DE112008003292T5 - Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung - Google Patents

Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung Download PDF

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Abstract

Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung, die mit einem variablen Kompressionsverhältnismechanismus, der fähig ist, ein mechanisches Kompressionsverhältnis zu ändern, und einem variablen Ventilsteuerzeitmechanismus versehen ist, der fähig ist, eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils zu steuern, wobei das mechanische Kompressionsverhältnis auf einer Seite eines Niedriglastbetriebs der Maschine größer als zur Zeit eines Hochlastbetriebs der Maschine ausgeführt ist, das mechanische Kompressionsverhältnis fortschreitend auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine reduziert wird, wenn eine Maschinenlast höher wird, und ein Ist-Kompressionsverhältnis ist auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine niedriger ausgeführt, wenn die Maschinenlast sinkt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung.
  • Stand der Technik
  • In dem Stand der Technik ist eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung bekannt, die mit einem variablen Kompressionsverhältnismechanismus, der fähig ist, ein mechanisches Kompressionsverhältnis zu ändern, und einem variablen Ventilsteuerzeitmechanismus versehen, der fähig ist, eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils zu steuern, die einen Aufladevorgang zum Zeitpunkt eines Mittellastbetriebs der Maschine und eines Hochlastbetriebs der Maschine durchführt, und das mechanische Kompressionsverhältnis erhöht und die Schließsteuerzeit des Einlassventils verzögert, wenn die Maschinenlast zum Zeitpunkt eines Mittel- und Hochlastbetriebs in dem Zustand des Konstanthaltens des Ist-Verbrennungsverhältnisses niedriger wird (z. B. siehe die japanische Patentoffenlegungsschrift (A) Nr. 2004-218522 ).
  • Dieses Dokument erwähnt jedoch überhaupt kein Ist-Kompressionsverhältnis, wenn die Maschinenlast niedrig ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung zu schaffen, die fähig ist, den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung geschaffen, die mit einem variablen Kompressionsverhältnismechanismus, der fähig ist, ein mechanisches Kompressionsverhältnis zu ändern, und einem variablen Ventilsteuerzeitmechanismus versehen ist, der fähig ist, eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils zu steuern, wobei das mechanische Kompressionsverhältnis auf einer Seite eines Niedriglastbetriebs der Maschine größer als zum Zeitpunkt eines Hochlastbetriebs der Maschine ausgeführt ist, das mechanische Kompressionsverhältnis fortschreitend auf einer Seite des Hochlastbetriebs der Maschine reduziert wird, wenn die Maschinenlast höher wird, und ein Ist-Kompressionsverhältnis auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine niedrig ausgeführt ist, wenn die Maschinenlast niedriger wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Übersicht der Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung.
  • 2 ist eine Perspektivansicht eines variablen Kompressionsverhältnismechanismus, wenn er zerlegt ist.
  • 3 ist eine seitliche Schnittansicht der dargestellten Brennkraftmaschine.
  • 4 ist eine Ansicht eines variablen Ventilsteuerzeitmechanismus.
  • 5 ist eine Ansicht, die die Höhe eines Hubs des Einlassventils und des Auslassventils zeigt.
  • 6 ist eine Ansicht zum Erläutern des mechanischen Kompressionsverhältnisses, des Ist-Kompressionsverhältnisses und des Expansionsverhältnisses.
  • 7 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und dem Expansionsverhältnis zeigt.
  • 8 ist eine Ansicht zum Erläutern eines herkömmlichen Zyklus und eines Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis.
  • 9 ist eine Ansicht, die die Änderung des mechanischen Kompressionsverhältnisses usw. in Übereinstimmung mit der Maschinenlast zeigt.
  • 10 ist ein Ablaufdiagramm für eine Betriebssteuerung.
  • 11 ist eine Ansicht, die Kennfelder der Schließsteuerzeit des Einlassventils usw. zeigt.
  • Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
  • 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Brennkraftmaschinen der Bauart mit Fremdzündung.
  • Bezugnehmend auf 1 gibt 1 ein Kurbelgehäuse, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 eine Zündkerze, die an der oberen Mitte der Brennkammer 5 angeordnet ist, 7 ein Einlassventil, 8 einen Einlassanschluss, 9 ein Auslassventil und 10 einen Auslassanschluss an. 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 zu einem entsprechenden Einlassanschluss 8 versehen ist. Es wird angemerkt, dass jeder Kraftstoffinjektor 13 bei jeder Brennkammer 5 anstelle davon angeordnet sein kann, dass er an jedem Einlassabzweigrohr 11 angebracht ist.
  • Der Ausgleichsbehälter 12 ist durch einen Einlasskanal 14 mit einem Luftfilter 15 verbunden, während der Einlasskanal 14 in dessen Inneren mit einem Drosselventil 17, das durch ein Stellglied 16 angetrieben ist, und einer Einlassluftmengenerfassungseinrichtung 18, die z. B. einen heißen Draht verwendet, versehen ist. Andererseits ist der Auslassanschluss 10 durch einen Auslasskrümmer 19 mit einem Katalysator 20 verbunden, der z. B. einen Dreiwegekatalysator aufgenommen hat, während der Auslasskrümmer 19 in dessen Inneren mit einem Luftkraftstoffverhältnissensor 21 versehen ist.
  • Andererseits ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel das Verbindungsteil des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 mit einem variablen Kompressionsverhältnismechanismus A versehen, der fähig ist, die Relativpositionen des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 in die Zylinderaxialrichtung zu verändern, um das Volumen der Brennkammer 5 zu ändern, wenn der Kolben 4 an dem Kompressionstotpunkt positioniert ist, und dort ist ferner ein Ist-Kompressionsvorgangsstartsteuerzeitänderungsmechanismus B vorgesehen, der fähig ist, eine Startsteuerzeit eines Ist-Kompressionsvorgangs zu ändern. Es wird angemerkt, dass in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dieser Ist-Kompressionsvorgangsstartsteuerzeitänderungsmechanismus B aus einem variablen Ventilsteuerzeitmechanismus besteht, der fähig ist, die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 zu steuern.
  • Die elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem Digitalcomputer, der mit Komponenten versehen ist, die untereinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind, wie beispielsweise einem ROM (einem Nur-Lesespeicher) 32, einem RAM (einem Direktzugriffsspeicher) 33, einer CPU (einem Mikroprozessor) 34, einem Eingangsanschluss 35 und einem Ausgangsanschluss 36. Das Ausgangssignal der Einlassluftmengenerfassungseinrichtung 18 und das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 werden durch entsprechende AD Wandler 37 zu dem Eingangsanschluss 35 eingegeben. Ferner ist das Gaspedal 40 mit einem Lastsensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung proportional zu dem Durchdrückungsbetrag L des Beschleunigerpedals 40 erzeugt. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird durch einen entsprechenden AD Wandler 37 zu dem Eingangsanschluss 35 eingegeben. Ferner ist der Eingangsanschluss 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der einen Ausgangsimpuls jedes Mal erzeugt, wenn sich die Kurbelwelle z. B. um 30° dreht. Andererseits ist der Ausgangsanschluss 36 durch den Antriebskreis 38 mit einer Zündkerze 6, einem Kraftstoffinjektor 13, einem Drosselventilantriebsstellglied 16, einem variablen Kompressionsverhältnismechanismus A und einem variablen Ventilsteuerzeitmechanismus B verbunden.
  • 2 ist eine Perspektivansicht des zerlegten variablen Kompressionsverhältnismechanismus A, der in 1 gezeigt ist, während 3 eine seitliche Schnittansicht der dargestellten Brennkraftmaschine ist. Bezugnehmend auf 2 sind an dem Boden der zwei Seitenwände des Zylinderblocks 2 eine Vielzahl von vorspringenden Teilen 50 ausgebildet, die voneinander um einen gewissen Abstand getrennt sind. Jedes vorspringende Teil 50 ist mit einem Nockeneinführloch mit kreisförmigem Querschnitt 51 ausgebildet. Andererseits ist die Oberfläche des Kurbelgehäuses 1 mit einer Vielzahl von vorspringenden Teilen 52 ausgebildet, die voneinander um einen gewissen Abstand getrennt sind und zwischen den entsprechenden vorspringenden Teilen 50 passen. Diese vorspringenden Teile 52 sind ebenso mit Nockeneinführlöchern mit kreisförmigem Querschnitt 53 ausgebildet.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Paar Nockenwellen 54, 55 vorgesehen. Jede der Nockenwellen 54, 55 hat an ihr fixierte kreisförmige Nocken 56, die fähig sind, an jeder anderen Position in den Nockeneinführlöchern 51 drehbar eingeführt zu werden. Diese kreisförmigen Nocken 56 sind koaxial mit den Drehachsen der Nockenwellen 54, 55 ausgebildet. Andererseits erstrecken sich zwischen den kreisförmigen Nocken 56, wie durch die Schraffur in 3 gezeigt ist, exzentrische Wellen 57, die exzentrisch in Bezug auf die Drehachsen der Nockenwellen 54, 55 angeordnet sind. Jede exzentrische Welle 57 hat andere kreisförmige Nocken 58, die an ihr exzentrisch drehbar 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 entsprechenden Nockeneinführlöchern 53 eingeführt.
  • Wenn die kreisförmigen Nocken 56, die an den Nockenwellen 54, 55 befestigt sind, in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, wie durch die Pfeile mit durchgezogener Linie in 3(A) gezeigt ist, von dem Zustand, der in 3(A) gezeigt ist, gedreht werden, bewegen sich die exzentrischen Wellen 57 in Richtung der unteren Mitte, so dass die kreisförmigen Nocken 58 in entgegengesetzte Richtungen von den kreisförmigen Nocken 56 in den Nockeneinführlöchern 53 drehen, wie durch die Pfeile mit gestrichelter Linie in 3(A) gezeigt ist. Wie in 3(B) gezeigt ist, bewegen sich, wenn sich die exzentrischen Wellen 57 zu der unteren Mitte bewegen, die Mitten der kreisförmigen Nocken 58 nach unterhalb der exzentrischen Wellen 57.
  • Wie aus einem Vergleich von 3(A) und 3(B) zu verstehen ist, sind die Relativpositionen 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, desto weiter ist der Zylinderblock 2 von dem Kurbelgehäuse 1 entfernt. Falls der Zylinderblock 2 sich von dem Kurbelgehäuse 1 wegbewegt, steigt das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert wird, wodurch durch Bewirken, dass die Nockenwellen 54, 55 drehen, das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert wird, geändert wird.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist, um die Nockenwellen 54, 55 in entgegengesetzte Richtungen zu 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 über einen breiten Bereich zu ändern, wenn der Kolben 4 an dem oberen Kompressionstotpunkt positioniert wird. Es wird angemerkt, dass der variable Kompressionsverhältnismechanismus A, der in 1 bis 3 gezeigt ist, ein Beispiel zeigt. Jegliche Art von variablem Kompressionsverhältnismechanismus kann verwendet werden.
  • Andererseits zeigt 4 einen variablen Ventilsteuerzeitmechanismus B, der an dem Ende der Nockenwelle 70 zum Antreiben des Einlassventils 7 in 1 angebracht ist. Bezugnehmend auf 4 ist dieser variable Ventilsteuerzeitmechanismus B mit einer Steuerzeitriemenscheibe 71, die durch eine Maschinenkurbelwelle mittels eines Steuerzeitriemens in die Richtung des Pfeils gedreht wird, einem zylindrischen Gehäuse 72, das zusammen mit der Steuerzeitriemenscheibe 71 dreht, einer Welle 73, die fähig ist, zusammen mit einer Einlassventilantriebsnockenwelle 70 zu drehen und relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 zu drehen, einer Vielzahl von Trennwänden 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 Trennwänden 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 zum Voreilen 76 und Hydraulikkammern zum Nacheilen 77 ausgebildet sind.
  • Die Zufuhr von Arbeitsöl zu den Hydraulikkammern 76, 77 wird durch ein Arbeitsölzufuhrsteuerventil 78 gesteuert. Dieses Arbeitsölzufuhrsteuerventil 78 ist mit Hydraulikanschlüssen 79, 80 versehen, die mit den Hydraulikkammern 76, 77, einem Zufuhranschluss 82 für Arbeitsöl, das von eine Hydraulikpumpe 81 ausgegeben wird, einem Paar Ablaufanschlüssen 83, 84 und einem Steuerkolbenventil 85 zum Steuern einer Verbindung und einer Trennung der Anschlüsse 79, 80, 82, 83, 84 verbunden.
  • Um die Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 vorzurücken, wird in 4 bewirkt, dass das Steuerkolbenventil 85 sich nach rechts bewegt, Arbeitsöl, das von dem Zufuhranschluss 82 zugeführt wird, durch den Hydraulikanschluss 79 zu den Hydraulikkammern zum Voreilen 76 zugeführt wird und Arbeitsöl in den Hydraulikammern zum Nacheilen 77 von dem Ablassanschluss 84 abgelassen wird. Zu dieser Zeit wird bewirkt, dass die Welle 73 relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 in die Richtung des Pfeils dreht.
  • Im Gegensatz dazu wird, um die Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 nachzueilen, in 4 bewirkt, dass das Steuerkolbenventil 85 sich nach links bewegt, Arbeitsöl, das von dem Zufuhranschluss 82 zugeführt wird, durch den Hydraulikanschluss 80 zu den Hydraulikkammern zum Nacheilen 77 zugeführt wird und Arbeitsöl in den Hydraulikkammern zum Voreilen 76 von dem Ablaufanschluss 83 abgelassen wird. Zu dieser Zeit wird bewirkt, dass die Welle 73 relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 in die Richtung entgegensetzt der Pfeile dreht.
  • Wenn bewirkt ist, dass sich die Welle 73 relativ zu dem zylindrischen Gehäuse 72 dreht, falls das Steuerkolbenventil 85 zu der neutralen Position, die in 4 gezeigt ist, zurückgekehrt ist, wird der Betrieb zur Relativdrehung der Welle 73 beendet und die Welle 73 wird an der Relativdrehposition zu dieser Zeit gehalten. Daher ist es möglich, den variablen Ventilsteuerzeitmechanismus B zu verwenden, um die Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 um exakt den gewünschten Betrag vorzurücken oder zu verzögern.
  • In 5 zeigt die durchgezogene Linie, wenn der variable Ventilsteuerzeitmechanismus B verwendet wird, um die Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 am meisten vorzurücken, während die gestrichelte Linie zeigt, wenn er verwendet wird, um die Phase der Nocken der Einlassventilantriebsnockenwelle 70 am meisten zu verzögern. 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, gesetzt werden, so dass dadurch die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 auf jeglichen Kurbelwinkel in dem Bereich, der durch den Pfeil C in 5 gezeigt ist, gesetzt werden kann.
  • Der variable Ventilsteuerzeitmechanismus B, der in 1 und 4 gezeigt ist, ist ein Beispiel. Zum Beispiel können ein variabler Ventilsteuerzeitmechanismus oder andere unterschiedliche Arten von variablen Ventilsteuerzeitmechanismen verwendet werden, die fähig sind, nur die Schließsteuerzeit des Einlassventils zu ändern, während die Öffnungssteuerzeit des Einlassventils konstant gehalten wird.
  • Als nächstes ist die Bedeutung der Begriffe, die in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, unter Bezugnahme auf 6 erläutert. Es wird angemerkt, dass 6(A), (B) und (C) zum Zwecke der Erläuterung eine Maschine mit einem Volumen der Brennkammern von 50 ml und 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 an seinem oberen Kompressionstotpunkt ist.
  • 6(A) erläutert das mechanische Kompressionsverhältnis. Das mechanische Kompressionsverhältnis ist ein Wert, der mechanisch aus dem Hubvolumen des Kolbens und dem Brennkammervolumen zum Zeitpunkt eines 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) erläutert das Ist-Kompressionsverhältnis. Das Ist-Kompressionsverhältnis ist ein Wert, der aus dem Ist-Hubvolumen des Kolbens von, wenn der Kompressionsvorgang tatsächlich gestartet ist, zu, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, und dem Brennkammervolumen bestimmt ist. Dieses Ist-Kompressionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Ist-Hubvolumen)/Brennkammervolumen ausgedrückt. Das heißt, dass, wie in 6(B) gezeigt ist, sogar wenn der Kolben beginnt in dem Kompressionshub zu steigen, kein Kompressionsvorgang durchgeführt wird, während das Einlassventil geöffnet ist. Der Ist-Kompressionsvorgang wird gestartet, nachdem das Einlassventil schließt. Daher ist das Ist-Kompressionsverhältnis wie folgend 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) erläutert das Expansionsverhältnis. Das Expansionsverhältnis ist ein Wert, der aus dem Hubvolumen des Kolbens zum Zeitpunkt eines Expansionshubs und dem Brennkammervolumen bestimmt wird. Dieses Expansionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Hubvolumen)/Brennkammervolumen ausgedrückt. In dem in 6(C) gezeigten Beispiel wird dieses Expansionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11.
  • Als nächstes sind die grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 7 und 8 erläutert. Es wird angemerkt, dass 7 die Beziehung zwischen dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und dem Expansionsverhältnis zeigt, während 8 einen Vergleich zwischen dem herkömmlichen Zyklus und einem Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis zeigt, die wahlweise in Übereinstimmung mit der Last in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • 8(A) zeigt den herkömmlichen Zyklus, wenn das Einlassventil nahe dem unteren Totpunkt schließt und der Kompressionsvorgang durch den Kolben im Wesentlichen nahe dem unteren Kompressionstotpunkt gestartet wird. In dem in 8(A) gezeigten Beispiel ist, auf dem gleichen Weg bei den in den 6(A), (B) und (C) gezeigten Beispielen, das Brennkammervolumen auch bei 50 ml ausgeführt und das Hubvolumen des Kolbens bei 500 ml ausgeführt. Wie aus 8(A) verständlich ist, beträgt in einem herkömmlichen Zyklus das mechanische Kompressionsverhältnis (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11, beträgt das Ist-Kompressionsverhältnis auch ungefähr 11 und wird das Expansionsverhältnis auch (50 ml + 500 ml)/50 ml = 11. Das heißt, dass in einer herkömmlichen Brennkraftmaschine das mechanische Kompressionsverhältnis und das Ist-Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis im Wesentlichen gleich werden.
  • Die durchgezogene Linie in 7 zeigt die Änderung des theoretischen thermischen Wirkungsgrads in dem Fall, in dem das Ist-Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis im Wesentlichen gleich sind, d. h. in dem herkömmlichen Zyklus. In diesem Fall wird gelernt, dass je größer das Expansionsverhältnis ist, d. h. je höher das Ist-Kompressionsverhältnis ist, desto höher der theoretische thermische Wirkungsgrad ist. Daher sollte in einem herkömmlichen Zyklus, um den theoretischen thermischen Wirkungsgrad zu steigern, das Ist-Kompressionsverhältnis höher ausgeführt werden. Durch die Beschränkungen hinsichtlich des Auftretens von Klopfen zum Zeitpunkt eines Hochlastbetriebs der Maschine, kann das Ist-Kompressionsverhältnis jedoch nur gerade zu dem Maximum von ungefähr 12 angehoben werden, so dass dementsprechend in einem herkömmlichen Zyklus der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht ausreichend hoch ausgeführt werden kann.
  • Andererseits unterschieden die Erfinder in dieser Situation strikt zwischen dem mechanischen Kompressionsverhältnis und dem Ist-Kompressionsverhältnis und studierten den theoretischen thermischen Wirkungsgrad und entdeckten infolgedessen, dass bei dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad das Expansionsverhältnis dominant ist und der theoretische thermische Wirkungsgrad nicht sehr viel durch das Ist-Kompressionsverhältnis beeinflusst wird. Das heißt, dass, falls das Ist-Kompressionsverhältnis erhöht wird, die Explosionskraft steigt, aber eine Kompression eine große Energie erfordert, so dass dementsprechend sogar, wenn das Ist-Kompressionsverhältnis gesteigert wird, der theoretische thermische Wirkungsgrad überhaupt nicht stark steigen wird.
  • Im Gegensatz dazu ist, falls das Expansionsverhältnis erhöht wird, je länger der Zeitraum ist, während dem eine Kraft wirkt, um den Kolben zum Zeitpunkt des Expansionshubs abwärts zu drücken, desto länger die Zeit, zu der Kolben eine Drehkraft auf die Kurbelwelle gibt. Daher wird, je größer das Expansionsverhältnis ausgeführt ist, desto höher der theoretische thermische Wirkungsgrad. Die gestrichelte Linie ε = 10 in 7 zeigt den theoretischen thermischen Wirkungsgrad in dem Fall eines Fixierens eines Ist-Kompressionsverhältnisses bei 10 und Steigerns des Expansionsverhältnisses in diesem Zustand. Auf diese Weise wird gelernt, dass der Betrag der Steigerung des theoretischen thermischen Wirkungsgrads, wenn das Expansionsverhältnis in dem Zustand steigt, in dem das Ist-Kompressionsverhältnis bei einem niedrigen Wert aufrechterhalten wird, und der Betrag einer Steigerung des theoretischen thermischen Wirkungsgrads in dem Fall, in dem das Ist-Kompressionsverhältnis zusammen mit dem Expansionsverhältnis erhöht wird, wie durch die durchgezogene Linie von 7 gezeigt ist, sich nicht so viel unterscheiden werden.
  • Falls das Ist-Kompressionsverhältnis bei einem niedrigen Wert in diesem Weg aufrechterhalten wird, tritt kein Klopfen auf, so dass deswegen, wenn das Expansionsverhältnis in dem Zustand gesteigert wird, in dem das Ist-Kompressionsverhältnis bei einem niedrigen Wert aufrechterhalten wird, das Auftreten von Klopfen verhindert werden kann und der theoretische thermische Wirkungsgrad stark gesteigert werden kann. 8(B) zeigt ein Beispiel des Falls, wenn der variable Kompressionsverhältnismechanismus A und der variable Ventilsteuerzeitmechanismus B verwendet werden, um das Ist-Kompressionsverhältnis bei einem niedrigen Wert aufrechtzuerhalten und das Expansionsverhältnis zu steigern.
  • Bezugnehmend auf 8(B) wird in diesem Beispiel der variable Kompressionsverhältnismechanismus A verwendet, um das Brennkammervolumen von 50 ml auf 20 ml zu senken. Andererseits wird der variable Ventilsteuerzeitmechanismus B verwendet, um die Schließsteuerzeit des Einlassventils zu verzögern, bis das Ist-Hubvolumen des Kolbens sich von 500 ml auf 200 ml ändert. Infolgedessen 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 herkömmlichen Zyklus, der in 8(A) gezeigt ist, wie vorstehend erläutert ist, beträgt das Ist-Kompressionsverhältnis ungefähr 11 und beträgt das Expansionsverhältnis 11. Verglichen mit diesem Fall wird in dem in 8(B) gezeigten Fall gelernt, dass nur das Expansionsverhältnis auf 26 gesteigert wird. Dies ist der Grund, dass der ”Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis” so genannt wird.
  • Wie vorstehend erläutert ist, wird im Allgemeinen gesagt in einer Brennkraftmaschine je niedriger die Maschinenlast desto schlechter der thermische Wirkungsgrad, im hierdurch den thermischen Wirkungsgrad zur Zeit eines Fahrzeugbetriebs zu verbessern, d. h. den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, es notwendig, den thermischen Wirkungsgrad zur Zeit eines Niedriglastbetriebs der Maschine zu verbessern. Andererseits ist in dem Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis, der in 8(B) bezeigt ist, das Ist-Hubvolumen des Kolbens zur Zeit des Kompressionshubs kleiner ausgeführt, so dass die Menge an Einlassluft, die in die Brennkammer 5 gesaugt werden kann, kleiner wird, wodurch dieser Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis nur eingesetzt werden kann, wenn die Maschinenlast verhältnismäßig niedrig ist. Daher ist in der vorliegenden Erfindung zur Zeit eines Niedriglastbetriebs der Maschine der Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis, der in 8(B) gezeigt ist, gesetzt, während zur Zeit eines Hochlastbetriebs der Maschine der herkömmliche Zyklus, der in 8(A) gezeigt ist, gesetzt ist.
  • Nachstehend ist die Betriebssteuerung als Ganzes unter Bezugnahme auf 9 erläutert.
  • 9 zeigt die Änderungen des mechanischen Kompressionsverhältnisses, des Expansionsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils 7, des Ist-Kompressionsverhältnisses, der Menge an Einlassluft, des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 und des Pumpverlusts zusammen mit der Maschinenlast bei einer gewissen Maschinendrehzahl. Es wird angemerkt, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung herkömmlich das durchschnittliche Luftkraftstoffverhältnis in der Brennkammer 5 auf das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis auf der Grundlage des Ausgangssignals des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 rückgekoppelt gesteuert wird, so dass der Dreiwegekatalysator in dem Katalysator 20 gleichzeitig das unverbrannte HC, CO und NOx in dem Abgas reduzieren kann.
  • Nun wird, wie vorstehend erläutert ist, zum Zeitpunkt eines Hochlastbetriebs der Maschine der herkömmliche Zyklus, der in 8(A) gezeigt ist, ausgeführt. Daher wird, wie in 9 gezeigt ist, zu dieser Zeit, da das mechanische Kompressionsverhältnis niedrig ausgeführt ist, das Expansionsverhältnis niedrig. Wie durch die durchgezogene Linie unten in 9 gezeigt ist, wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 vorgerückt, wie durch die durchgezogene Linie in 5 gezeigt ist. Ferner ist zu dieser Zeit die Menge an Einlassluft groß. Zu dieser Zeit ist 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 Maschinenlast niedriger wird, die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 verzögert, um die Einlassluftmenge zusammen mit diesem zu reduzieren. Ferner wird zu der Zeit das mechanische Kompressionsverhältnis erhöht, wenn die Maschinenlast niedriger wird, wie in 9 gezeigt ist, so dass das Ist-Kompressionsverhältnis im Wesentlichen konstant aufrechterhalten wird. Daher wird das Expansionsverhältnis auch erhöht, wenn die Maschinenlast niedriger wird. Es wird angemerkt, dass auch zu dieser Zeit das Drosselventil 17 in dem vollständig offenen oder im Wesentlichen vollständig offenen Zustand gehalten ist. Daher wird die in die Brennkammer 5 zugeführt Einlassluftmenge durch Ändern der Schließsteuerzeit des Einlassventils 7, ohne sich auf das Drosselventil 17 zu verlassen, gesteuert. Auch zu dieser Zeit wird der Pumpverlust Null.
  • Auf diesem Weg wird, wenn die Maschinenlast von dem Zustand des Hochlastbetriebs der Maschine niedriger wird, das mechanische Kompressionsverhältnisausgeführt, um zusammen mit der Verringerung der Einlassluftmenge unter einem im Wesentlichen konstanten Ist-Kompressionsverhältnis zu steigen. Das heißt, dass das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 einen oberen Totpunkt erreicht, proportional zu der Verringerung der Einlassluftmenge verringert wird. Daher ändert sich das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Kompressionstotpunkt erreicht, proportional zu der Einlassluftmenge. Es wird angemerkt, dass das Luftkraftstoffverhältnis in der Brennkammer 5 zu dieser Zeit in dem Beispiel das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis wird, so dass sich das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Kompressionstotpunkt erreicht, proportional zu der Kraftstoffmenge ändert.
  • Falls die Maschinenlast weiter niedriger wird, wird weiter veranlasst, dass das mechanische Kompressionsverhältnis steigt. Wenn die Maschinenlast auf die mittlere Last L näher der Niedriglast fällt, erreicht das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis, das die strukturelle Grenze der Brennkammer 5 bildet. Falls das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis erreicht, wird in dem Bereich einer niedrigeren Last als der Maschinenlast L, bei der das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis erreicht, das mechanische Kompressionsverhältnis bei dem mechanischen Grenzkompressionsverhältnis gehalten. Daher wird zur Zeit eines niedriglastseitigen Mittellastbetriebs der Maschine und zur Zeit eines Niedriglastbetriebs der Maschine, d. h. auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine, das mechanische Kompressionsverhältnis maximal und wird das Expansionsverhältnis ebenso maximal. In anderen Worten wird auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine das mechanische Kompressionsverhältnis maximal ausgeführt, so dass das maximale Expansionsverhältnis erhalten wird.
  • Andererseits wird in dem Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, sogar wenn die Maschinenlast niedriger als L wird, wie durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 verzögert, wenn die Maschinenlast niedriger wird. Ferner wird in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn die Maschinenlast mehr als L beträgt, d. h. auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine, das Drosselventil 17 in dem vollständig offenen Zustand gehalten, aber, wenn die Maschinenlast weniger als L beträgt, d. h. wenn sie sich auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine befindet, ist das Drosselventil 17 geschlossen, wenn die Maschinenlast sinkt. Kein Pumpverlust tritt auf, wenn die Einlassluftmenge durch Steuern von nur der Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 gesteuert wird, falls jedoch die Einlassluftmenge durch das Drosselventil 17 gesteuert wird, steigt der Pumpverlust, wie in 9 gezeigt ist.
  • Andererseits wird, wie in 9 gezeigt ist, wenn die Maschinenlast mehr als L beträgt, d. h. wenn sie auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine befindet, das Ist-Kompressionsverhältnis auf fast dem gleichen Ist-Kompressionsverhältnis in Bezug auf die gleiche Maschinendrehzahl gehalten. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Maschinenlast weniger als L beträgt, d. h. wenn das Maschinenkompressionsverhältnis bei dem mechanischen Grenzkompressionsverhältnis gehalten wird, das Ist-Kompressionsverhältnis durch die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 bestimmt und das Ist-Kompressionsverhältnis sinkt, wenn die Maschinenlast sinkt, falls die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 verzögert wird, wenn die Maschinenlast sinkt, wie in 9 gezeigt ist.
  • Daher ist in dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel das Ist-Kompressionsverhältnis auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine ausgeführt, um im Vergleich mit dem Ist-Kompressionsverhältnis auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine zu sinken. In dieser Hinsicht gibt es eine Gefahr, falls das Ist-Kompressionsverhältnis auf diesem Weg fällt, dass die Temperatur in der Brennkammer 5 an dem Kompressionsende fallen wird und eine Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs verschlechtert werden wird. Zu dieser Zeit verursacht jedoch, wie in 9 gezeigt ist, falls das Drosselventil 17 geschlossen wird, der Drosselvorgang des Einlassluftstroms durch das Drosselventil 17 Störungen innerhalb der Brennkammer 5 und kann hierdurch die Zündung und Verbrennung des Kraftstoffes verbessern, so dass die Gefahr einer Verschlechterung der Zündung und Verbrennung des Kraftstoffes beseitigt ist.
  • Andererseits ist, wie vorstehend erläutert ist, in dem Zyklus mit superhohem Expansionsverhältnis, der in 8(B) gezeigt ist, das Expansionsverhältnis auf 26 ausgeführt. Je höher dieses Expansionsverhältnis desto besser, aber wie aus 7 zu verstehen ist, ist es möglich, einen beträchtlichen hohen theoretischen thermischen Wirkungsgrad von 20 oder mehr sogar für das praktisch anwendbare untere Ist-Grenzkompressionsverhältnis ε = 5 zu erhalten. Daher ist in der vorliegenden Erfindung der variable Kompressionsverhältnismechanismus A ausgebildet, so dass das Expansionsverhältnis 20 oder mehr wird.
  • Andererseits ist es, wie durch die gestrichelte Linie in 9 gezeigt ist, möglich, die Einlassluftmenge ohne Betrachtung des Drosselventils 17 durch Vorrücken der Schließsteuerzeit des Einlassventils 17 zu steuern, wenn die Maschinenlast niedriger wird. Daher wird dies ausdrückend, so dass beide, der Fall, der durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, und der Fall, der durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, abgedeckt sind, in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 ausgeführt, um, wenn die Maschinenlast niedriger wird, in die Richtung weg von dem unteren Einlasstotpunkt BDC verschoben zu werden.
  • 10 zeigt die Betriebssteuerroutine. Bezugnehmend auf 10 wird zunächst bei Schritt 100 das Ziel-Ist-Kompressionsverhältnis berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 101 die Schließsteuerzeit IC des Einlassventils 7 aus dem in 11(A) gezeigten Kennfeld berechnet. Das heißt, dass die Schließsteuerzeit IC des Einlassventils 7, die zum Zuführen der Einlassluftmenge in die Brennkammer 5 erforderlich ist, als eine Funktion der Maschinenlast L und der Maschinendrehzahl N in der Form des in 11(A) gezeigten Kennfelds im Voraus in der ROM 32 gespeichert ist. Die Schließsteuerzeit IC des Einlassventils 7 wird aus diesem Kennfeld 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 eine Funktion der Maschinenlast L und der Maschinendrehzahl N in der Form eines in 11(B) gezeigten Kennfelds im Voraus in der ROM 32 gespeichert. Als nächstes wird bei Schritt 104 der variable Kompressionsverhältnismechanismus A gesteuert, so dass das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Kompressionsverhältnis CR wird, wird der variable Ventilsteuerzeitmechanismus B gesteuert, so dass die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 die Schließsteuerzeit IC wird, und wird das Drosselventil 17 gesteuert, so dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 der Öffnungsgrad θ wird.
  • Zusammenfassung
  • In einer Brennkraftmaschine sind ein variabler Kompressionsverhältnismechanismus (A), der fähig ist, ein mechanisches Kompressionsverhältnis zu ändern, und ein variabler Ventilsteuerzeitmechanismus (B), der fähig ist, die Schließsteuerzeit eines Einlassventils (7) zu steuern, vorgesehen. Das mechanische Kompressionsverhältnis ist bei einem maximalen mechanischen Kompressionsverhältnis auf der Seite eines Niedriglastbetriebs der Maschine gehalten und ist auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine ausgeführt, fortschreitend zu sinken, wenn die Maschinenlast steigt. Das Ist-Kompressionsverhältnis ist auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine nahezu konstant gehalten und ist auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine ausgeführt, zu sinken, wenn die Maschinenlast sinkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-218522 [0002]

Claims (7)

  1. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung, die mit einem variablen Kompressionsverhältnismechanismus, der fähig ist, ein mechanisches Kompressionsverhältnis zu ändern, und einem variablen Ventilsteuerzeitmechanismus versehen ist, der fähig ist, eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils zu steuern, wobei das mechanische Kompressionsverhältnis auf einer Seite eines Niedriglastbetriebs der Maschine größer als zur Zeit eines Hochlastbetriebs der Maschine ausgeführt ist, das mechanische Kompressionsverhältnis fortschreitend auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine reduziert wird, wenn eine Maschinenlast höher wird, und ein Ist-Kompressionsverhältnis ist auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine niedriger ausgeführt, wenn die Maschinenlast sinkt.
  2. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung nach Anspruch 1, wobei das mechanische Kompressionsverhältnis auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine als das maximale mechanische Kompressionsverhältnis ausgeführt ist.
  3. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung nach Anspruch 1, wobei das Expansionsverhältnis auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine 20 oder mehr beträgt.
  4. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung nach Anspruch 1, wobei die Schließsteuerzeit des Einlassventils ausgeführt ist, um, wenn die Maschinenlast niedriger wird, in die Richtung weg von einem unteren Einlasstotpunkt verschoben zu werden.
  5. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung nach Anspruch 1, wobei ein Drosselventil, das in einem Maschineneinlassdurchgang zum Steuern einer Einlassluftmenge angeordnet ist, vorgesehen ist und bewirkt wird, dass das Drosselventil schließt, wenn die Maschinenlast auf der Seite des Niedriglastbetriebs der Maschine niedriger wird.
  6. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung nach Anspruch 5, wobei das Drosselventil in dem vollständig geöffneten Zustand auf der Seite des Maschinehochlastbetriebs gehalten ist.
  7. Brennkraftmaschine der Bauart mit Fremdzündung nach Anspruch 1, wobei das mechanische Kompressionsverhältnis ausgeführt ist, bis zu einem mechanischen Grenzkompressionsverhältnis zu steigen, wenn die Maschinenlast sinkt, das mechanische Kompressionsverhältnis bei dem maximalen mechanischen Kompressionsverhältnis auf der Seite eines Niedriglastbetriebs der Maschine mit einer niedrigeren Last als einer Maschinenlast gehalten ist, bei der das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis wird, und das mechanische Kompressionsverhältnis auf der Seite des Hochlastbetriebs der Maschine mit einer höheren Last als einer Maschinenlast, bei der das mechanische Kompressionsverhältnis das mechanische Grenzkompressionsverhältnis wird, ausgeführt ist, fortschreitend zu sinken, wenn die Maschinenlast höher wird.
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