Folge wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu mager und die Maschine zündet manchmal fehl oder stirbt ab.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform wird in derselben Weise wie in (2) in 2 der Öffnungsgrad des Kraftstoffventils 2v (Kraftstoffventilöffnungsgrad) direkt auf den Öffnungsgrad verringert, der für die HCCI-Verbrennung erfordert ist (Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs).
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Des Weiteren zeigen die durchgehenden Linien in dem Diagramm von 5 einen Fall, in dem das AN-AUS-Ventil 4v geöffnet und geschlossen wird. In diesem Fall steuert die ECU 105 das AN-AUS-Ventil 4v zu einem offenen Zustand (siehe (F)), während die Strömungsrate durch den Mischer während der Umschaltzeitspanne im Vergleich zu der Strömungsrate durch den Mischer zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs plötzlich höher wird (siehe (G)). Als eine Folge ändert sich das Überschussluftverhältnis zu der Zeit der SI-Verbrennung allmählich zu dem Überschussluftverhältnis zu der Zeit der HCCI-Verbrennung (siehe (H)) ohne eine plötzliche Erhöhung des Überschussluftverhältnisses während der Umschaltzeitspanne. Als eine Folge kann verhindert werden, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird.
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Wie vorstehend beschrieben Ist, wird eine konstante Kraftstoffmenge zu dem Einlassdurchgang 111p separat von dem Mischer 4 in der Maschine 100 zugeführt, die einen Gaskraftstoff verwendet. Demzufolge sieht die Maschine 100 einen einfachen Aufbau vor, in dem verhindert werden kann, dass das Luft-Kraftstoffgemisch übermäßig mager wird.
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Des Weiteren steuert die ECU 105 das AN-AUS-Ventil 4v bevor der Öffnungsgrad der Drossel 3 der Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs wird, so dass die Kraftstoffmenge, die zu dem Einlassdurchgang 111p zugeführt wird, größer als die Kraftstoffmenge wird, die zu der Zeit des stetigen SI-Betriebs zugeführt wird (d. h. das Ventil kommt in einen offenen Zustand). Darüber hinaus steuert die ECU 105 das AN-AUS-Ventil 4v, nachdem der Öffnungsgrad der Drossel 3 der Öffnungsgrad zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs wird, so, dass die Kraftstoffmenge, die zu dem Einlassdurchgang 111p zugeführt wird, die Kraftstoffmenge wird, die zu der Zeit des stetigen HCCI-Betriebs zugeführt wird (d. h. das Ventil kommt in einen geschlossenen Zustand). Wie vorstehend beschrieben ist, erhöht sich die zugeführte Kraftstoffmenge nur während der Umschaltzeitspanne, in der das Luft-Kraftstoff-Gemisch übermäßig mager wird, und deshalb wird der Verbrennungsmodus gleichmäßig von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet, während wirksam verhindert wird, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch temporär mager wird.
