DE112008003291T5

DE112008003291T5 - Fremgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112008003291T5
Application number: DE112008003291T
Authority: DE
Inventors: Yukihiro Nakasaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: BRPI0816052B1; JP4428442B2; CN101796281B; JP2009115035A; RU2442003C2; DE112008003291B4; US8392095B2; CN101796281A; BRPI0816052A2; WO2009061005A1; US20110041810A1; RU2010107214A

Abstract

Fremdgezündete Brennkraftmaschine, die mit einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, einem variablem Ventilzeitabstimmungsmechanismus, der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils steuern kann, und einer Vorhersageeinrichtung zum Vorhersagen einer Temperatur eines Katalysators versehen ist, der in einem Kraftmaschinenabgasdurchgang angeordnet ist, wobei dann, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als eine Aktivierungstemperatur fallen wird, ein Ist-Expansionsverhältnis abgesenkt wird, während das Ist-Kompressionsverhältnis gleichgehalten wird oder während das Ist-Kompressionsverhältnis erhöht wird.

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 System versehen ist, das ein Brennkammervolumen verändern kann, wobei dann, wenn eine Temperatur eines innerhalb eines Kraftmaschinenabgasdurchgangs angeordneten Katalysators fällt und die Aktivität verloren geht, das Brennkammervolumen erhöht wird, um das Ist-Kompressionsverhältnis zu verringern, und um dadurch zu verursachen, dass die Verbrennungseffizienz sich verschlechtert und die Abgastemperatur ansteigt, und somit die Temperatur des Katalysators angehoben wird (siehe beispielsweise japanische Patentveröffentlichung (B) Nr. 4-28893 ).
Wenn jedoch das Ist-Kompressionsverhältnis abgesenkt wird, um die Temperatur des Katalysators anzuheben, besteht das Problem, dass die Zündung und die Verbrennung des Kraftstoffs sich verschlechtern, so dass eine stabile Verbrennung nicht mehr erhalten werden kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die die Temperatur des Katalysators anheben kann, während eine gute Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs sichergestellt wird.
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 einer Vorhersageeinrichtung zum Vorhersagen einer Temperatur eines Katalysators versehen ist, der in einem Kraftmaschinenabgasdurchgang angeordnet ist, wobei dann, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als eine Aktivierungstemperatur fallen wird, ein Ist-Expansionsverhältnis abgesenkt wird, während das Ist-Kompressionsverhältnis gleich gehalten wird oder während das Ist-Kompressionsverhältnis erhöht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Übersicht einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
2 ist eine auseinandergenommene perspektivische Ansicht eines 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 Kraftmaschinenkompressionsverhältnisses, des Ist-Kompressionsverhältnisses, des Expansionsverhältnisses und des Ist-Expansionsverhältnisses.
7 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und dem 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 Kompressionsverhältnisses usw. gemäß der Kraftmaschinenlast zeigt.
10 ist eine Ansicht, die eine Änderung des mechanischen Kompressionsverhältnisses usw. gemäß der Kraftmaschinenlast zeigt.
11 ist eine Ansicht, die eine Änderung des mechanischen Kompressionsverhältnisses usw. gemäß der Kraftmaschinenlast zeigt.
12 ist ein Ablaufdiagramm für eine Betriebssteuerung.
13 ist eine Ansicht, die ein Kennfeld der Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils usw. zeigt.
14 ist eine Ansicht, die ein Kennfeld der Schließzeitabstimmung IC' des Einlassventils usw. zeigt.
15 ist eine Übersicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zeigt.
16 ist eine Ansicht, die eine Öffnungszeitabstimmung EO des Auslassventils zeigt.
17 ist ein Ablaufdiagramm für eine Betriebssteuerung.
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 durch 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 jeder Brennkammer 5 anstelle der Anbringung an jedem Einlassabzweigrohr 11 angebracht werden kann.
Der Ausgleichsbehälter 12 ist über eine Einlassleitung 14 mit einem Auslass des Verdichters 15a des Abgasturboladers 15 verbunden, während ein Einlass des Verdichters 15a durch einen Einlassluftmengendetektor 16 unter Verwendung von beispielsweise einem Heißdraht mit einem Luftreiniger verbunden ist. Innerhalb der Einlassleitung 14 ist ein Drosselventil 19 vorgesehen, das durch ein Stellglied 18 angetrieben wird.
Andererseits ist ein Auslassanschluss 10 durch den Auslasskrümmer 20 mit dem Einlass der Abgasturbine 15b des Abgasturboladers 15 verbunden, während ein Auslass der Abgasturbine 15b durch ein Abgasrohr 21 beispielsweise mit einem katalytischen Wandler 22 verbunden ist, der einen Dreiwege-Katalysator aufnimmt. Ein Luftkraftstoffverhältnissensor 23 ist in dem Abgasrohr 21 angeordnet und ein Temperatursensor 24 zum Erfassen des Dreiwege-Katalysators ist an der stromabwärtigen Seite des katalytischen Wandlers 22 angeordnet.
Andererseits ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Verbindungsabschnitt 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 axialen Richtung des Zylinders 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 variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B versehen, der individuell die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 und die Öffnungszeitabstimmung des Einlassventils 7 steuern kann, um die Startzeitabstimmung der tatsächlichen Kompressionsfunktion zu ändern.
Die elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem digitalen Computer, der mit Bauteilen versehen ist, die miteinander durch einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind, wie zum Beispiel einem ROM (Nur-Lese-Speicher) 32, einem RAM (freier Zugangsspeicher) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem Eingabeanschluss 35 und einem Ausgabeanschluss 36. Das Ausgangssignal des Einlassluftmengendetektors 16, das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnissensors 23 und das Ausgangssignal des Temperatursensors 24 werden durch entsprechende AD-Wandler 37 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben. Ferner ist das Beschleunigerpedal 40 mit einem Lastsensor 41 versehen, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zu dem Betrag einer Auslenkung L des Beschleunigerpedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird durch einen entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingangsanschluss 35 eingegeben. Ferner ist der Eingangsanschluss 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der einen Ausgangsimpuls jedes Mal dann erzeugt, wenn die Kurbelwelle sich beispielsweise um 30° dreht. Andererseits ist der Ausgangsanschluss 36 durch den Antriebsschaltkreis 38 mit einer Zündkerze 6, einem Kraftstoffinjektor 13, einem Drosselventilantriebsstellglied 18, den Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis und dem variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B verbunden.
2 ist eine auseinandergenommene perspektivische 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 von den zwei Seitenwänden des Zylinderblocks 2 eine Vielzahl von vorstehenden Teilen 50, die voneinander um einen gewissen Abstand getrennt sind, ausgebildet. Jedes vorstehende Teil 50 ist mit einem Nockeneinsetzloch 51 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Andererseits ist die obere Fläche des Kurbelgehäuses 1 mit einer Vielzahl von vorstehenden Teilen 52 ausgebildet, die voneinander um einen gewissen Abstand getrennt sind und zwischen die entsprechenden vorstehenden Teile 50 gesetzt sind. 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, die drehbar in die Nockeneinstecklöcher 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 Achsen der Drehung 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 sind drehbar in die entsprechenden Nockeneinsetzlöcher 53 eingesetzt.
Wenn die kreisförmigen Nocken 56, die an den Nockenwellen 54, 55 befestigt sind, in entgegengesetzte Richtungen, wie durch die Pfeile aus durchgezogenen Linien in 3(A) gezeigt ist, von dem Zustand, der in 3(A) gezeigt ist, ausgehend gedreht werden, so drehen sich die kreisförmigen Nocken 58 in die entgegengesetzten Richtungen von den kreisförmigen Nocken 56 in den Nockeneinstecklöchern 53, wie durch die Pfeile aus den gestrichelten Linien 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 auf unterhalb der exzentrischen Wellen 57.
Wie aus einem Vergleich von 3(A) und 3(B) ersichtlich ist, werden die relativen Positionen des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 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 die Nockenwellen 54, 55 zum Drehen veranlasst werden, wobei das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert ist, geändert werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist, ist zum 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 zum Ändern des Volumens der Brennkammer 5 angetrieben werden, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert ist, nämlich über einen weiten Bereich. Es ist anzumerken, dass der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis, der in 1 bis 3 gezeigt ist, ein Beispiel zeigt. Jede Bauart eines Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis kann verwendet werden.
Andererseits zeigt 4 einen variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B, der an einer Nockenwelle 70 zum Antreiben des Einlassventils 7 in 1 vorgesehen ist. Wie in 4 gezeigt ist, besteht der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B aus einer Nockenphasenänderungseinrichtung B1, die an einem Ende der Nockenwelle 70 angebracht ist und die Phase des Nockens von der Nockenwelle 70 ändert, und einer Nockenbetätigungswinkeländerungseinrichtung B2, die zwischen der Nockenwelle 70 und dem Ventilheber 24 des Einlassventils 7 angeordnet ist und den Arbeitswinkel der Nocken der Nockenwelle 70 auf unterschiedliche Arbeitswinkel zur Übertragung auf das Einlassventil 7 ändert. Es ist anzumerken, dass 7 eine Seitenschnittansicht und eine Draufsicht der Nockenbetätigungswinkeländerungseinrichtung B2 ist.
Zuerst wird als Erklärung der Nockenphasenänderungseinrichtung B1 des variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B diese Nockenphasenänderungseinrichtung B1 mit einer Riemenscheibe 71 versehen, die durch eine Kraftmaschinenkurbelwelle über einen Riemen in der Pfeilrichtung zum Drehen veranlasst wird, einem zylindrischen Gehäuse 72, das sich gemeinsam mit der Riemenscheibe 71 dreht, einer Welle 73, die sich gemeinsam mit der Nockenwelle 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 Flügel 75, 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 zur Verwendung zum Vorstellen und Hydraulikkammern 77 zur Verwendung 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 das 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, und 84 versehen.
Zum Vorstellen der Phase des Nockens der Nockenwelle 70 wird in 4 das Schieberventil 85 dazu veranlasst, sich nach unten zu bewegen, wird das Arbeitsöl, das von dem Förderanschluss 82 befördert wird, durch den hydraulischen Anschluss 79 zu den Hydraulikkammern 76 zum Vorstellen gefördert, und wird das Arbeitsöl in den Hydraulikkammern 77 zum Nachstellen aus dem Ablaufanschluss 84 abgelassen. Dabei wird die Welle 73 veranlasst, sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 in der Richtung des Pfeils X zu drehen.
Dagegen wird zum Nachstellen der Phase des Nockens der Nockenwelle 70 in 4 das Schieberventil 85 veranlasst, sich nach oben zu bewegen, wird das Arbeitsöl, das von 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. Dabei wird die Welle 73 veranlasst, sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 in der Richtung zu drehen, die entgegengesetzt zu dem Pfeil X ist.
Wenn die Welle 73 veranlasst wird, sich relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 zu drehen, wird dann, wenn das Schieberventil 58 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, die Nockenphasenänderungseinrichtung B1 zu verwenden, um die Phase des Nockens der Nockenwelle 70 um exakt den gewünschten Betrag vorzustellen oder nachzustellen. Die Nockenphasenänderungseinrichtung B1 kann nämlich die Öffnungszeitabstimmung des Einlassventils 7 frei vorstellen oder nachstellen.
Als nächstes wird zur Erklärung der Nockenbetätigungswinkeländerungseinrichtung B2 des variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismus B diese Nockenbetätigungswinkeländerungseinrichtung B2 mit einem Steuerstab 90, der parallel zu der Nockenwelle 70 angeordnet ist und veranlasst wird, sich durch ein Stellglied 91 in der axialen Richtung zu bewegen, einem Zwischennocken 94, der mit einem Nocken 92 der Nockenwelle 70 eingreift und gleitfähig mit einer Verzahnung 93, die an dem Steuerstab 90 ausgebildet ist, gepasst ist und sich in der axialen Richtung erstreckt, und einem Schwenknocken 96 versehen, der mit dem Ventilheber 24 zum Antreiben des Einlassventils 7 eingreift und gleitfähig mit einer Verzahnung 95 passt, die sich in einer Spirale erstreckt, die an dem Steuerstab 90 ausgebildet ist. Der Schwenknocken 96 ist mit einem Nocken 97 ausgebildet.
Wenn sich die Nockenwelle 70 dreht, verursacht der Nocken 92, dass der Zwischennocken 94 um exakt einen konstanten Winkel zu jedem Zeitpunkt kippt. Dabei wird der Schwenknocken 96 ebenso veranlasst, um exakt einen konstanten Winkel zu kippen. Andererseits sind der Zwischennocken 94 und der Schwenknocken 96 unbeweglich in der axialen Richtung des Steuerstabs 90 gestützt, wobei daher dann, wenn der Steuerstab 90 veranlasst wird, sich durch das Stellglied 91 in der axialen Richtung zu bewegen, der Schwenknocken 96 veranlasst wird, sich relativ zu dem Zwischennocken 94 zu drehen.
Wenn der Nocken 92 der Nockenwelle 70 beginnt, mit dem Zwischennocken 94 aufgrund der relativen Drehpositionsbeziehung zwischen dem Zwischennocken 94 und dem Schwenknocken 96 einzugreifen, wird dann, wenn der Nocken 97 des Schwenknockens 96 beginnt, mit dem Ventilheber 24 einzugreifen, wie durch a in 5(B) gezeigt ist, die Öffnungszeit und der Hub des Einlassventils 7 maximal. Dagegen greift dann, wenn das Stellglied 91 verwendet wird, um zu veranlassen, dass der Schwenknocken 96 sich relativ zu dem Zwischennocken 94 in der Richtung des Pfeils Y von 4 dreht, der Nocken 92 der Nockenwelle 70 mit dem Zwischennocken 94 ein, wobei dann, nach einer Weile der Nocken 97 des Gleitnockens 96 mit dem Ventilheber 24 eingreift. In diesem Fall werden, wie durch b in 5(B) gezeigt ist, die Öffnungszeit und der Betrag des Hubs des Einlassventils 7 kleiner als a.
Wenn der Schwenknocken 96 veranlasst wird, sich relativ zu dem Zwischennocken 94 in der Richtung des Pfeils Y von 4 zu drehen, wie durch c in 5(B) gezeigt ist, werden die Öffnungszeit und der Betrag des Hubs des Einlassventils 7 weitergehend kleiner. Durch die Verwendung des Stellglieds 91 zum Ändern der relativen Drehposition des Zwischennockens 94 und des Schwenknockens 96 kann nämlich die Öffnungszeit des Einlassventils 7 frei geändert werden. Jedoch wird in diesem Fall der Betrag des Hubs des Einlassventils 7 kleiner, je kürzer die Öffnungszeit des Einlassventils 7 ist.
Die Nockenphasenänderungseinrichtung B1 kann zum freien Ändern der Öffnungszeitabstimmung des Einlassventils 7 verwendet werden und die Nockenbetätigungswinkeländerungseinrichtung B2 kann zum freien Ändern der Öffnungszeit des Einlassventils 7 auf diesem Weg verwendet werden, so dass sowohl die Nockenphasenänderungseinrichtung B1 als auch die Nockenbetätigungswinkeländerungseinrichtung B2, nämlich der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B zum freien Ändern der Öffnungszeitabstimmung und der Öffnungszeit des Einlassventils 7, nämlich der Öffnungszeitabstimmung und der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 verwendet werden kann.
Es ist anzumerken, dass der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B, der in 1 und 4 gezeigt ist, ein Beispiel darstellt. Es ist ebenso möglich, verschiedene Bauarten von variablen Ventilzeitabstimmungsmechanismen außer dem in 1 und 4 gezeigten Beispiel zu verwenden.
Als nächstes wird die Bedeutung der Ausdrücke, die in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, unter Bezugnahme auf 6 erklärt. Es ist anzumerken, dass 6(A), (B), (C) und (D) zum Zweck der Erklärung eine Kraftmaschine mit einem Volumen der Brennkammern von 50 ml und einem Hubvolumen des Kolbens von 500 ml zeigen. In dieser 6(A), (B), (C) und (D) zeigt das Brennkammervolumen das Volumen der Brennkammer an, wenn der Kolben sich auf 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 Kompressionshubs bestimmt wird. Dieses mechanische Kompressionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Hubvolumen)/Brennkammervolumen ausgedrückt. 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 ist, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, und dem Verbrennungskammervolumen bestimmt wird. Dieses Ist-Kompressionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Ist-Hubvolumen)/Brennkammervolumen bestimmt. Wie nämlich in 6(B) gezeigt ist, wird nämlich auch dann, wenn der Kolben beginnt, sich in dem Kompressionstakt anzuheben, keine Kompressionsfunktion vorgenommen, während das Einlassventil geöffnet ist. Die Ist-Kompressionsfunktion wird gestartet, nachdem sich das Einlassventil 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 zum 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.
6(D) erklärt das Ist-Expansionsverhältnis. Dieses Ist-Expansionsverhältnis ist der Wert, der aus dem Brennkammervolumen und dem Ist-Auslasstaktvolumen von dem Zeitpunkt, wenn die Expansionsfunktion gestartet wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Expansionsfunktion tatsächlich endet, nämlich bis zu dem Zeitpunkt, wenn das Auslassventil 9 sich öffnet, bestimmt wird. Dieses Ist-Expansionsverhältnis wird als (Brennkammervolumen + Ist-Auslasshubvolumen)/Brennkammervolumen ausgedrückt. In dem in 6(D) gezeigten Beispiel wird das Ist-Expansionsverhältnis (50 ml + 450 ml)/50 ml = 10.
Als nächstes wird der Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, unter Bezugnahme auf 7 und 8 erklärt. Es ist anzumerken, dass 7 die 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 auf demselben Weg wie in den Beispielen, die in 6(A), (B), (C) und (D) gezeigt sind, das Brennkammervolumen zu 5 ml ausgeführt und wird das Hubvolumen des Kolbens zu 500 ml ausgeführt. Wie aus 8(A) ersichtlich ist, ist in einem gewöhnlichen Zyklus das mechanische Kompressionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11, ist das Ist-Kompressionsverhältnis ebenso ungefähr 11 und ist das Expansionsverhältnis und das Ist-Expansionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11. Bei einer gewöhnlichen Brennkraftmaschine ist nämlich das mechanische Kompressionsverhältnis und das Ist-Kompressionsverhältnis sowie das Expansionsverhältnis unf das Ist-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 Ist-Expansionsverhältnis im Wesentlichen gleich sind, nämlich in dem gewöhnlichen Zyklus. In diesem Fall wird erkennbar, dass, je größer das Ist-Expansionsverhältnis ist, nämlich je höher 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 aufgrund der Beschränkungen bezüglich des Auftretens von Klopfen zum Zeitpunkt des Hochlastbetriebs der Kraftmaschine kann das Ist-Kompressionsverhältnis nur bis zu einem Maximum von ungefähr 12 angehoben werden, wobei demgemäß in einem gewöhnlichen Zyklus der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht ausreichend hoch ausgeführt werden kann.
Andererseits haben die Erfinder in dieser Situation streng zwischen dem mechanischen Kompressionsverhältnis und dem Ist-Kompressionsverhältnis unterschieden und den theoretischen thermischen Wirkungsgrad untersucht und als Ergebnis entdeckt, dass bei dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad das Ist-Expansionsverhältnis dominiert und der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht sehr durch das Ist-Kompressionsverhältnis beeinträchtigt wird. Wenn nämlich das Ist-Kompressionsverhältnis angehoben wird, erhöht sich die Explosionskraft, aber erfordert die Kompression eine große Energie, wobei demgemäß auch dann, wenn das Ist-Kompressionsverhältnis ansteigt, der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht sehr ansteigen wird.
Wenn dagegen das Ist-Expansionsverhältnis erhöht wird, ist dann, je länger die Zeitdauer ist, während der eine Kraft wirkt, die den Kolben zum Zeitpunkt des Expansionstakts nach unten drückt, die Zeit umso länger, mit der der Kolben eine Rotationskraft auf die Kurbelwelle aufprägt. Daher ist, je größer das Ist-Expansionsverhältnis ist, der theoretische thermische Wirkungsgrad umso höher. Die gestrichelte Linie ε = 10 in 7 zeigt den theoretischen thermischen Wirkungsgrad in dem Fall der Festlegung des Ist-Kompressionsverhältnisses auf 10 und der Anhebung des Ist-Expansionsverhältnisses in diesem Zustand. Auf diesem Weg wird erkannt, dass der Betrag des Anstiegs des theoretischen thermischen Wirkungsgrads, wenn das Ist-Expansionsverhältnis in dem Zustand angehoben wird, in welchem das Ist-Kompressionsverhältnis auf einem niedrigen Wert gehalten wird und der Betrag des Anstiegs des theoretischen Wirkungsgrads in dem Fall, dass das Ist- Kompressionsverhältnis gemeinsam mit dem Ist-Expansionsverhältnis erhöht wird, wie durch die durchgezogene Linie von 7 gezeigt ist, sich nicht sehr unterscheiden werden.
Wenn das Ist-Kompressionsverhältnis auf einen niedrigen Wert auf diesem Weg gehalten wird, wird Klopfen nicht auftreten, wobei dann, wenn das Ist-Expansionsverhältnis in dem Zustand ansteigt, in welchem das Ist-Kompressionsverhältnis auf dem 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 Beibehalten des Ist-Kompressionsverhältnisses auf einem niedrigen Wert und zum Anheben des Ist-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 auf 200 ml verändert. Als Folge wird in diesem Beispiel das Ist-Kompressionsverhältnis (20 ml + 200 ml)/20 ml = 11. Andererseits zeigt 8(B) den Fall, in welchem das Auslassventil 9 sich in der Nähe des unteren Totpunkts öffnet und den Fall, in welchem das Auslassventil 9 sich öffnet, wenn das Hubvolumen 450 ml beträgt. Wenn das Auslassventil 9 sich in der Nähe des unteren Totpunkts öffnet, wird das Ist-Expansionsverhältnis (20 ml + 500 ml)/20 ml = 26, während dann, wenn das Auslassventil 9 sich öffnet, wenn das Hubvolumen 450 ml beträgt, das Ist-Expansionsverhältnis (20 ml + 450 ml)/20 ml = 23,5 beträgt. Bei einem gewöhnlichen Zyklus, der in 8(A) gezeigt ist, wie vorstehend erklärt ist, beträgt das Ist-Kompressionsverhältnis ungefähr 11 und ist das Ist-Expansionsverhältnis 11. Im Vergleich mit diesem Fall wird in dem Fall, der in 8(B) gezeigt ist, erkannt, dass nur das Ist-Expansionsverhältnis auf 26 oder 23,5 angehoben wird. Das wird als „Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis” bezeichnet.
Bei einer Brennkraftmaschine wird allgemein gesagt, je niedriger die Kraftmaschinenlast ist, umso schlechter der thermische Wirkungsgrad, wobei daher zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads zum Zeitpunkt des Kraftmaschinenbetriebs, nämlich zur Verbesserung 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, wodurch dieser Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis nur eingesetzt werden kann, wenn die Kraftmaschinenlast relativ niedrig ist. Daher wird in der vorliegenden Erfindung, wenn die Kraftmaschinenlast relativ niedrig ist, der Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis, wie in 8(B) gezeigt ist, eingerichtet, während zu dem Zeitpunkt des Hochlastbetriebs der Kraftmaschine der gewöhnliche Zyklus eingerichtet wird, der in 8(A) gezeigt ist.
Als nächstes wird die Betriebssteuerung im Ganzen, wenn der Dreiwege-Katalysator ausreichend aktiviert ist, unter Bezugnahme auf 9 erklärt.
9 zeigt die Änderung des mechanischen Kompressionsverhältnisses, des Ist-Kompressionsverhältnisses, der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7, des Ist-Kompressionsverhältnisses, der Menge der Einlassluft, des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 und des Pumpverlusts gegenüber der Kraftmaschinenlast bei einer gewissen 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 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnissensor 23 gesteuert wird, so dass der Dreiwege-Katalysator in dem katalytischen Wandler 22 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, der in 8(A) gezeigt ist, ausgeführt. Daher wird, wie in 9 gezeigt ist, zu diesem Zeitpunkt, da das mechanische Expansionsverhältnis niedrig ausgeführt ist, das Ist-Expansionsverhältnis niedrig. Wie durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, wird die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 vorgestellt. 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 die durchgezogene Linie in 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 Kraftmaschinenlast niedriger wird. Es ist anzumerken, dass zu diesem Zeitpunkt ebenso das Drosselventil 19 auf dem vollständig geöffneten oder im Wesentlichen vollständig geöffneten Zustand gehalten wird. Daher wird die Einlassluftmenge, die in die Brennkammer 5 befördert wird, durch Ändern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 ohne Verlass auf das Drosselventil 19 gesteuert. Zu diesem Zeitpunkt wird ebenso der Pumpverlust null.
Wenn auf diesem Weg die Kraftmaschinenlast von dem Hochlastbetriebszustand der Kraftmaschine ausgehend niedriger wird, wird die mechanische Kompressionsrate veranlasst, gemeinsam mit der Verringerung der Einlassluftmenge in einem im Wesentlichen konstanten Ist-Kompressionsverhältnis anzusteigen. 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 das Luftkraftstoffverhältnis in der Brennkammer 5 zu diesem Zeitpunkt das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis wird, so dass das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Kompressionstotpunkt erreicht, sich proportional zu der Kraftstoffmenge ändert.
Wenn die Kraftmaschinenlast weitergehend niedriger wird, wird das mechanische Kompressionsverhältnis weitergehend ansteigend gelassen. Wenn die Kraftmaschinenlast auf die mittlere Last L₁ fällt, die näher an der niedrigen Last ist, erreicht das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis, das die strukturelle Grenze der Brennkammer 5 bildet. Wenn das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis erreicht, wird in der Region einer Last, die niedriger als die Kraftmaschinenlast L₁ ist, in der das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis erreicht, das mechanische Kompressionsverhältnis an dem mechanischen Kompressionsverhältnis gehalten. Daher wird zum Zeitpunkt des niedriglastseitigen Mittellastbetriebs der Kraftmaschine und zum Zeitpunkt des Niedriglastbetriebs der Kraftmaschine das mechanische Kompressionsverhältnis maximal und wird das Ist-Expansionsverhältnis ebenso maximal. Anders gesagt wird zum Zeitpunkt des niedriglastseitigen Kraftmaschinenmittellastbetriebs das mechanische Kompressionsverhältnis maximal ausgeführt, so dass das maximale Ist-Expansionsverhältnis erhalten wird.
Andererseits wird in dem Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, auch dann, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als L₁ wird, die durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 verzögert, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird. Wenn die Kraftmaschinenlast auf L₂ fällt, wird die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 die Grenzschließzeitabstimmung, an der die Einlassluftmenge, die in die Brennkammer 5 gefördert wird, gesteuert werden kann. Wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 die Grenzschließzeitabstimmung erreicht, wird in der Region einer Last, die niedriger als die Kraftmaschinenlast L₂ ist, wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 die Grenzschließzeitabstimmung erreicht, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 auf der Grenzschließzeitabstimmung gehalten.
Wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 auf der Grenzschließzeitabstimmung gehalten wird, kann die Einlassluftmenge nicht mehr durch Ändern der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 gesteuert werden. In dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel wird zu diesem Zeitpunkt, nämlich in der Region einer Last, die niedriger als die Kraftmaschinenlast L₂ ist, wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 die Grenzschließzeitabstimmung erreicht, die Einlassluftmenge, die in die Brennkammer 5 gefördert wird, durch das Drosselventil 19 gesteuert. Wenn jedoch die Einlassluftmenge durch das Drosselventil 19 gesteuert wird, erhöht sich der Pumpverlust, wie in 9 gezeigt ist.
Andererseits wird, wie in 9 gezeigt ist, an der Seite des Hochlastbetriebs, an der die Kraftmaschinenlast höher als L₁ ist, das Ist-Kompressionsverhältnis auf im Wesentlichen demselben Ist-Kompressionsverhältnis für dieselbe Kraftmaschinendrehzahl gehalten. Wenn dagegen die Kraftmaschinenlast niedriger als L₂ ist, wenn nämlich das mechanische Kompressionsverhältnis auf einem mechanischen Grenzkompressionsverhältnis gehalten wird, wird das Ist-Kompressionsverhältnis durch die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 bestimmt. Wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 wie in der Kraftmaschinenlast zwischen L₁ und L₂ verzögert wird, fällt das Ist-Kompressionsverhältnis. Wenn die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 auf der Grenzschließzeitabstimmung wie in der Kraftmaschinenlast gehalten wird, die niedriger als L₂ ist, wird das Ist-Kompressionsverhältnis konstant gehalten.
Andererseits ist es möglich, wie durch die gestrichelte Linie in 9 gezeigt ist, die Einlassluftmenge ohne Beachtung des Drosselventils 19 durch vorstellen der Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 zu steuern, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird. Daher wird dies so ausgedrückt, dass sowohl der Fall, der durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, als auch der Fall, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, abgedeckt werden, wobei in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird, in der Richtung verschoben, die von dem unteren Einlasstotpunkt UT bis zur Grenzschließzeitabstimmung L₂, was die Steuerung der Einlassluftmenge ermöglicht, die in die Brennkammer gefördert wird.
Wenn nun die Temperatur des Dreiwege-Katalysators in den katalytischen Wandler 22 fällt und niedriger als die Aktivierungstemperatur wird, wird das Abgas nicht mehr gereinigt, wobei daher der Dreiwege-Katalysator auf der Aktivierungstemperatur oder darüber gehalten werden muss. Andererseits fällt, wie aus 7 ersichtlich ist, wenn das Ist-Expansionsverhältnis fällt, der theoretische thermische Wirkungsgrad und wird die Abgastemperatur höher. Daher wird in der vorliegenden Erfindung, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, das Ist-Expansionsverhältnis verringert und dadurch die Abgastemperatur angehoben, um die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf der Aktivierungstemperatur oder darüber zu halten.
Wenn in dieser Hinsicht das Ist-Kompressionsverhältnis fällt, wenn das Ist-Expansionsverhältnis verringert wird, werden die Zündung und die Verbrennung des Kraftstoffs sich verschlechtern. Daher wird in der vorliegenden Erfindung zu diesem Zeitpunkt das Ist-Expansionsverhältnis verringert, während das Ist-Kompressionsverhältnis auf demselben Wert gehalten wird oder während das Ist-Kompressionsverhältnis erhöht wird.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Absenken des mechanischen Kompressionsverhältnisses und dadurch absenkendes Ist-Expansionsverhältnisses, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird. Es ist anzumerken, dass in 10 die durchgezogene Linie die durchgezogene Linie in 9 zeigt, nämlich die Werte, wenn der Dreiwege-Katalysator aktiviert ist. In 10 zeigt die gestrichelte Linie die Werte in dem Fall, in dem die Temperatur des Dreiwege-Katalysators angehoben wird.
Wie auf 10 ersichtlich ist, wird in diesem Ausführungsbeispiel, wenn die Temperatur des Dreiwege-Katalysators angehoben werden sollte, dass mechanische Kompressionsverhältnis von dem Wert, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, auf den Wert, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich das Ist-Expansionsverhältnis von dem Wert, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, zu dem Wert, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Andererseits wird in diesem Ausführungsbeispiel zu diesem Zeitpunkt das Ist-Kompressionsverhältnis von dem Wert, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, zu dem Wert, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, angehoben. Daher wird veranlasst, das die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 sich von der durchgezogenen Linie zu der gestrichelten Linie in einer Richtung verschiebt, in der sie sich dem unteren Einlasstotpunkt nähert, und wird veranlasst, dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 19 von der durchgezogenen Linie zu der gestrichelten Linie kleiner ausgeführt wird.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das das mechanische Kompressionsverhältnis verringert, um das Expansionsverhältnis zu verringern, wenn vorher gesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als der Aktivierungstemperatur fällt. Es ist anzumerken, dass in 11 die durchgezogene Linie die durchgezogene Linie in 9 zeigt, nämlich die Werte, in dem Fall zeigt, dass der Dreiwege-Katalysator aktiviert ist. In 11 zeigt die gestrichelte Linie in dem Fall, in welchem die Temperatur des Dreiwege-Katalysators angehoben wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ebenso, wenn die Temperatur des Dreiwege-Katalysators angehoben wird, das mechanische Kompressionsverhältnis von dem Wert, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, zu dem Wert, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ist-Expansionsverhältnis von dem Wert, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, zu dem Wert, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, abgesenkt. Ferner wird in diesem Ausführungsbeispiel ebenso das Ist-Kompressionsverhältnis von dem Wert, der durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, zu dem Wert, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, angehoben. Daher wird die Schließzeitabstimmung des Einlassventils 7 veranlasst, sich von der durchgezogenen Linie zu der gestrichelten Linie in einer Richtung zu verschieben, in der sie sich dem unteren Einlasstotpunkt annähert, und wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 19 von der durchgezogenen Linie zu der gestrichelten Linie kleiner ausgeführt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird anders als dem Ausführungsbeispiel, das in 10 gezeigt ist, das mechanische Kompressionsverhältnis abgesenkt, um die Temperatur des Dreiwege-Katalysators nur dann anzuheben, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als eine vorbestimmte Last L₀ ist. Ferner wird in diesem Fall, je niedriger die Kraftmaschinenlast ist, umso größer der Betrag der Verringerung des mechanischen Kompressionsverhältnisses ausgeführt. Wenn nämlich die Kraftmaschinenlast höher als L₀ ist, wird angenommen, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators niemals geringer als die Aktivierungstemperatur werden kann. Daher besteht in diesem Ausführungsbeispiel, wenn die Kraftmaschinenlast höher als L₀ ist, keine Temperaturanhebungsfunktion des Dreiwege-Katalysators ungeachtet der Temperatur des Dreiwege-Katalysators.
Andererseits wird in der Region, in der die Kraftmaschinenlast niedriger als L₀ ist, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger wird, die Abgastemperatur niedriger und wird die Länge des Abgases geringer. Wenn daher vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, wird zum Halten der Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf der Aktivierungstemperatur, je niedriger die Kraftmaschinenlast wird, umso größer die Abgastemperatur angehoben werden müssen. Daher wird in diesem Ausführungsbeispiel, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, je niedriger die Kraftmaschinenlast ist, umso mehr der Betrag der Verringerung des mechanischen Kompressionsverhältnisses ausgeführt und dadurch, je niedriger die Kraftmaschinenlast ist, umso größer der Betrag der Verringerung des Ist-Expansionsverhältnisses ausgeführt.
12 zeigt eine Betriebssteuerroutine, die auf jedes der Ausführungsbeispiele angewendet werden kann, das in 10 und 11 gezeigt ist. Wenn auf 12 Bezug genommen wird, wird zuerst bei Schritt 100 die Temperatur TC des Dreiwege-Katalysators aus dem Ausgangssignal des Temperatursensors 24 geschätzt. Als nächstes wird bei Schritt 101 beurteilt, ob die Temperatur TC des Dreiwege-Katalysators niedriger als eine Temperatur T₀ wird, bei der vorhergesagt wird, dass die Temperatur TC des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur, beispielsweise eine Temperatur T₀ fällt, die gerade geringfügig höher als die Temperatur ist, bei der der Dreiwege-Katalysator aktiviert wird. Wenn TC ≥ T₀ gilt, wenn nämlich der Dreiwege-Katalysator ausreichend aktiviert ist, schreitet die Routine zu Schritt 102 weiter, bei dem die Betriebssteuerung durchgeführt wird, die in 9 gezeigt ist. Bei Schritt 102 wird nämlich das Ziel-Ist-Kompressionsverhältnis CP berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 103 die Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils 7 aus dem Kennfeld berechnet, das in 13(A) gezeigt ist. Die Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils 7, die zum Fördern der erforderlichen Einlassluftmenge in die Brennkammer 5 erforderlich ist, wird nämlich als Funktion der Kraftmaschinenlast L und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form des in 13(A) gezeigten Kennfelds im Voraus in dem ROM 32 gespeichert. Die Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils 7 wird aus dem Kennfeld berechnet.
Als nächstes wird bei Schritt 104 das mechanische Kompressionsverhältnis CR berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 105 der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 berechnet. Der Öffnungsgrad θ jedes Drosselventils 17 wird als Funktion der Kraftmaschinenlast L und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form eines Kennfelds, das in 13(B) gezeigt ist, im Voraus in dem ROM 32 gespeichert. Als nächstes wird bei Schritt 110 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.
Wenn dagegen bei Schritt 101 beurteilt wird, dass das TC < T₀ ist, wenn nämlich vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, schreitet die Routine zu Schritt 106 weiter, bei dem die Betriebssteuerung zu der durch die gestrichelte Linie von 10 gezeigten Betriebssteuerung umgeschaltet wird. Es ist anzumerken, dass in dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn die Kraftmaschinenlast niedriger als L₀ ist und TC < T₀ gilt, die Routine zu Schritt 106 weiter schreitet, bei dem die Betriebssteuerung zu der durch die gestrichelte Linie von 11 gezeigte Betriebssteuerung umgeschaltet wird.
Zuerst wird nämlich bei Schritt 106 das Ziel-Ist-Kompressionsverhältnis CP' berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 107 die Schließzeitabstimmung IC' des Einlassventils 7 aus dem in 14(A) gezeigten Kennfeld berechnet. In diesem Fall wird nämlich ebenfalls die Schließzeitabstimmung IC' des Einlassventils 7, die zum Fördern der erforderlichen Einlassluftmenge zu dem Innenraum der Brennkammer 5 erforderlich ist, als Funktion der Kraftmaschinenlast L und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form des in 14(A) gezeigten Kennfelds im Voraus in dem ROM 32 gespeichert. Die Schließzeitabstimmung IC' des Einlassventils 7 wird aus dem Kennfeld berechnet.
Als nächstes wird bei Schritt 108 das mechanische Kompressionsverhältnis CR' berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 109 der Öffnungsgrad des Drosselventils 19 berechnet. Dieser Öffnungsgrad θ' des Drosselventils 19 wird ebenso als Funktion der Kraftmaschinenlast L und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form eines Kennfelds, wie in 14(B) gezeigt ist, im Voraus in dem ROM 32 gespeichert. Als nächstes wird der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis bei Schritt 110 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 19 so gesteuert, dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 19 der Öffnungsgrad θ' wird. Es ist anzumerken, dass zu diesem Zeitpunkt die Zündzeitabstimmung ebenso verzögert werden kann, um die Abgastemperatur weitergehend anzuheben.
15 bis 17 zeigen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in 15 gezeigt ist, ein variabler Ventilzeitabstimmungsmechanismus B' einer Struktur, die ähnlich dem variablem Ventilzeitabstimmungsmechanismus B ist, der an dem Einlassventil 7 vorgesehen ist, ebenso an dem Auslassventil 9 vorgesehen. Daher kann dieser variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B' die Schließzeitabstimmung des Auslassventils 9 steuern und kann individuell die Öffnungszeitabstimmung des Auslassventils 9 steuern.
Wenn in diesem Ausführungsbeispiel vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, wird ohne Verursachen einer Verringerung des mechanischen Kompressionsverhältnisses, wie in 16 gezeigt ist, die Öffnungszeitabstimmung EO des Auslassventils 9 von dem gewöhnlichen Wert EO₀ zu EO₁ vorgestellt, und wird dadurch das Ist-Expansionsverhältnis abgesenkt.
17 zeigt die Betriebssteuerroutine. Unter Bezugnahme auf 17 wird zuerst bei Schritt 200 die Temperatur TC des Dreiwege-Katalysators aus dem Ausgangssignal des Temperatursensors 24 geschätzt. Als nächstes wird bei Schritt 201 beurteilt, ob die Temperatur TC des Dreiwege-Katalysators niedriger als die Temperatur T₀ wird, bei der vorausgesagt wird, dass die Temperatur TC des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fällt. Wenn TC ≥ T₀ gilt, wenn nämlich der Dreiwege-Katalysator ausreichend aktiviert ist, schreitet die Routine zu Schritt 202 weiter, bei dem die Öffnungszeitabstimmung EO des Auslassventils 9 auf die übliche Öffnungszeitabstimmung EO₀, ausgeführt wird, wie in 16 gezeigt ist. Als nächstes schreitet die Routine zu Schritt 204 weiter.
Wenn dagegen bei Schritt 201 beurteilt wird, dass TC < T₀ gilt, dass nämlich vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Dreiwege-Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, schreitet die Routine zu Schritt 203 weiter, bei dem die Öffnungszeitabstimmung EO des Auslassventils 9 auf EO₁ vorgestellt wird, wie in 16 gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann zum weitergehenden anhebend der Abgastemperatur die Zündzeitabstimmung nachgestellt werden. Als nächstes schreitet die Routine zu Schritt 204 weiter.
Von Schritt 204 an wird die Betriebssteuerung durchgeführt, die in 9 gezeigt ist. Bei Schritt 204 wird nämlich das Ziel-Ist-Kompressionsverhältnis CP berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 205 die Schließzeitabstimmung IC des Einlassventils 7 aus dem in 13(A) gezeigten Kennfeld berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 206 das mechanische Kompressionsverhältnis CR berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 207 der Öffnungsgrad θ des Drosselventils 19 aus dem in 13(B) gezeigten Kennfeld berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 208 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, wird der variable Ventilzeitabstimmungsmechanismus B' so gesteuert, dass die Öffnungszeitabstimmung EO des Auslassventils 9 die Öffnungszeitabstimmung EO₀ oder EO₁ wird, und wird das Drosselventil 19 so gesteuert, dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 19 der Öffnungsgrad θ wird.
Es ist anzumerken, dass, wie vorstehend erklärt ist, in dem Zyklus mit überhöhtem Expansionsverhältnis, wie in 8(B) gezeigt ist, das Ist-Expansionsverhältnis zu 26 oder 23,5 ausgeführt wird. Je höher dieses Ist-Expansionsverhältnis ist, umso besser ist es, aber, wie aus 7 ersichtlich ist, ein beträchtlich hoher theoretischer thermischer Wirkungsgrad erhalten werden kann, wenn es mit Bezug auf die praktisch verwendbare Untergrenze des Ist-Kompressionsverhältnisses von ε = 5 20 oder mehr beträgt. Daher ist in der vorliegenden Erfindung der Mechanismus A mit variablem Kompressionsverhältnis so ausgebildet, dass das Ist-Expansionsverhältnis 20 oder größer wird.
Zusammenfassung
Bei einer Brennkraftmaschine sind ein Mechanismus (A) mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, ein variabler Ventilzeitabstimmungsmechanismus (B), der die Schließzeitabstimmung des Einlassventils (7) steuern kann, und eine Vorhersageeinrichtung zum Vorhersagen der Temperatur des Katalysators vorgesehen, der in dem Kraftmaschinenabgasdurchgang angeordnet ist. Wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, wird das Ist-Expansionsverhältnis abgesenkt, während das Ist-Kompressionsverhältnis gleich gehalten wird, oder während das Ist-Kompressionsverhältnis erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 4-28893 [0002]

Claims

Fremdgezündete Brennkraftmaschine, die mit einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, der ein mechanisches Kompressionsverhältnis ändern kann, einem variablem Ventilzeitabstimmungsmechanismus, der eine Schließzeitabstimmung eines Einlassventils steuern kann, und einer Vorhersageeinrichtung zum Vorhersagen einer Temperatur eines Katalysators versehen ist, der in einem Kraftmaschinenabgasdurchgang angeordnet ist, wobei dann, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als eine Aktivierungstemperatur fallen wird, ein Ist-Expansionsverhältnis abgesenkt wird, während das Ist-Kompressionsverhältnis gleichgehalten wird oder während das Ist-Kompressionsverhältnis erhöht wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei dann, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, das mechanische Kompressionsverhältnis abgesenkt wird, um das Ist-Expansionsverhältnis abzusenken.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei ein Drosselventil in einem Kraftmaschineeinlassdurchgang angeordnet ist, und wobei dann, wenn das mechanische Kompressionsverhältnis abgesenkt wird, um das Ist-Expansionsverhältnis abzusenken, die Schließzeitabstimmung des Einlassventils in einer Richtung verschoben wird, die sich an den unteren Einlasstotpunkt annähert, und der Öffnungsgrad des Drosselventils kleiner gemacht wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei ein variabler Ventilzeitabstimmungsmechanismus vorgesehen ist, der eine Öffnungszeitabstimmung eines Auslassventils steuern kann, und wobei dann, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, die Öffnungszeitabstimmung des Auslassventils vorgestellt wird, um das Ist-Expansionsverhältnis abzusenken.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei dann, wenn vorhergesagt wird, dass die Temperatur des Katalysators auf weniger als die Aktivierungstemperatur fallen wird, die Zündzeitabstimmung nachgestellt wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei an einer Seite mit Niedriglastbetrieb der Kraftmaschine das mechanische Kompressionsverhältnis maximal gemacht wird, so dass das maximale Expansionsverhältnis erhalten wird, und wobei das maximale Expansionsverhältnis 20 oder mehr beträgt.