DE112008002329T5

DE112008002329T5 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112008002329T5
Application number: DE112008002329T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Akihisa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: CN101821490A; US20110041811A1; CN101821490B; RU2438032C2; JP2009114966A; DE112008002329B4; BRPI0815774B1; US8596233B2; RU2010107276A; BRPI0815774A2; JP4420105B2; WO2009060977A1

Abstract

Fremdgezündete Brennkraftmaschine, die mit einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, einem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus, der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils steuern kann, und einem Drosselventil versehen ist, das in einem Kraftmaschineneinlassdurchgang zum Steuern einer Einlassluftmenge angeordnet ist, wobei dann, wenn eine Kraftmaschinenlast höher als eine vorbestimmte Last ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils zum Steuern einer Menge Einlassluft in eine Brennkammer gesteuert wird, während dann, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last ist, sowohl die Schließzeitabstimmung des Einlassventils als auch ein Öffnungsgrad des Drosselventils gesteuert werden, um die Menge der Einlassluft in die Brennkammer zu steuern.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine.
STAND DER TECHNIK
Nach dem Stand der Technik ist eine fremdgezündete Brennkraftmaschine bekannt, die mit einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, und einem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus versehen ist, der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils steuern kann, die eine Ladefunktion durch eine Ladevorrichtung in einem Mittellastbetrieb der Kraftmaschine und einem Hochlastbetrieb der Kraftmaschine durchführt und das mechanische Kompressionsverhältnis erhöht und die Schließzeitabstimmung des Einlassventils verzögert, wenn die Last der Kraftmaschine in dem Mittellastbetrieb und dem Hochlastbetrieb der Kraftmaschine in dem Zustand niedriger wird, wobei das Ist-Verbrennungsverhältnis konstant gehalten wird (siehe beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung (A) Nr. 2004-218522 ).
Jedoch gibt diese Fundstelle keinen Hinweis, das Drosselventil zu steuern.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die einen thermischen Wirkungsgrad verbessern kann und eine gute Verbrennung sicherstellen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine fremdgezündete Brennkraftmaschine vorgesehen, die mit einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, einem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus, der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils steuern kann, und einem Drosselventil versehen ist, das in einem Kraftmaschineneinlassdurchgang angeordnet ist, um eine Einlassluftmenge zu steuern, wobei dann, wenn eine Kraftmaschinenlast höher als eine vorbestimmte Last ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils gesteuert wird, um eine Menge der Einlassluft in die Brennkammer zu steuern, während dann, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils und ein Öffnungsgrad des Drosselventils gesteuert werden, um die Menge der Einlassluft in die Brennkammer zu steuern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Übersicht über eine fremdgezündete Brennkraftmaschine.
2 ist eine perspektivische auseinandergenommene Ansicht des Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis.
3 ist eine Querschnittsseitenansicht der dargestellten Brennkraftmaschine.
4 ist eine Ansicht eines variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus.
5 ist eine Ansicht, die die Beträge des Hubs des Einlassventils und des Auslassventils zeigt.
6 ist eine Ansicht zum Erklären des mechanischen Kompressionsverhältnisses, des Ist-Kompressionsverhältnisses und des Expansionsverhältnisses.
7 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und einem Expansionsverhältnis zeigt.
8 ist eine Ansicht zum Erklären eines gewöhnlichen Zyklus und eines Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis.
9 ist eine Ansicht, die die Änderung des mechanischen Kompressionsverhältnisse usw. gemäß der Kraftmaschinenlast zeigt.
10 ist ein Ablaufdiagramm für eine Betriebssteuerung.
11 ist eine Ansicht, die Kennfelder der Schließzeitabstimmung des Einlassventils usw. zeigt.
BESTER WEG ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
Unter Bezugnahme auf 1 zeigt 1 ein Kurbelgehäuse, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 eine Zündkerze, die an einer oberen Mitte der Brennkammer 5 angeordnet ist, 7 ein Einlassventil, 8 einen Einlassanschluss, 9 ein Auslassventil und 10 einen Auslassanschluss. Der Einlassanschluss 8 ist über ein Einlassabzweigrohr 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden, während jedes Einlassabzweigrohr 11 mit einem Kraftstoffinjektor 13 zum Einspritzen von Kraftstoff in Richtung auf einen entsprechenden Einlassanschluss 8 versehen ist. Es ist anzumerken, dass jeder Kraftstoffinjektor 13 an der entsprechenden Brennkammer 5 anstelle der Anbringung an dem entsprechenden Einlassabzweigrohr 11 angeordnet werden kann.
Der Ausgleichsbehälter 12 ist über eine Einlassleitung 14 mit einem Luftreiniger 15 verbunden, während die Einlassleitung 14 innen mit einem Drosselventil 17, das durch ein Stellglied 16 angetrieben wird, und einem Einlassluftmengendetektor 18 versehen ist, der beispielsweise einen Heißdraht verwendet. Andererseits ist der Auslassanschluss 10 über einen Auslasskrümmer 19 mit einem katalytischen Wandler 20 verbunden, der beispielsweise einen Dreiwegekatalysator aufnimmt, während der Auslasskrümmer 19 innen mit einem Luftkraftstoffverhältnissensor 21 versehen ist.
Andererseits ist in dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, der Verbindungsteil des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 mit einem Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis versehen, der die relativen Positionen des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 in der zum Zylinder axialen Richtung ändern kann, um das Volumen der Brennkammer 5 zu ändern, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert ist, und ist ferner mit einem Startzeitabstimmungsänderungsmechanismus B der Ist-Kompressionsfunktion versehen, um eine Startzeitabstimmung einer Ist-Kompressionsfunktion bzw. der tatsächlichen Kompressionsfunktion zu ändern. Es ist anzumerken, dass in dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, der Startzeitabstimmungsänderungsmechanismus B der Ist-Kompressionsfunktion aus einem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus besteht, der die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 steuern kann.
Die elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem digitalen Computer, der mit Bauteilen versehen ist, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind, wie z. B. einen ROM (Nurlesespeicher) 32, einen RAM (freier Zugriffsspeicher) 33, eine CPU (Mikroprozessor) 34, ein Eingabeanschluss 35 und ein Ausgabeanschluss 36. Das Ausführungssignal des Einlassluftmengendetektors 18 und das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 werden über entsprechende AD-Wandler 37 zu dem Eingabeanschluss 35 eingegeben. Ferner ist das Beschleunigerpedal 40 mit einem Lastsensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zu dem Betrag der Auslenkung L des Beschleunigerpedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben. Ferner ist der Eingabeanschluss 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 versehen, der einen Ausgangsimpuls jedes Mal dann erzeugt, wenn die Kurbelwelle sich beispielsweise um 30° dreht. Andererseits ist der Ausgabeanschluss 36 über den Antriebsschaltkreis 38 mit einer Zündkerze 6, einem Kraftstoffinjektor 13, einem Drosselventilantriebsstellglied 16, dem Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis und dem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B verbunden.
2 ist eine perspektivische auseinandergenommene Ansicht des Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis, der in 1 gezeigt ist, während 3 eine Querschnittsseitenansicht der dargestellten Brennkraftmaschine ist. Unter Bezugnahme auf 2 sind an dem Boden der zwei Seitenwände des Zylinderblocks 2 eine Vielzahl von vorstehenden Teilen 50 ausgebildet, die voneinander um einen bestimmten Abstand getrennt sind. Jedes vorstehende Teil 50 ist mit einem Nockeneinsetzloch 51 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. An der anderen Seite ist die obere Fläche des Kurbelgehäuses 1 mit einer Vielzahl von vorstehenden Teilen 52 ausgebildet, die voneinander um einen bestimmten Abstand getrennt sind und zwischen die entsprechenden vorstehenden Teile 50 passen. Diese vorstehenden Teile 52 sind ebenso mit Nockeneinsetzlöchern 53 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Paar Nockenwellen 54, 55 vorgesehen. Jede der Nockenwellen 54, 55 hat kreisförmige Nocken 56, die daran fixiert sind, so dass sie drehbar in die Nockeneinsetzlöcher 51 an jeder zweiten Position eingesetzt werden können. Diese kreisförmigen Nocken 56 sind koaxial zu den Drehachsen der Nockenwellen 54, 55.
Andererseits erstrecken sich zwischen den kreisförmigen Nocken 56, wie durch die Schraffur in 3 gezeigt ist, exzentrische Wellen 57, die exzentrisch mit Bezug auf die Drehachsen der Nockenwellen 54, 55 angeordnet sind. Jede exzentrische Welle 57 hat weitere kreisförmige Nocken 58, die drehbar daran exzentrisch angebracht sind. Wie in 2 gezeigt ist, sind diese kreisförmigen Nocken 58 zwischen den kreisförmigen Nocken 56 angeordnet. Diese kreisförmigen Nocken 58 werden drehbar in die entsprechenden Nockeneinsetzlöcher 53 eingesetzt.
Wenn die kreisförmigen Nocken 56, die an den Nockenwellen 54, 55 befestigt sind, in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, wie durch die Pfeile aus der durchgezogenen Linie in 3(A) gezeigt ist, nämlich von dem Zustand, der in 3(A) gezeigt ist, bewegen sich die exzentrischen Wellen 57 in Richtung auf den unteren Totpunkt, so dass die kreisförmigen Nocken 58 sich in den entgegengesetzten Richtungen von den kreisförmigen Nocken 56 in den Nockeneinsetzlöchern 53 drehen, wie durch die Pfeile aus der gestrichelten Linie in 3(A) gezeigt ist. Wie in 3(B) gezeigt ist, bewegen sich dann, wenn die exzentrischen Wellen 57 sich in Richtung auf den unteren Totpunkt bewegen, die Mitten der kreisförmigen Nocken 58 unter die exzentrischen Wellen 57.
Wie aus einem Vergleich von 3(A) und 3(B) ersichtlich ist, werden die relativen Positionen des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderkopfs 2 durch den Abstand zwischen den Mitten der kreisförmigen Nocken 56 und den Mitten der kreisförmigen Nocken 58 bestimmt. Je größer der Abstand zwischen den Mitten der kreisförmigen Nocken 56 und den Mitten der kreisförmigen Nocken 58 ist, umso weiter ist der Zylinderblock 2 von dem Kurbelgehäuse 1 entfernt. Wenn der Zylinderblock 2 sich von dem Kurbelgehäuse 1 wegbewegt, vergrößert sich das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert ist, wodurch daher die Nockenwellen 54, 55 zum Drehen veranlasst werden, während das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert ist, geändert werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist, ist, um zu veranlassen, dass die Nockenwellen 54, 55 sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, die Welle eines Antriebsmotors 59 mit einem Paar Schneckenrädern 61, 62 mit entgegengesetzten Gewinderichtungen versehen. Zahnräder 63, 64, die mit diesen Schneckenrädern 61, 62 eingreifen, sind an Enden der Nockenwellen 54, 55 befestigt. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Antriebsmotor 59 angetrieben werden, um das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert ist, über einen weiten Bereich zu ändern. Es ist anzumerken, dass der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis, der in 1 bis 3 gezeigt ist, ein Beispiel zeigt. Jede Art des Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis kann verwendet werden.
Anderseits zeigt 4 einen variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B, der an dem Ende der Nockenwelle 70 angebracht ist, um das Einlassventil 7 in 1 anzutreiben. Unter Bezugnahme auf 4 ist dieser variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B mit einer Riemenscheibe 71, die durch eine Kraftmaschinenkurbelwelle durch einen Riemen in der Pfeilrichtung gedreht wird, einem zylindrischen Gehäuse 72, das sich gemeinsam mit der Riemenscheibe 71 dreht, einer Welle 73, die sich gemeinsam mit einer Einlassventilantriebsnockenwelle 70 drehen kann und sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 dreht, einer Vielzahl von Unterteilungen 74, die sich von einem inneren Umfang des zylindrischen Gehäuses 72 zu einem äußeren Umfang der Welle 73 erstrecken, und Flügeln 75 versehen, die sich zwischen den Unterteilungen 74 von dem äußeren Umfang der Welle 73 zu dem inneren Umfang des zylindrischen Gehäuses 72 erstrecken, wobei die zwei Seiten der Flügel 75 mit Hydraulikkammern 76 zum Vorstellen und Hydraulikkammern 77 zum Nachstellen ausgebildet sind.
Die Förderung des Arbeitsöls zu den Hydraulikkammern 76, 77 wird durch ein Arbeitsölfördersteuerventil 78 gesteuert. Dieses Arbeitsölfördersteuerventil 78 ist mit hydraulischen Anschlüssen 79, 80, die mit den Hydraulikkammern 76, 77 verbunden sind, einem Förderanschluss 82 für Arbeitsöl, das aus einer Hydraulikpumpe 81 ausgestoßen wird, einem Paar Ablaufanschlüssen 83, 84 und einem Schieberventil 85 zum Steuern der Verbindung und Trennung der Anschlüsse 79, 80, 82, 83, 84 versehen.
Zum Vorstellen der Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 wird in 4 veranlasst, dass das Schieberventil 85 sich nach rechts bewegt, wird das Arbeitsöl, das von dem Förderanschluss 82 gefördert wird, über den hydraulischen Anschluss 79 zu den Hydraulikkammern 76 zum Vorstellen gefördert und wird das Arbeitsöl in die Hydraulikkammern 77 zum Nachstellen aus dem Ablaufanschluss 84 abgelassen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Welle 73 veranlasst, sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 in der Pfeilrichtung zu drehen.
Dagegen wird zum Nachstellen der Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 in 4 das Schieberventil 85 veranlasst, sich nach links zu bewegen, wird das Arbeitsöl, das aus dem Förderanschluss 82 gefördert wird, durch den hydraulischen Anschluss 80 zu den Hydraulikkammern 77 zum Nachstellen gefördert und wird das Arbeitsöl in den Hydraulikkammern 76 zum Vorstellen aus dem Ablaufanschluss 83 abgelassen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Welle 73 veranlasst, sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 in der Richtung zu drehen, die entgegengesetzt zu den Pfeilen ist.
Wenn die Welle 73 veranlasst wird, sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 zu drehen, wird dann, wenn das Schieberventil 85 auf die neutrale Position zurückgestellt wird, wie in 4 gezeigt ist, der Betrieb für eine relative Drehung der Welle 73 beendet, und wird die Welle 73 an der relativen Drehposition zu diesem Zeitpunkt gehalten. Daher ist es möglich, den variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B zu verwenden, um die Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 um exakt den gewünschten Betrag vorzustellen oder nachzustellen.
In 5 zeigt die durchgezogene Linie, wenn der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B zum Vorstellen der Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 auf das Maximum verwendet wird, während die gestrichelte Linie zeigt, wenn dieser zum Nachstellen der Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 auf das Maximum verwendet wird. Daher kann die Öffnungszeit des Einlassventils 7 frei zwischen dem Bereich, der durch die durchgezogene Linie in 5 gezeigt ist, und dem Bereich, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, eingerichtet werden, wodurch die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 auf jeden Kurbelwinkel in dem Bereich eingerichtet werden kann, der durch den Pfeil C in 5 gezeigt ist.
Der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B, der in 1 und 4 gezeigt ist, ist ein Beispiel.
Beispielsweise kann ein variabler Ventilzeitabstimmungsmechanismus oder können andere verschiedenartige Bauarten variabler Ventilzeitabstimmungsmechanismen verwendet werden, die nur die Schließzeitabstimmung des Einlassventils ändern können, während sie die Öffnungszeitabstimmung des Einlassventils konstant halten.
Als Nächstes wird die Bedeutung der Ausdrücke, die in der vorliegenden Anmeldung verwendet sind, unter Bezugnahme auf 6 erklärt. Es ist anzumerken, dass 6(A), (B) und (C) zum Zweck der Erläuterung eine Kraftmaschine mit einem Volumen der Brennkammern von 50 ml und mit einem Hubvolumen des Kolbens von 500 ml zeigen. In diesen 6(A), (B) und (C) zeigt das Brennkammervolumen das Volumen der Brennkammer, wenn der Kolben sich an dem oberen Kompressionstotpunkt befindet.
6(A) erklärt das mechanische Kompressionsverhältnis. Das mechanische Kompressionsverhältnis ist ein Wert, der mechanisch aus dem Hubvolumen des Kolbens und dem Brennkammervolumen zum Zeitpunkt des Kompressionstakts bestimmt wird. Dieses mechanische Kompressionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Hubvolumen)/Brennkammervolumen bestimmt. In dem in 6(A) gezeigten Beispiel wird dieses mechanische Kompressionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11.
6(B) erklärt das Ist-Kompressionsverhältnis. Dieses Ist-Kompressionsverhältnis ist ein Wert, der aus dem Ist-Hubvolumen des Kolbens von dem Zeitpunkt, wenn die Kompressionsfunktion tatsächlich gestartet wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, und dem Brennkammervolumen bestimmt wird. Das Ist-Kompressionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Ist-Hubvolumen)/Brennkammervolumen ausgedrückt. Wie nämlich in 6(B) gezeigt ist, wird auch dann, wenn der Kolben beginnt sich in dem Kompressionstakt anzuheben, keine Kompressionsfunktion durchgeführt, während das Einlassventil geöffnet ist. Die Ist-Kompressionsfunktion wird gestartet, nachdem das Einlassventil sich schließt. Daher wird das Ist-Kompressionsverhältnis wie folgt unter Verwendung des Ist-Hubvolumens ausgedrückt. In dem in 6(B) gezeigten Beispiel wird das Ist-Kompressionsverhältnis (50 ml + 450 ml)/50 ml = 10.
6(C) erklärt das Expansionsverhältnis. Das Expansionsverhältnis ist ein Wert, der aus dem Hubvolumen des Kolbens zu dem Zeitpunkt eines Expansionstakts und dem Brennkammervolumen bestimmt wird. Dieses Expansionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Hubvolumen)/Brennkammervolumen bestimmt. In dem in 6(C) gezeigten Beispiel wird dieses Expansionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11.
Als Nächstes werden die grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 7 und 8 erklärt. Es ist anzumerken, dass 7 eine Beziehung zwischen dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und dem Expansionsverhältnis zeigt, während 8 einen Vergleich zwischen dem gewöhnlichen Zyklus und dem Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis zeigt, der selektiv gemäß der Last in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
8(A) zeigt den gewöhnlichen Zyklus, wenn das Einlassventil sich in der Nähe des unteren Totpunkts schließt und die Kompressionsfunktion durch den Kolben ausgehend von im Wesentlichen der Nähe des unteren Kompressionstotpunkts gestartet wird. In dem in dieser 8(A) gezeigten Beispiel wird ebenso wie bei den Beispielen, die in 6(A), (B) und (C) gezeigt sind, das Brennkammervolumen zu 50 ml gemacht und wird das Hubvolumen des Kolbens zu 500 ml gemacht. Wie aus 8(A) ersichtlich ist, beträgt in einem gewöhnlichen Zyklus das mechanische Kompressionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11, beträgt das Ist-Kompressionsverhältnis ebenso ungefähr 11 und wird das Expansionsverhältnis ebenso (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11. Bei einer gewöhnlichen Brennkraftmaschine sind nämlich das mechanische Kompressionsverhältnis und das Ist-Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis im Wesentlichen gleich.
Die durchgezogene Linie in 7 zeigt die Änderung des theoretischen thermischen Wirkungsgrads in dem Fall, dass das Ist-Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis im Wesentlichen gleich sind, nämlich in dem gewöhnlichen Zyklus. In diesem Fall wird erkannt, dass, je größer das Expansionsverhältnis ist, je höher nämlich das Ist-Kompressionsverhältnis ist, umso höher der theoretische thermische Wirkungsgrad ist. Daher sollte in einem gewöhnlichen Zyklus zum Anheben des theoretischen thermischen Wirkungsgrads das Ist-Kompressionsverhältnis höher ausgeführt werden. Jedoch kann aufgrund der Beschränkungen bezüglich des Auftretens des Klopfens zum Zeitpunkt des Hochlastbetriebs der Kraftmaschine das Ist-Kompressionsverhältnis nur auf das Maximum von ungefähr 12 angehoben werden, wobei demgemäß in einem gewöhnlichen Zyklus der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht ausreichend hoch ausgeführt werden kann.
Andererseits haben in dieser Situation die Erfinder streng zwischen dem mechanischen Kompressionsverhältnis und dem Ist-Kompressionsverhältnis unterschieden und den theoretischen thermischen Wirkungsgrad studiert, und haben als Ergebnis entdeckt, dass in dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad das Expansionsverhältnis dominiert und der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht sehr durch das Ist-Kompressionsverhältnis beeinträchtigt wird. Wenn nämlich das Ist-Kompressionsverhältnis angehoben wird, steigt die Explosionskraft an, aber erfordert die Kompression eine große Energie, wobei demgemäß auch dann, wenn das Ist-Kompressionsverhältnis angehoben wird, der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht so sehr ansteigen wird.
Wenn dagegen das Expansionsverhältnis erhöht wird, wird dann, je länger die Zeitdauer ist, während der eine Kraft zum Herunterdrücken des Kolbens zum Zeitpunkt des Expansionstakts wird, die Zeit umso länger, über die der Kolben eine Rotationskraft auf die Kurbelwelle aufprägt. Daher wird, je größer das Expansionsverhältnis gemacht wird, der theoretische thermische Wirkungsgrad umso höher. Die gestrichelte Linie ε = 10 in 7 zeigt den theoretischen thermischen Wirkungsgrad in dem Fall, dass das Ist-Kompressionsverhältnis auf 10 festgelegt wird und das Expansionsverhältnis in diesem Zustand angehoben wird. Auf diesem Weg wird erkannt, dass der Betrag des Anstiegs des theoretischen thermischen Wirkungsgrads, wenn das Expansionsverhältnis in dem Zustand angehoben wird, wenn das Ist-Kompressionsverhältnis auf einem niedrigen Wert gehalten wird, und der Betrag des Anstiegs des theoretischen thermischen Wirkungsgrads in dem Fall, dass das Ist-Kompressionsverhältnis gemeinsam mit dem Expansionsverhältnis erhöht wird, wie durch die durchgezogene Linie in 7 gezeigt ist, sich nicht so sehr unterscheiden werden.
Wenn das Ist-Kompressionsverhältnis auf einem niedrigen Wert auf diesem Weg aufrechterhalten wird, wird ein Klopfen nicht auftreten, wobei dann, wenn das Expansionsverhältnis in dem Zustand angehoben wird, in welchem das Ist-Kompressionsverhältnis auf einem niedrigen Wert gehalten wird, das Auftreten von Klopfen verhindert werden kann und der theoretische thermische Wirkungsgrad in hohem Maße angehoben werden kann. 8(B) zeigt ein Beispiel des Falls, wenn der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis und der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B zum Aufrechterhalten des Ist-Kompressionsverhältnisses auf einem niedrigen Wert und zum Anheben des Expansionsverhältnisses verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 8(B) wird in diesem Beispiel der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis verwendet, um das Brennkammervolumen von 50 ml auf 20 ml zu verringern. Andererseits wird der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B verwendet, um die Schließzeitabstimmung des Einlassventils zu verzögern, bis das Ist-Hubvolumen des Kolbens sich von 500 ml zu 200 ml ändert. Als Folge wird in diesem Beispiel das Ist-Kompressionsverhältnis (20 ml + 200 ml)/20 ml = 11 und wird das Expansionsverhältnis (20 ml + 500 ml)/20 ml = 26. In dem gewöhnlichen Zyklus, wie in 8(A) gezeigt ist, wie vorstehend erklärt ist, ist das Ist-Kompressionsverhältnis ungefähr 11 und ist das Expansionsverhältnis 11. Im Vergleich mit diesem Fall wird in dem Fall, der in 8(B) gezeigt ist, erkannt, dass nur das Expansionsverhältnis auf 26 angehoben wird. Das ist der Grund, dass dieser als „Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis” bezeichnet wird.
Wie vorstehend erklärt ist, wird allgemein gesagt bei einer Brennkraftmaschine, je niedriger die Kraftmaschinenlast ist, umso schlechter der thermische Wirkungsgrad, wobei daher zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads zum Zeitpunkt des Fahrzeugbetriebs, nämlich zum Verbessern des Kraftstoffverbrauchs die Notwendigkeit besteht, den thermischen Wirkungsgrad zum Zeitpunkt des Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine zu verbessern. Andererseits wird in dem Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis, wie in 8(B) gezeigt ist, das Ist-Hubvolumen des Kolbens zum Zeitpunkt des Kompressionstakts kleiner ausgeführt, so dass die Menge der Einlassluft, die in die Brennkammer 5 gesaugt werden kann, kleiner wird, wobei daher dieser Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis nur eingesetzt werden kann, wenn die Kraftmaschinenlast relativ gering ist. Daher wird in der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt des Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine der Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis eingerichtet, der in 8(B) gezeigt ist, während zum Zeitpunkt des Hochlastbetriebs der Kraftmaschine der gewöhnliche Zyklus eingerichtet wird, der in 8(A) gezeigt ist. Das ist das grundlegende Merkmal der vorliegenden Erfindung.
Als Nächstes wird die Betriebssteuerung im Ganzen unter Bezugnahme auf 9 erklärt.
9 zeigt die Änderung des mechanischen Kompressionsverhältnisses, des Expansionsverhältnisses, der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7, des Ist-Kompressionsverhältnisses, der Menge der Einlassluft, des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 und des Pumpverlusts gemeinsam mit der Kraftmaschinenlast bei einer bestimmten Kraftmaschinendrehzahl. Es ist anzumerken, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gewöhnlich das durchschnittliche Luftkraftstoffverhältnis in der Brennkammer 5 rückgeführt auf das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis aufgrund des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 geregelt wird, so dass der Dreiwegekatalysator in dem katalytischen Wandler 20 gleichzeitig unverbranntes HC, CO und NO_x in dem Abgas verringern kann.
Nun wird, wie vorstehend erklärt ist, zum Zeitpunkt des Hochlastbetriebs der Kraftmaschine der gewöhnliche Zyklus ausgeführt, der in 8(A) gezeigt ist. Daher wird, wie in 9 gezeigt ist, zu diesem Zeitpunkt, da das mechanische Kompressionsverhältnis niedrig ausgeführt wird, das Expansionsverhältnis niedrig. Wie durch die durchgezogene Linie unten in 9 gezeigt ist, wird die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 vorgestellt, wie durch die durchgezogene Linie in 5 gezeigt ist. Ferner ist zu diesem Zeitpunkt die Menge der Einlassluft groß. Zu diesem Zeitpunkt wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 vollständig geöffnet oder im Wesentlichen vollständig geöffnet gehalten, so dass der Pumpverlust null wird.
Andererseits wird, wie durch eine durchgezogene Linie von 9 gezeigt ist, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 verzögert, um die Einlassluftmenge gemeinsam damit zu verringern. Ferner wird zu diesem Zeitpunkt das mechanische Kompressionsverhältnis erhöht, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird, wie in 9 gezeigt ist, so dass das Ist-Kompressionsverhältnis im Wesentlichen konstant gehalten wird. Daher wird das Expansionsverhältnis ebenso erhöht, wenn die Last der Kraftmaschine niedriger wird. Es ist anzumerken, dass zu diesem Zeitpunkt ebenso das Drosselventil 17 in dem vollständig offenen oder im Wesentlichen vollständig offenen Zustand gehalten wird. Daher wird die Menge der Einlassluft, die in die Brennkammer 5 zugeführt wird, durch Ändern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 ungeachtet des Drosselventils 17 gesteuert. Zu diesem Zeitpunkt wird ebenfalls der Pumpverlust null.
Auf diesem Weg wird, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger ausgehend von dem Hochlastbetriebszustand der Kraftmaschine wird, das mechanische Kompressionsverhältnis erhöht, wenn die Einlassluftmenge in einem im Wesentlichen konstanten Ist-Kompressionsverhältnis verringert wird. Das Volumen der Brennkammer 5 wird nämlich, wenn der Kolben 4 den oberen Kompressionstotpunkt erreicht, proportional zu der Verringerung der Einlassluftmenge verringert. Daher ändert sich das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Kompressionstotpunkt erreicht, proportional zu der Einlassluftmenge. Es ist anzumerken, dass zu diesem Zeitpunkt das Luftkraftstoffverhältnis in der Brennkammer 5 das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis wird, so dass das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Kompressionstotpunkt erreicht, sich proportional zu der Menge des Kraftstoffs ändert.
Wenn die Kraftmaschinenlast weitergehend fällt, wird das mechanische Kompressionsverhältnis weitergehend erhöht. Wenn die Kraftmaschinenlast auf eine mittlere Last L₁ in der Nähe der niedrigen Last fällt, erreicht das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis der strukturellen Grenze der Brennkammer 5. Wenn das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis erreicht, wird in der Region, in der die Last niedriger als die Kraftmaschinenlast L₁ ist, wenn das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis erreicht, das mechanische Kompressionsverhältnis an dem mechanischen Grenzkompressionsverhältnis gehalten. Daher wird zum Zeitpunkt des Mittellastbetriebs der Kraftmaschine an der Niedriglastseite und zum Zeitpunkt des Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine, nämlich an der Seite des Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine das mechanische Kompressionsverhältnis maximal und das Expansionsverhältnis maximal. Anders gesagt wird an der Seite des Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine das mechanische Kompressionsverhältnis zum Maximum ausgeführt, so dass das maximale Expansionsverhältnis erhalten wird.
Andererseits wird in dem Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, ungeachtet der Kraftmaschinenlast, wie durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 nachgestellt, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird. Weitergehend wird in dem Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, in der Lastregion, in der das mechanische Kompressionsverhältnis an dem maximalen mechanischen Kompressionsverhältnis gehalten wird, eine vorbestimmte Last L₂ eingerichtet. Wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last L₂ wird, wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 kleiner, wenn die Kraftmaschinenlast kleiner wird. Andererseits wird, wenn die Kraftmaschinenlast höher als die vorbestimmte Last L₂ ist, das Drosselventil 17 in dem vollständig geöffneten Zustand gehalten.
Wenn andererseits, wie in 9 gezeigt ist, die Kraftmaschinenlast höher als L₁ ist, nämlich an der Seite des Hochlastbetriebs der Kraftmaschine, wird das Ist-Kompressionsverhältnis im Wesentlichen auf demselben Ist-Kompressionsverhältnis mit Bezug auf dieselbe Kraftmaschinendrehzahl gehalten. Wenn dagegen die Kraftmaschinenlast niedriger als L₁ ist, wenn nämlich das mechanische Kompressionsverhältnis auf dem mechanischen Grenzkompressionsverhältnis gehalten wird, wird das Ist-Kompressionsverhältnis durch die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 bestimmt. Wie in 9 gezeigt ist, fällt dann, wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils nachgestellt wird, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird, das Ist-Kompressionsverhältnis, je niedriger die Kraftmaschinenlast ist.
In dieser Hinsicht kann die Menge der Einlassluft für die Brennkammer 5 durch Steuern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 gesteuert werden und kann durch Steuern des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 gesteuert werden. Wenn in dieser Hinsicht versucht wird, die Menge der Einlassluft für die Brennkammer 5 durch ledigliches Steuern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 zu steuern, wenn das mechanische Kompressionsverhältnis auf dem maximalen mechanischen Kompressionsverhältnis gehalten wird, wird das Ist-Kompressionsverhältnis fallen, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird. Wenn jedoch auf diesem Weg das Ist-Kompressionsverhältnis fällt, fällt die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 am Ende der Verbrennung und verschlechtert sich als Folge Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs.
Wenn andererseits das Drosselventil 17 geschlossen wird, verursacht die Drosselwirkung des Drosselventils 17 an der Strömung der Einlassluft eine Verwirbelung innerhalb der Brennkammer 5 und ermöglicht daher eine Verbesserung der Zündung und der Verbrennung des Kraftstoffs. Wenn daher das Drosselventil 17 verwendet wird, um die Menge der Einlassluft für die Brennkammer 5 zu steuern, wird es möglich, die Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs zu verbessern. Wenn jedoch das Drosselventil 17 zum Steuern der Menge der Einlassluft für die Brennkammer 5 verwendet wird, tritt ein Pumpverlust auf.
Daher kann, wenn die Verschlechterung der Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs, die durch Steuern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 durch die Schließfunktion des Drosselventils 17 verursacht wird, wenn nämlich die Steuerung der Menge der Einlassluft für die Brennkammer zwischen der Steuerung der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 und der Steuerung des Drosselventils 17 geteilt wird, eine gute Zündung und Verbrennung mit geringem Pumpverlust erhalten werden. In diesem Fall muss eine solche Steuerung durchgeführt werden, wenn das Ist-Kompressionsverhältnis auf einen gewissen Grad oder darüber fällt.
Daher wird in der vorliegenden Erfindung, wenn die Kraftmaschinenlast höher als eine vorbestimmte Last L₂ ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 gesteuert, um die Menge der Einlassluft für die Brennkammer 5 zu steuern, während dann, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last L₂ ist, sowohl die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 als auch der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 gesteuert werden, um die Menge der Einlassluft für die Brennkammer 5 zu steuern.
In dieser Hinsicht wird, wie vorstehend erklärt ist, in dem Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis, der in 8(B) gezeigt ist, das Expansionsverhältnis zu 26 ausgeführt. Je höher dieses Expansionsverhältnis ist, umso besser ist es, aber, wie aus 7 ersichtlich ist, wenn es auf 20 oder darüber liegt, kann ein beträchtlich hoher theoretischer thermischer Wirkungsgrad auch für ein praktisch durchführbares Ist-Kompressionsverhältnis ε = 5 erhalten werden. Daher wird in der vorliegenden Erfindung der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis so ausgebildet, dass das Expansionsverhältnis 20 oder höher wird.
Andererseits ist es, wie durch die gestrichelte Linie in 9 gezeigt ist, möglich, die Einlassluftmenge ungeachtet des Drosselventils 17 auch durch Vorstellen der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 zu steuern, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird. Wenn daher die Erfindung so ausgedrückt wird, dass sie sowohl den Fall, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, als auch den Fall, der durch die gestrichelte Linie in 9 gezeigt ist, in dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung abdeckt, wird die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 in einer Richtung bewegt, die sich von dem unteren Einlasstotpunkt BDC wegbewegt, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird.
10 zeigt die Betriebssteuerroutine. Unter Bezugnahme auf 10 wird zuerst bei Schritt 100 das Ziel-Ist-Kompressionsverhältnis berechnet. Als Nächstes wird bei Schritt 101 die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 IC aus dem in 11(A) gezeigten Kennfeld berechnet. Die Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils 7, die zum Zuführen der erforderlichen Einlassluftmenge zu dem Inneren der Brennkammer 5 erforderlich ist, wird nämlich als Funktion der Kraftmaschinenlast L und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form eines Kennfelds, wie es in 11(A) gezeigt ist, im Voraus in dem ROM 32 gespeichert. Aus diesem Kennfeld wird die Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils 7 berechnet.
Als Nächstes wird bei Schritt 102 das mechanische Kompressionsverhältnis CR berechnet. Als Nächstes wird bei Schritt 103 der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 berechnet. Der Öffnungsgrad θ dieses Drosselventils 17 wird als Funktion der Kraftmaschinenlast L und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form eines Kennfelds, das in 11(B) gezeigt ist, im Voraus in dem ROM 32 gespeichert. Als Nächstes wird in Schritt 104 der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis so gesteuert, dass das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Kompressionsverhältnis CR wird, wird der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B so gesteuert, dass die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 die Schließzeitabstimmung IC wird, und wird das Drosselventil 17 so gesteuert, dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 der Öffnungsgrad θ wird.
Bei einer Brennkraftmaschine sind ein Mechanismus (A) mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, und ein variabler Ventilzeitabstimmungsmechanismus (B), der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils (7) ändern kann, vorgesehen. Wenn eine Last höher als eine vorbestimmte Last (L₂) ist, wird eine Menge Einlassluft innerhalb einer Brennkammer (5) durch Steuern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils (7) gesteuert, während dann, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last (L₂) ist, die Menge der Einlassluft innerhalb der Brennkammer (5) durch Steuern von sowohl der Schließzeitabstimmung des Einlassventils (7) als auch des Öffnungsgrads des Drosselventils (17) gesteuert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-218522 [0002]

Claims

Fremdgezündete Brennkraftmaschine, die mit einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, einem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus, der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils steuern kann, und einem Drosselventil versehen ist, das in einem Kraftmaschineneinlassdurchgang zum Steuern einer Einlassluftmenge angeordnet ist, wobei dann, wenn eine Kraftmaschinenlast höher als eine vorbestimmte Last ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils zum Steuern einer Menge Einlassluft in eine Brennkammer gesteuert wird, während dann, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last ist, sowohl die Schließzeitabstimmung des Einlassventils als auch ein Öffnungsgrad des Drosselventils gesteuert werden, um die Menge der Einlassluft in die Brennkammer zu steuern.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei ungeachtet der Tatsache, dass die Kraftmaschinenlast höher oder niedriger als die vorbestimmte Last ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils in einer Richtung von einem unteren Einlasstotpunkt wegbewegt wird, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird, und wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als die vorbestimmte Last ist, der Öffnungsgrad des Drosselventils kleiner wird, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei dann, wenn die Kraftmaschinenlast höher als die vorbestimmte Last ist, das Drosselventil in einem vollständig geöffneten Zustand gehalten wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei an einer Seite eines Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine das mechanische Kompressionsverhältnis auf einem maximalen mechanischen Kompressionsverhältnis gehalten wird und die vorbestimmte Last in einer Lastregion eingerichtet wird, in der das mechanische Kompressionsverhältnis auf dem maximalen mechanischen Kompressionsverhältnis gehalten wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, wobei ein Expansionsverhältnis, das zum Zeitpunkt des maximalen mechanischen Kompressionsverhältnisses maximal wird, 20 oder mehr beträgt.