DE112010005199B4

DE112010005199B4 - Funkenzündungs-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112010005199B4
Application number: DE112010005199.2T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kawasaki; Yukihiro Nakasaka; Yoshihiro Sakayanagi; Hiroyuki Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: US8789500B2; CN102753802B; US20120279476A1; JPWO2011092868A1; CN102753802A; WO2011092868A1; DE112010005199T5; RU2511875C1; RU2012129951A; JP5131397B2; BR112012016551B1; BR112012016551A2

Abstract

Funkenzündungs-Brennkraftmaschine mit einem Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis, der ein mechanisches Verdichtungsverhältnis ändern kann, und einem Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit, der eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils steuern kann, wobei ein Nichteintrittsgebiet für eine Kombination eines mechanischen Verdichtungsverhältnisses und einer Schließsteuerzeit eines Einlassventils eingestellt ist, ein Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, daran gehindert wird, in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, und, wenn sich eine verlangte Einlassluftmenge ändert, ein Soll-Betriebspunkt berechnet wird, der von einem derzeitigen Betriebspunkt aus zu einem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden kann, ohne in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, um dadurch das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu zu bringen, sich zum Soll-Betriebspunkt hin zu ändern.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Funkenzündungs-Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Im Fachgebiet ist eine Funkenzündungs-Brennkraftmaschine bekannt, die mit einem Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis, der das mechanische Verdichtungsverhältnis ändern kann, und einem Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit, der eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils steuern kann, versehen ist und die so gestaltet ist, dass sie ungeachtet einer Maschinenlast ein tatsächliches Verdichtungsverhältnis im Wesentlichen konstant hält (siehe zum Beispiel JP 2007 - 303 423 A ). Wenn die Maschinenlast bei dieser Brennkraftmaschine höher wird, das heißt wenn die verlangte Einlassluftmenge größer wird, wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils vorgezogen, damit sie sich dem unteren Einlasstotpunkt nähert. Um das tatsächliche Verdichtungsverhältnis zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen konstant zu halten, wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht abzunehmen, wenn die Einlassluftmenge größer wird.
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Falls die Schließsteuerzeit des Einlassventils und das mechanische Verdichtungsverhältnis auf diese Weise dazu gebracht werden, sich diesbezüglich in Übereinstimmung mit der verlangten Einlassluftmenge zu ändern, unterscheiden sich gewöhnlich die Geschwindigkeiten, mit denen die Schließsteuerzeit des Einlassventils und das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht werden können, sich zu ändern. Allgemein gesagt braucht es mehr Zeit, das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu zu bringen, sich zu ändern, als die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu zu bringen, sich zu ändern. Wenn zum Beispiel die verlangte Einlassluftmenge zunimmt, wird daher die Geschwindigkeit des Vorziehens der Schließsteuerzeit des Einlassventils schneller als die Geschwindigkeit der Abnahme des mechanischen Verdichtungsverhältnisses sein, und daher wird die Einlassluftmenge dazu gebracht zuzunehmen, während das mechanische Verdichtungsverhältnis hoch ist. Dadurch entsteht das Problem, dass der Verdichtungsenddruck in der Brennkammer höher wird, und es kommt daher zum Klopfen.
Falls die Schließsteuerzeit des Einlassventils langsam dazu gebracht wird vorzueilen, wenn die verlangte Einlassluftmenge zunimmt, entsteht dagegen das Problem, dass die Einlassluftmenge nur langsam zunimmt und dass es infolgedessen nicht möglich ist, einen Beschleunigungsvorgang mit gutem Ansprechverhalten sicherzustellen.
Falls andererseits die Schließsteuerzeit des Einlassventils rasch dazu gebracht wird nachzueilen, wenn die verlangte Einlassluftmenge abnimmt, entsteht das Problem, dass die Einlassluftmenge abnimmt, bevor das mechanische Verdichtungsverhältnis hoch wird, und dass infolgedessen der Verdichtungsenddruck geringer wird, sodass keine gute Verbrennung mehr erreicht werden kann. Falls dagegen die Schließsteuerzeit des Einlassventils langsam verzögert wird, wenn die verlangte Einlassluftmenge abnimmt, entsteht das Problem, dass kein Verlangsamungsvorgang mit gutem Ansprechverhalten sichergestellt werden kann.
Wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, ist es also notwendig, den Schließzeitpunkt des Einlassventils so schnell wie möglich zu ändern, während eine gute Verbrennung sichergestellt wird, um einen Beschleunigungsvorgang mit gutem Ansprechverhalten sicherzustellen. Allerdings findet dies bei der obigen Brennkraftmaschine keinerlei Berücksichtigung.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Funkenzündungs-Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die einen guten Ansprechvorgang sicherstellen kann, während sie eine gute Verbrennung aufrechterhält, wenn die verlangte Einlassluftmenge geändert wird.
Lösung des Problems
Erfindungsgemäß ist eine Funkenzündungs-Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis, der ein mechanisches Verdichtungsverhältnis ändern kann, und einen Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit umfasst, der eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils steuern kann, wobei ein Nichteintrittsgebiet für eine Kombination eines mechanischen Verdichtungsverhältnisses und einer Schließsteuerzeit eines Einlassventils eingestellt ist, ein Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, daran gehindert wird, in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, und, wenn sich eine verlangte Einlassluftmenge ändert, ein Soll-Betriebspunkt berechnet wird, der von einem derzeitigen Betriebspunkt aus zu einem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden kann, ohne in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, um dadurch das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu zu bringen, sich zum Soll-Betriebspunkt hin zu ändern.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Um einen guten Ansprechvorgang sicherzustellen, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, ist es vorzuziehen, den Betriebspunkt des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu zu bringen, sich so schnell wie möglich bis zu dem Betriebspunkt zu ändern, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt. Falls der Betriebspunkt jedoch zu diesem Zeitpunkt in das Nichteintrittsgebiet eintritt, verschlechtert sich am Ende die Verbrennung. Daher wird bei der Erfindung zunächst ein Soll-Betriebspunkt berechnet, der nicht in ein Nichteintrittsgebiet eintritt, und dann werden das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu gebracht, sich zu dem auf diese Weise berechneten Soll-Betriebspunkt hin zu ändern. Wenn dies erfolgt, kann rasch ein Betriebspunkt erreicht werden, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne dass der Betriebspunkt in ein Nichteintrittsgebiet eintritt, und daher wird ein guter Ansprechvorgang möglich, während eine gute Verbrennung sichergestellt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Figurenliste

1 ist eine Übersicht einer Funkenzündungs-Brennkraftmaschine.
2 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis.
3 ist eine seitliche Schnittansicht einer schematisch dargestellten Brennkraftmaschine.
4 ist eine Ansicht, die einen Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit zeigt.
5 ist eine Ansicht, die eine Hubhöhe eines Einlassventils und Auslassventils zeigt.
6 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines mechanischen Verdichtungsverhältnisses, eines tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses und eines Expansionsverhältnisses.
7 ist eine Ansicht, die einen Zusammenhang zwischen einem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und dem Expansionsverhältnis zeigt.
8 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines gewöhnlichen Takts und eines Takts mit superhohem Expansionsverhältnis.
9 ist eine Ansicht, die Änderungen des mechanischen Verdichtungsverhältnisses usw. in Übereinstimmung mit der Maschinenlast zeigt.
10 ist eine Ansicht, die Nichteintrittsgebiete und eine Soll-Betriebskennlinie zeigt.
11 ist eine Ansicht, die Nichteintrittsgebiete und eine Soll-Betriebskennlinie zeigt.
12 ist eine Ansicht, die ein Nichteintrittsgebiet zeigt.
13 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
14 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
15 ist eine Ansicht, die Änderungen des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads zeigt.
16 ist eine Ansicht, die eine änderbare Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses in einer festen Zeit zeigt.
17 ist eine Ansicht, die eine änderbare Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses in einer festen Zeit zeigt.
18 ist eine Ansicht, die eine änderbare Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses in einer festen Zeit zeigt.
19 ist eine Ansicht, die eine änderbare Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses in einer festen Zeit zeigt.
20 ist eine Ansicht, die Änderungen des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads zeigt.
21 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
22 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
23 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
24 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
25 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
26 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
27 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
28 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
29 ist eine Ansicht, die Änderungen des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads usw. zeigt.
30 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
31 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
32 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
33 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
34 ist eine Ansicht, die einen Soll-Betriebspunkt und einen Betriebspunkt zeigt.
35 ist eine Zeittafel, die Änderungen des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads usw. zeigt.
36 ist ein Ablaufdiagramm zur Berechnung eines Sollwerts.
37 ist ein Ablaufdiagramm zur Ansteuerung des Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis usw.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Funkenzündungs-Brennkraftmaschine.
In 1 gibt 1 ein Kurbelgehäuse, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 eine Zündkerze, die in der Mitte der Oberseite der Brennkammer 5 angeordnet ist, 7 ein Einlassventil, 8 eine Einlassöffnung, 9 ein Auslassventil und 10 eine Auslassöffnung an. Jede Einlassöffnung 8 ist über eine Einlasszweigleitung 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden. An jeder Einlasszweigleitung 11 ist ein Kraftstoffinjektor 13 angeordnet, der Kraftstoff zur entsprechenden Einlassöffnung 8 hin einspritzt. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die Kraftstoffinjektoren 13 auch in den Brennkammern 5 angeordnet sein können, anstatt an den Einlasszweigleitungen 11 angebracht zu sein.
Der Ausgleichsbehälter 12 ist über einen Ansaugkanal 14 mit einem Luftfilter 15 verbunden. Innerhalb des Ansaugkanals 14 sind ein Drosselventil 17, das von einem Stellglied 16 angetrieben wird, und ein Einlassluftmengendetektor 18 angeordnet, der zum Beispiel einen Heißdraht nutzt. Andererseits ist jede Auslassöffnung 10 über einen Abgaskrümmer 19 mit einer Katalysatorvorrichtung 20 verbunden, die zum Beispiel einen Drei-Wege-Katalysator hält. Innerhalb des Abgaskrümmers 19 ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 21 angeordnet.
Andererseits ist in dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, an einem Verbindungsstück des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 ein Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A vorgesehen, der die Relativpositionen des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 dazu bringen kann, sich in der Zylinderachsenrichtung zu ändern, um so das Volumen einer Brennkammer 5, wenn sich der Kolben 4 am oberen Verdichtungstotpunkt befindet, zu ändern. Darüber hinaus ist ein die tatsächliche Verdichtungstätigkeits-Startsteuerzeit ändernder Mechanismus B vorgesehen, der eine Startsteuerzeit der tatsächlichen Verdichtungstätigkeit ändern kann. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass sich dieser die tatsächliche Verdichtungstätigkeits-Startsteuerzeit ändernde Mechanismus B in dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, aus einem Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit zusammensetzt, der die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 steuert.
Wie in 1 gezeigt ist, ist an dem Kurbelgehäuse 1 und dem Zylinderblock 2 ein Relativlagensensor 22 angebracht, um einen Relativlagenzusammenhang zwischen dem Kurbelgehäuse 1 und dem Zylinderblock 2 zu erfassen. Dieser Relativlagensensor 22 gibt ein Ausgangssignal aus, das die Änderung des Abstands zwischen dem Kurbelgehäuse 1 und dem Zylinderblock 2 angibt. Des Weiteren ist an dem Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B ein Ventilsteuerzeitsensor 23 angebracht, der ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Schließsteuerzeit jedes Einlassventils 7 angibt, während an dem zur Drosselventilansteuerung verwendeten Stellglied 16 ein Drosselöffnungsgradsensor 24 angebracht ist, der ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Drosselventilöffnungsgrad angibt.
Eine elektronische Steuerungseinheit 30 setzt sich aus einem Digitalcomputer zusammen, der mit einem ROM (Festwertspeicher) 32, einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 33, einer CPU (Mikroprozessor) 34, einem Eingabekanal 35 und einem Ausgabekanal 36 versehen ist, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Die Ausgangssignale des Einlassluftmengendetektors 18, des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21, des Relativlagensensors 22, des Ventilsteuerzeitsensors 23 und des Drosselöffnungsgradsensors 24 werden über entsprechende AD-Wandler 37 in den Eingangskanal 35 eingegeben. Des Weiteren ist ein Gaspedal 40 mit einem Lastsensor 41 verbunden, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zur Niederdrückhöhe L des Gaspedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden AD-Wandler 37 in den Eingangskanal 35 eingegeben. Darüber hinaus ist der Eingangskanal 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der jedes Mal einen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn sich eine Kurbelwelle um beispielsweise 30° dreht. Andererseits ist der Ausgangskanal 36 über entsprechende Ansteuerungsschaltungen 38 mit den Zündkerzen 6, den Kraftstoffinjektoren 13, dem zur Drosselventilansteuerung verwendeten Stellglied 16 sowie dem Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A und dem Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B verbunden.
2 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht des Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A, der in 1 gezeigt ist, während 3 eine seitliche Schnittansicht einer schematisch dargestellten Brennkraftmaschine ist. In 2 ist am Boden der zwei Seitenwände des Zylinderblocks 2 in Abständen voneinander eine Vielzahl von Vorsprüngen 50 ausgebildet. In den Vorsprüngen 50 sind Nockenlöcher 51 mit kreisförmigen Querschnitten ausgebildet. Andererseits ist auf der Oberseite des Kurbelgehäuses 1 in Abständen voneinander eine Vielzahl von Vorsprüngen 52 ausgebildet, die zwischen die entsprechenden Vorsprünge 50 passen. Auch in diesen Vorsprüngen 52 sind Nockenlöcher 53 mit kreisförmigen Querschnitten ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Paar Nockenwellen 54 und 55 vorgesehen. Auf den Nockenwellen 54 und 55 sind an jeder zweiten Position Rundnocken 58 befestigt, die drehend in die Nockenlöcher 53 einzuführen sind. Diese Rundnocken 58 sind zu den Drehachsen der Nockenwellen 54 und 55 mittig. Andererseits sind auf beiden Seiten jeder Rundnocke 58, wie in 3 gezeigt ist, bezogen auf die Drehachsen der Nockenwellen 54 und 55 exzentrisch Exzenterwellen 57 angeordnet. Auf den Exzenterwellen 57 sind auf exzentrische Weise drehbar separate Rundnocken 56 angebracht. Wie in 2 gezeigt ist, sind diese Rundnocken 56 an den beiden Seiten jeder Rundnocke 58 angeordnet. Diese Rundnocken 56 werden auf drehbare Weise im Inneren der entsprechenden Nockenlöcher 51 eingeführt. Des Weiteren ist, wie in 2 gezeigt ist, an der Nockenwelle 55 ein Nockenwinkelsensor 25 angebracht, der ein Ausgangssignal erzeugt, das den Drehwinkel der Nockenwelle 55 angibt.
Falls die Rundnocken 58, die an den Nockenwellen 54 und 55 befestigt sind, dazu gebracht werden, sich, wie durch die Pfeile in 3(A) gezeigt ist, von dem in 3(A) gezeigten Zustand aus in entgegengesetzten Richtungen zu drehen, bewegen sich die Exzenterwellen 57 in entgegengesetzten Richtungen, sodass sich die Rundnocken 56 in den Nockenlöchern 51 von den Rundnocken 58 aus in entgegengesetzten Richtungen drehen und sich die Lagen der Exzenterwellen 57, wie in 3(B) gezeigt ist, von hohen Lagen aus zu mittelhohen Lagen ändern. Falls die Rundnocken 58 zudem als nächstes dazu gebracht werden, sich, wie in 3(C) gezeigt ist, in der durch den Pfeil gezeigten Richtung zu drehen, gelangen die Exzenterwellen 57 in die tiefste Lage.
Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 3(A), 3(B) und 3(C) in den jeweiligen Zuständen den Lagezusammenhang zwischen einer Mitte „a“ der Rundnocke 58, einer Mitte „b“ der Exzenterwelle 57 und einer Mitte „c“ der Rundnocke 56 angeben.
Wie sich aus einem Vergleich von 3(A) bis 3(C) ergibt, werden die Relativlagen des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderblocks 2 durch den Abstand zwischen der Mitte „a“ der Rundnocke 58 und der Mitte „c“ der Rundnocke 56 bestimmt. Je größer der Abstand zwischen der Mitte „a“ der Rundnocke 58 und der Mitte „c“ der Rundnocke 56 ist, umso weiter liegt der Zylinderblock 2 von dem Kurbelgehäuse 1 entfernt. Der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A bringt also die Relativlage zwischen dem Kurbelgehäuse 1 und dem Zylinderblock 2 durch einen Kurbelmechanismus, der eine sich drehende Nocke nutzt, dazu, sich zu ändern. Falls sich der Zylinderblock 2 von dem Kurbelgehäuse 1 wegbewegt, nimmt das Volumen der Brennkammer 5, wenn sich der Kolben 4 am oberen Verdichtungstotpunkt befindet, zu, weswegen das Volumen der Brennkammer 5, wenn sich der Kolben 4 am oberen Verdichtungstotpunkt befindet, geändert werden kann, indem die Nockenwellen 54 und 55 dazu gebracht werden, sich zu drehen.
Wie in 2 gezeigt ist, ist die Welle eines Antriebsmotors 59 mit einem Paar Schneckenräder 61 und 62 mit entgegengesetzten Gangrichtungen versehen, um die Nockenwellen 54 und 55 dazu zu bringen, sich in entgegengesetzten Richtungen zu drehen. An den Enden der Nockenwellen 54 und 55 sind Zahnräder 63 und 64 befestigt, die mit diesen Schneckenrädern 61 und 62 im Eingriff sind. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Volumen einer Brennkammer 5, wenn sich der Kolben 4 am oberen Verdichtungstotpunkt befindet, über einen großen Bereich geändert werden, indem der Antriebsmotor 59 angetrieben wird.
4 zeigt andererseits einen Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B, der am Ende einer Nockenwelle 70 angebracht ist, um das Einlassventil 7 in 1 anzusteuern. In 4 ist dieser Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B mit einem Steuerrad 71, das von einer Maschinenkurbelwelle über einen Steuerriemen in der Pfeilrichtung gedreht wird, einem zylinderförmigen Gehäuse 72, das sich zusammen mit dem Steuerrad 71 dreht, einer Welle 73, die sich zusammen mit der Nockenwelle 70 dreht, um das Einlassventil anzusteuern, und die sich relativ zu dem zylinderförmigen Gehäuse 72 drehen kann, einer Vielzahl von Trennwänden 74, die sich von einem Innenumfang des zylinderförmigen Gehäuses 72 zu einem Außenumfang der Welle 73 erstrecken, und Flügeln 75 versehen, die sich vom Außenumfang der Welle 73 zum Innenumfang des zylinderförmigen Gehäuses 72 erstrecken. Auf den beiden Seiten der Flügel 75 sind Hydraulikkammern 76 für Vorziehzwecke und Hydraulikkammern 77 für Verzögerungszwecke ausgebildet.
Durch ein Arbeitsöleinspeisungs-Steuerungsventil 78 wird die Einspeisung von Arbeitsöl zu den Hydraulikkammern 76 und 77 gesteuert. Dieses Arbeitsöleinspeisungs-Steuerungsventil 78 ist mit Hydrauliköffnungen 79 und 80, die mit den Hydraulikkammern 76 und 77 verbunden sind, einer Einspeiseöffnung 82 für Arbeitsöl, das von einer Hydraulikpumpe 81 abgegeben wird, einem Paar Abflussöffnungen 83 und 84 und einem Schieberventil 85 versehen, um die Verbindung und Unterbrechung der Öffnungen 79, 80, 82, 83 und 84 zu steuern.
Wenn die Phase einer Nocke der Nockenwelle 70 zum Ansteuern des Einlassventils vorgezogen werden sollte, wird das Schieberventil 85 in 4 dazu gebracht, sich nach rechts zu bewegen, das Arbeitsöl, das von der Einspeiseöffnung 82 aus eingespeist wird, wird über die Hydrauliköffnung 79 in die Hydraulikkammern 76 für Vorziehzwecke eingespeist, und das Arbeitsöl in den Hydraulikkammern 77 für Verzögerungszwecke wird aus der Abflussöffnung 84 ausgelassen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Welle 73 dazu gebracht, sich relativ zu dem zylinderförmigen Gehäuse 72 in der Pfeilrichtung zu drehen.
Wenn dagegen die Phase einer Nocke der Nockenwelle 70 zum Ansteuern des Einlassventils verzögert werden sollte, wird das Schieberventil 85 in 4 dazu gebracht, sich nach links zu bewegen, das Arbeitsöl, das von der Einspeiseöffnung 82 aus eingespeist wird, wird über die Hydrauliköffnung 80 in die Hydraulikkammern 77 für Verzögerungszwecke eingespeist, und das Arbeitsöl in den Hydraulikkammern 76 für Vorziehzwecke wird aus der Abflussöffnung 83 ausgelassen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Welle 73 dazu gebracht, sich relativ zu dem zylinderförmigen Gehäuse 72 in der entgegengesetzten Richtung des Pfeils zu drehen.
Wenn die Welle 73 dazu gebracht wird, sich relativ zu dem zylinderförmigen Gehäuse 72 zu bewegen, wird die Relativdrehung der Welle 73 dazu gebracht anzuhalten, falls das Schieberventil 85 in seine neutrale Lage zurückkehrt, die in 4 gezeigt ist. Die Welle 73 wird zu diesem Zeitpunkt an der relativen Drehlage gehalten. Daher kann der Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B dazu verwendet werden, die Phase einer Nocke der Nockenwelle 70 zum Ansteuern des Einlassventils um genau eine gewünschte Höhe vorzuziehen oder zu verzögern.
In 5 gibt die durchgezogene Linie die Zeit an, wenn die Phase einer Nocke der zur Einlassventilansteuerung verwendeten Nockenwelle 70 am meisten vorgezogen ist, während die unterbrochene Linie zeigt, wann die Phase einer Nocke der zur Einlassventilansteuerung verwendeten Nockenwelle 70 durch den Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B am meisten verzögert ist. Daher kann die Öffnungszeitdauer des Einlassventils 7 in einem beliebigen Bereich des Gebiets, das durch die durchgezogene Linie in 5 angegeben ist, und des Bereichs, der durch die unterbrochene Linie angegeben ist, eingestellt werden, weshalb auch die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 in dem durch den Pfeil „C“ in 5 angegebenen Bereich auf einen beliebigen Kurbelwinkel eingestellt werden kann.
Der Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B, der in 1 und 4 gezeigt ist, stellt nur ein Beispiel dar. Es ist zum Beispiel möglich, einen Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit, der nur die Schließsteuerzeit des Einlassventils ändert, während die Öffnungssteuerzeit des Einlassventils konstant gehalten wird, oder verschiedene andere Arten von Mechanismen für eine variable Ventilsteuerzeit zu verwenden.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 6 die Bedeutungen der Ausdrücke erläutert, die hier verwendet werden. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die 6(A), (B) und (C) eine Maschine zeigen, bei der aus Erläuterungsgründen das Brennkammervolumen 50 ml und das Hubvolumen des Kolbens 500 ml beträgt. In diesen 6(A), (B) und (C) steht das „Brennkammervolumen“ für das Volumen einer Brennkammer, wenn sich ein Kolben am oberen Verdichtungstotpunkt befindet.
6(A) erläutert das mechanische Verdichtungsverhältnis. Das mechanische Verdichtungsverhältnis ist ein Wert, der mechanisch anhand lediglich des Hubvolumens des Kolbens und des Brennkammervolumens zum Zeitpunkt des Verdichtungshubs bestimmt wird. Dieses mechanische Verdichtungsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Hubvolumen) / Brennkammervolumen ausgedrückt. In dem Beispiel, das in 6(A) gezeigt ist, beträgt dieses mechanische Verdichtungsverhältnis (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11.
6(B) erläutert das tatsächliche Verdichtungsverhältnis. Dieses tatsächliche Verdichtungsverhältnis ist ein Wert, der ab dann, wenn die Verdichtungstätigkeit tatsächlich gestartet wird, bis dann, wenn ein Kolben den oberen Totpunkt erreicht, anhand des tatsächlichen Kolbenhubvolumens und des Brennkammervolumens ermittelt wird. Dieses tatsächliche Verdichtungsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + tatsächliches Hubvolumen) / Brennkammervolumen ausgedrückt. Wie in 6(B) gezeigt ist, erfolgt also, auch wenn der Kolben zu steigen beginnt, in dem Verdichtungshub keine Verdichtungstätigkeit, während das Einlassventil offen ist. Die tatsächliche Verdichtungstätigkeit beginnt, nachdem das Einlassventil geschlossen wurde. Daher wird das tatsächliche Verdichtungsverhältnis unter Verwendung des tatsächlichen Hubvolumens folgendermaßen ausgedrückt. Und zwar beträgt das tatsächliche Verdichtungsverhältnis in dem Beispiel, das in 6(B) gezeigt ist, (50 ml + 450 ml) / 50 ml = 10.
6(C) erläutert das Expansionsverhältnis. Das Expansionsverhältnis ist ein Wert, der sich anhand des Hubvolumens des Kolbens und des Brennkammervolumens beim Expansionshub bestimmt. Dieses Expansionsverhältnis wird durch (Brennkammervolumen + Hubvolumen) / Brennkammervolumen ausgedrückt. In dem Beispiel, das in 6(C) gezeigt ist, beträgt dieses Expansionsverhältnis (50 ml + 500ml) / 50 ml = 11.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 ein Takt mit superhohem Expansionsverhältnis erläutert, der bei der Erfindung verwendet wird. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 7 den Zusammenhang zwischen dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad und dem Expansionsverhältnis zeigt, während 8 einen Vergleich des gewöhnlichen Takts und des Takts mit superhohem Expansionsverhältnis zeigt, die bei der Erfindung gezielt in Übereinstimmung mit der Last verwendet werden.
8(A) zeigt einen gewöhnlichen Takt für den Fall, dass ein Einlassventil nahe an einem unteren Totpunkt schließt und eine Verdichtungstätigkeit durch einen Kolben von nahe im Wesentlichen einem unteren Einlasstotpunkt aus begonnen wird. In dem Beispiel, das in 8(A) gezeigt ist, sind das Brennkammervolumen und das Hubvolumen des Kolbens auf die gleiche Weise wie in dem Beispiel, das in den 6(A), (B), (C) gezeigt ist, auf 50 ml und auf 500 ml eingestellt. Wie sich aus 8(A) ergibt, beträgt das mechanische Verdichtungsverhältnis in dem herkömmlichen Takt (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11, das tatsächliche Verdichtungsverhältnis beträgt ebenfalls etwa 11, und das Expansionsverhältnis beträgt ebenfalls (50 ml + 500 ml) / 50 ml = 11. Das mechanische Verdichtungsverhältnis, das tatsächliche Verdichtungsverhältnis und das Expansionsverhältnis sind also bei einer gewöhnlichen Brennkraftmaschine im Wesentlichen gleich.
Die durchgezogene Linie in 7 zeigt die Änderung des theoretischen thermischen Wirkungsgrads für den Fall, dass das tatsächliche Verdichtungsverhältnis und das Expansionsverhältnis im Wesentlichen gleich sind, das heißt für den gewöhnlichen Takt. In diesem Fall zeigt sich, dass der theoretische thermische Wirkungsgrad umso höher ist, je höher das Expansionsverhältnis ist, das heißt je höher das tatsächliche Verdichtungsverhältnis ist. Um den theoretischen thermischen Wirkungsgrad in einem gewöhnlichen Takt zu erhöhen, reicht es daher, das tatsächliche Verdichtungsverhältnis zu erhöhen. Aufgrund von Einschränkungen bezüglich des Auftretens von Klopfen zum Zeitpunkt eines Maschinenhochlastbetriebs kann das tatsächliche Verdichtungsverhältnis jedoch maximal auf nur etwa 12 gesteigert werden. In einem gewöhnlichen Takt kann der theoretische thermische Wirkungsgrad daher nicht ausreichend hoch eingestellt werden.
Andererseits wurde unter diesen Umständen untersucht, wie sich der theoretische thermische Wirkungsgrad steigern lässt, während streng zwischen dem mechanischen Verdichtungsverhältnis und dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis unterschieden wird, und infolgedessen wurde festgestellt, dass bei dem theoretischen thermischen Wirkungsgrad das Expansionsverhältnis dominant ist und der theoretische thermische Wirkungsgrad gar nicht viel vom tatsächlichen Verdichtungsverhältnis beeinflusst wird. Falls das tatsächliche Verdichtungsverhältnis gesteigert wird, steigt also die Explosionskraft, doch benötigt die Verdichtung viel Energie, weswegen der theoretische thermische Wirkungsgrad auch bei einer Steigerung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses gar nicht viel steigen wird.
Falls dagegen das Expansionsverhältnis erhöht wird, wird die Zeitdauer länger, während der zum Zeitpunkt des Expansionshubs eine Druckkraft auf einen Kolben wirkt, weswegen die Zeitdauer länger wird, während der Kolben eine Drehkraft auf die Kurbelwelle aufbringt. Je größer das Expansionsverhältnis ist, umso höher ist daher der theoretische thermische Wirkungsgrad. Die unterbrochene Linie ε = 10 in 7 gibt den theoretischen thermischen Wirkungsgrad für den Fall an, dass das Expansionsverhältnis in dem Zustand, der das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf 10 festlegt, erhöht wird. Daraus ergibt sich, dass kein großer Unterschied besteht zwischen der Höhe des Anstiegs des theoretischen thermischen Wirkungsgrads, wenn das Expansionsverhältnis in dem Zustand erhöht wird, in dem das tatsächliche Verdichtungsverhältnis ε bei einem niedrigen Wert gehalten wird, und der Höhe des Anstiegs des theoretischen thermischen Wirkungsgrads, wenn das tatsächliche Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird, zusammen mit dem Expansionsverhältnis anzusteigen, wie durch die durchgezogene Linie in 7 gezeigt ist.
Falls das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf diese Weise bei einem niedrigen Wert gehalten wird, kommt es nicht zum Klopfen. Falls das Expansionsverhältnis in dem Zustand erhöht wird, in dem das tatsächliche Verdichtungsverhältnis bei einem niedrigen Wert gehalten wird, ist es daher möglich, das Klopfen abzublocken, während der theoretische thermische Wirkungsgrad stark erhöht wird. 8(B) zeigt ein Beispiel des Falls, in dem der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A und der Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B genutzt werden, um das tatsächliche Verdichtungsverhältnis bei einem niedrigen Wert zu halten, während das Expansionsverhältnis erhöht wird.
In diesem Beispiel von 8(B) wird der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A dazu genutzt, das Volumen einer Brennkammer dazu zu bringen, sich von 50 ml auf 20 ml zu verringern. Andererseits wird der Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B dazu genutzt, die Schließsteuerzeit eines Einlassventils zu verzögern, bis sich das Volumen des tatsächlichen Kolbenhubs von 500 ml auf 200 ml ändert. Als Folge dessen beträgt das tatsächliche Verdichtungsverhältnis in diesem Beispiel (20 ml + 200 ml) / 20 ml = 11, während das Expansionsverhältnis (20 ml + 500 ml) / 20 ml = 26 beträgt. In dem gewöhnlichen Takt, der in 8(A) gezeigt ist, betragen, wie zuvor erläutert wurde, das tatsächliche Verdichtungsverhältnis und das Expansionsverhältnis 11. Verglichen damit ergibt sich aus dem Fall, der in 8(B) gezeigt ist, dass nur das Expansionsverhältnis auf 26 erhöht wird. Das ist der Grund, warum dies „Takt mit superhohem Expansionsverhältnis“ genannt wird.
Allgemein gesagt ist der thermische Wirkungsgrad in einer Brennkraftmaschine umso schlechter, je geringer die Maschinenlast ist. Um den thermischen Wirkungsgrad zum Zeitpunkt des Fahrzeugbetriebs zu verbessern, das heißt um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern, ist es daher nötig, den thermischen Wirkungsgrad zu dem Zeitpunkt zu verbessern, wenn die Maschinenlast gering ist. Mit anderen Worten wird in dem Takt mit superhohem Expansionsverhältnis, der in 8(B) gezeigt ist, das tatsächliche Kolbenhubvolumen zum Zeitpunkt des Verdichtungshubs kleiner gemacht, sodass die Menge an Einlassluft, die in eine Brennkammer 5 gesaugt werden kann, kleiner wird, weswegen dieser Takt mit superhohem Expansionsverhältnis nur eingesetzt werden kann, wenn die Maschinenlast verhältnismäßig gering ist. Daher wird bei der Erfindung der Takt mit superhohem Expansionsverhältnis, der in 8(B) gezeigt ist, verwendet, wenn die Maschinenlast verhältnismäßig gering ist, während zum Zeitpunkt des Maschinenhochlastbetriebs der gewöhnliche Takt verwendet wird, der in 8(A) gezeigt ist.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 die Betriebssteuerung als Ganzes erläutert.
9 zeigt die Änderungen der Einlassluftmenge, der Schließsteuerzeit des Einlassventils, des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, des Expansionsverhältnisses, des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses und des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 in Übereinstimmung mit der Maschinenlast bei einer bestimmten Maschinendrehzahl. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 9 den Fall zeigt, dass das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 beruhend auf dem Ausgangssignal des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 21 auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis geregelt wird, sodass der Drei-Wege-Katalysator in der Katalysatorvorrichtung 20 gleichzeitig das unverbrannte HC, CO und NO_x in dem Abgas verringern kann.
Wie zuvor erläutert wurde, wird zum Zeitpunkt des Maschinenhochlastbetriebs nun der gewöhnliche Takt ausgeführt, der in 8(A) gezeigt ist. Daher ist zu diesem Zeitpunkt, wie in 9 gezeigt ist, das mechanische Verdichtungsverhältnis niedrig eingestellt, sodass das Expansionsverhältnis gering ist. Wie durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt ist, wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 dazu gebracht, wie durch die durchgezogene Linie in 5 gezeigt ist, vorzueilen. Des Weiteren ist zu diesem Zeitpunkt die Menge an Einlassluft groß. Zu diesem Zeitpunkt wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 vollständig offen gehalten, sodass der Pumpverlust null wird.
Wie in 9 durch die durchgezogene Linie gezeigt ist, wird andererseits zusammen mit einer kleiner werdenden Maschinenlast die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 verzögert, um die Menge an Einlassluft zu verringern. Des Weiteren wird zu diesem Zeitpunkt, wie in 9 gezeigt ist, mit geringer werdender Maschinenlast das mechanische Verdichtungsverhältnis erhöht, sodass das tatsächliche Verdichtungsverhältnis im Wesentlichen konstant gehalten wird. Daher wird mit geringer werdender Maschinenlast auch das Expansionsverhältnis erhöht. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass auch zu diesem Zeitpunkt das Drosselventil 17 in dem vollständig offenen Zustand gehalten wird. Die Menge an Einlassluft, die in die Brennkammer 5 eingeführt wird, wird daher ungeachtet des Drosselventils 17 gesteuert, indem die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 geändert wird.
Wenn die Maschinenlast von dem Maschinenhochlastbetriebszustand aus geringer wird, wird das mechanische Verdichtungsverhältnis auf diese Weise dazu gebracht, sich zusammen mit der Abnahme der Menge an Einlassluft unter einem im Wesentlichen konstanten tatsächlichen Verdichtungsverhältnis zu erhöhen. Das Volumen der Brennkammer, wenn der Kolben 4 den oberen Verdichtungstotpunkt erreicht, wird also dazu gebracht, proportional zu der Abnahme der Einlassluftmenge abzunehmen. Daher ändert sich das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Verdichtungstotpunkt erreicht, proportional zur Menge an Einlassluft. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass in dem Beispiel, das in 9 gezeigt ist, zu diesem Zeitpunkt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 5 das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, sodass sich das Volumen der Brennkammer 5, wenn der Kolben 4 den oberen Verdichtungstotpunkt erreicht, proportional zur Kraftstoffmenge ändert.
Wenn die Maschinenlast noch geringer wird, wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht, weiter anzusteigen. Wenn die Maschinenlast unter die mittlere Last L₁ fällt, die irgendwo nahe der Niedriglast ist, erreicht das mechanische Verdichtungsverhältnis das mechanische Grenzverdichtungsverhältnis der baulichen Grenze der Brennkammer 5. Falls das mechanische Verdichtungsverhältnis das mechanische Grenzverdichtungsverhältnis erreicht, wird das mechanische Verdichtungsverhältnis in dem Gebiet einer Last, die geringer als die Maschinenlast L₁ ist, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis das mechanische Grenzverdichtungsverhältnis erreicht, bei dem mechanischen Grenzverdichtungsverhältnis gehalten. Das mechanische Verdichtungsverhältnis und auch das Expansionsverhältnis werden daher zum Zeitpunkt des Maschinenmittellastbetriebs auf der Seite geringer Last und des Maschinenniedriglastbetriebs, also auf der Maschinenniedriglastseite, maximal. Anders ausgedrückt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis auf der Maschinenniedriglastbetriebsseite maximal gemacht, sodass das maximale Expansionsverhältnis erzielt wird.
Falls in dem Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, die Maschinenlast auf L₁ fällt, wird andererseits die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 zur Grenzschließsteuerzeit, die eine Steuerung der Menge an Einlassluft ermöglicht, die in die Brennkammer 5 eingeführt wird. Falls die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 die Grenzschließsteuerzeit erreicht, wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 in dem Bereich einer geringen Last, die niedriger als die Maschinenlast L₁ ist, wenn die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 die Grenzschließsteuerzeit erreicht, bei der Grenzschließsteuerzeit gehalten.
Falls die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 bei der Grenzschließsteuerzeit gehalten wird, kann die Menge an Einlassluft nicht länger durch Änderung der Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 gesteuert werden. In dem Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, wird zu diesem Zeitpunkt, also in dem Gebiet einer Last, die geringer als die Maschinenlast L₁ ist, wenn die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 die Grenzschließsteuerzeit erreicht, das Drosselventil 17 verwendet, um die Menge an Einlassluft zu steuern, die in die Brennkammer 5 eingeführt wird. Je geringer die Maschinenlast ist, umso kleiner wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 eingestellt.
Wie in 9 durch die unterbrochene Linie gezeigt ist, ist es bei niedrig werdender Maschinenlast andererseits möglich, die Menge an Einlassluft zu steuern, ohne von dem Drosselventil 17 abhängig zu sein, indem auch die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 vorgezogen wird. In 9 wird daher, wenn umfassend sowohl der Fall, der durch die durchgezogene Linie angegeben wird, und der Fall, der durch die unterbrochene Linie angegeben wird, erläutert werden, in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 bei niedrig werdender Maschinenlast in eine Richtung weg von dem unteren Einlasstotpunkt UT bis zur Grenzschließsteuerzeit L₁ vorgezogen, die eine Steuerung der Menge an Einlassluft erlaubt, die in die Brennkammer eingeführt wird. Auf diese Weise kann die Menge an Einlassluft gesteuert werden, indem die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 dazu gebracht wird, sich wie durch die durchgezogene Linie in 9 angegeben zu ändern, und sie kann gesteuert werden, indem sie dazu gebracht wird, sich wie durch die unterbrochene Linie angegeben zu ändern, doch wird die Erfindung unter Bezugnahme auf das Beispiel des Falls erläutert, bei dem die Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 dazu gebracht wird, sich wie durch die durchgezogene Linie in 9 angegeben zu ändern.
Wie zuvor erläutert wurde, wird diesbezüglich das Expansionsverhältnis in dem Takt mit superhohem Expansionsverhältnis, der in 8(B) gezeigt ist, auf 26 eingestellt. Dieses Expansionsverhältnis ist vorzugsweise hoch, doch ergibt sich aus 7, dass bezogen auf das tatsächlich nutzbare untere tatsächliche Grenzverdichtungsverhältnis ε = 5 ein deutlich höherer theoretischer thermischer Wirkungsgrad erzielt werden kann, falls es 20 oder mehr beträgt. Der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A ist bei der Erfindung daher so ausgebildet, dass das Expansionsverhältnis 20 oder mehr beträgt.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 10 bis 12 ein Nichteintrittsgebiet und eine Bezugsbetriebskennlinie für das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils erläutert.
10 zeigt die Menge an Einlassluft, die zum Erzielen der verlangten Maschinenlast benötigt wird, also die verlangte Einlassluftmenge, das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die verlangte Einlassluftmenge in 10 umso weiter vom Ursprung O ansteigt, je weiter das mechanische Verdichtungsverhältnis vom Ursprung O ansteigt. Des Weiteren wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils in 10 durch den Kurbelwinkel nach dem unteren Einlasstotpunkt (nach UT) ausgedrückt, weswegen die Schließsteuerzeit des Einlassventils weiter vom Ursprung O weg verzögert wird.
Andererseits drücken in 10 Q₁ , Q₂ , Q₃ , Q4 und Q₅ jeweils Ebenen identischer Einlassluftmenge aus. Q₆ drückt eine Ebene vollständig offener Drossel aus, in der das Drosselventil 17 vollständig offen ist. Wie sich aus 10 ergibt, setzt sich die Ebene vollständig offener Drossel Q₆ aus einer sich nach oben wölbenden gekrümmten Ebene zusammen. In dem Gebiet unterhalb dieser Ebene vollständig offener Drossel Q₆ ist der Drosselöffnungsgrad umso kleiner, je weiter es abwärts geht.
In 10 geben in den Ebenen identischer Einlassluftmenge Q₁ , Q₂ , Q₃ , Q₄ und Q₅ die Gebiete, die durch die Schraffur angegeben sind, Nichteintrittsgebiete an. Andererseits zeigt 11, was von der Oberseite der 10 aus zu erkennen ist. 12(A) zeigt die linke Seitenebene S₁ in 10 aus der Pfeilrichtung gesehen, während 12(B) die rechte Seitenebene S₂ in 10 aus der Pfeilrichtung gesehen zeigt. In 11 und auch in den 12(A) und (B) geben die Gebiete, die durch die Schraffur angegeben sind, Nichteintrittsgebiete an.
Anhand von 10, 11 und den 12(A) und (B) ist zu erkennen, dass sich die Nichteintrittsgebiete dreidimensional ausbreiten und dass sich die Nichteintrittsgebiete zudem aus hochlastseitigen Gebieten X₁ und niedriglastseitigen Gebieten X₂ zusammensetzen, das heißt aus zwei Arten von Gebieten. Wie aus 10, 11 und den 12(A) und (B) hervorgeht, ist dabei zur Kenntnis zu nehmen, dass die hochlastseitigen Nichteintrittsgebiete X₁ an der Seite ausgebildet sind, an der die verlangte Einlassluftmenge groß ist, sich die Schließsteuerzeit des Einlassventils auf der vorgezogenen Seite befindet und das mechanische Verdichtungsverhältnis hoch ist, während die niedriglastseitigen Nichteintrittsgebiete X₂ an der Seite ausgebildet sind, an der die verlangte Einlassluftmenge gering ist, sich die Schließsteuerzeit des Einlassventils auf der Verzögerungsseite befindet und das mechanische Verdichtungsverhältnis gering ist.
9 zeigt nun den Zusammenhang zwischen der Schließsteuerzeit des Einlassventils, dem mechanischen Verdichtungsverhältnis, dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis und dem Drosselöffnungsgrad, der den minimalen Kraftstoffverbrauch für die verlangte Einlassluftmenge ergibt. Die Linie, die diesen Zusammenhang erfüllt, ist in 10 und 11 durch die durchgezogene Linie W angegeben. Wie anhand von 10 zu erkennen ist, verläuft diese Linie W auf der Ebene vollständig offener Drossel Q₆ auf der Seite einer größeren Einlassluftmenge als auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ und verläuft auf der rechten Seitenebene S₂ auf der Seite einer kleineren Einlassluftmenge als die Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ . Diese Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ entspricht der Last L₁ von 9.
In 9 wird also in dem Gebiet, in dem die Maschinenlast höher als L₁ ist, die Schließsteuerzeit des Einlassventils in dem Zustand, in dem das Drosselventil 17 vollständig offen gehalten wird, umso weiter vorgezogen, je höher die Maschinenlast ist, das heißt je größer die verlangte Einlassluftmenge ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht, umso mehr abzunehmen, je mehr die verlangte Einlassluftmenge erhöht wird, sodass das tatsächliche Verdichtungsverhältnis konstant wird. Der Zusammenhang zwischen dem mechanischen Verdichtungsverhältnis und der Schließsteuerzeit des Einlassventils wird zu diesem Zeitpunkt durch die Linie W auf der Ebene vollständig offener Drossel Q₆ von 10 ausgedrückt. Auf der Seite mit größerer Einlassluftmenge als die Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ wird also die Schließsteuerzeit des Einlassventils in dem Zustand, in dem das Drosselventil 17 vollständig offen gehalten wird, umso mehr vorgezogen, je mehr die verlangte Einlassluftmenge ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht, umso mehr abzunehmen, je mehr die verlangte Einlassluftmenge ansteigt, sodass das tatsächliche Verdichtungsverhältnis konstant wird.
Andererseits werden in 9 in dem Gebiet, in dem die Maschinenlast geringer als L₁ ist, das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils konstant gehalten. Je geringer die Maschinenlast ist, das heißt je mehr sich die verlangte Einlassluftmenge verringert, umso mehr wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht abzunehmen. Der Zusammenhang zwischen dem mechanischen Verdichtungsverhältnis und der Schließsteuerzeit des Einlassventils wird zu diesem Zeitpunkt durch die Linie W auf der rechten Seitenebene S₂ von 10 ausgedrückt. Wie in 10 gezeigt ist, werden also das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils auf der Seite, auf der die Einlassluftmenge kleiner als die Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ ist, konstant gehalten. Je geringer die Maschinenlast ist, das heißt je mehr sich die verlangte Einlassluftmenge verringert, umso mehr wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht abzunehmen.
Hierbei wird die Linie, die dem mechanischen Verdichtungsverhältnis und der Schließsteuerzeit des Einlassventils folgt, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, als „Betriebskennlinie“ bezeichnet. Insbesondere wird die Linie W, die in 10 gezeigt ist, als „Bezugsbetriebskennlinie“ bezeichnet. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass diese Bezugsbetriebskennlinie, wie zuvor erläutert wurde, die Minimalkraftstoffverbrauchs-Betriebskennlinie angibt, die den minimalen Kraftstoffverbrauch ergibt.
Wie zuvor erläutert wurde, wird das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf dieser Bezugsbetriebskennlinie W konstant eingestellt. Das tatsächliche Verdichtungsverhältnis hat nichts mit dem Öffnungsgrad des Drosselventils 17 zu tun und wird nur durch das mechanische Verdichtungsverhältnis und den Schließsteuerzeitpunkt des Einlassventils bestimmt, sodass in 10 auf einer gekrümmten Ebene, die durch die Bezugsbetriebskennlinie W geht und sich in der vertikalen Richtung erstreckt, ein identisches tatsächliches Verdichtungsverhältnis liegt. In diesem Fall ist das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf der Seite hoher mechanischer Verdichtungsverhältnisse dieser gekrümmten Ebene hoch, während das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf der Seite geringer mechanischer Verdichtungsverhältnisse dieser gekrümmten Ebene gering ist. Die hochlastseitigen Nichteintrittsgebiete X₁ befinden sich also grob gesagt bei Gebieten mit einem höheren tatsächlichen Verdichtungsverhältnis als das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf der Bezugsbetriebskennlinie W, während sich die niedriglastseitigen Nichteintrittsgebiete X₂ bei Gebieten mit einem geringeren tatsächlichen Verdichtungsverhältnis als das tatsächliche Verdichtungsverhältnis auf der Bezugsbetriebskennlinie W befinden.
Falls nun das tatsächliche Verdichtungsverhältnis erhöht wird, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, kommt es zum Klopfen. Falls die Zündsteuerzeit verzögert wird, um das Auftreten von Klopfen zu verhindern, wird die Verbrennung instabil und es treten Drehmomentschwankungen auf. Die hochlastseitigen Nichteintrittsgebiete X₁ sind Betriebsgebiete, wo solche Drehmomentschwankungen auftreten. Zum Zeitpunkt des Maschinenbetriebs muss daher sichergestellt werden, dass der Betriebszustand der Maschine nicht in solche Betriebsgebiete eintritt, wo es zu Drehmomentschwankungen kommt. Falls andererseits die Menge an Einlassluft gering ist und das tatsächliche Verdichtungsverhältnis geringer wird, fällt die Verbrennung schwerer. Wenn der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 kleiner wird und der Verdichtungsenddruck geringer wird, verschlechtert sich der Kraftstoffverbrauch und kommt es zu Drehmomentschwankungen. Die niedriglastseitigen Nichteintrittsgebiete X₂ sind Betriebsgebiete, in denen solche Drehmomentschwankungen auftreten. Zum Zeitpunkt des Maschinenbetriebs muss daher sichergestellt werden, dass der Betriebszustand der Maschine nicht in solche Betriebsgebiete eintritt.
Je höher andererseits das tatsächliche Verdichtungsverhältnis wird, umso mehr verbessert sich der Kraftstoffverbrauch. Daher erstreckt sich die Minimalkraftstoffverbrauch-Betriebskennlinie, mit der der minimale Kraftstoffverbrauch, ohne dass es zum Klopfen oder zu Drehmomentschwankungen kommt, erreicht werden kann, wie durch W in 10 und 11 gezeigt ist, an der Außenseite der hochlastseitigen Nichteintrittsgebiete X₁ entlang der Außenkanten der hochlastseitigen Nichteintrittsgebiete X₁ . Wie zuvor erläutert wurde, wird in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel diese Minimalkraftstoffverbrauch-Betriebskennlinie zur Bezugsbetriebskennlinie W gemacht. Grundsätzlich werden das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 in Übereinstimmung mit der verlangten Einlassluftmenge gesteuert, sodass sich der Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, auf dieser Bezugsbetriebskennlinie W bewegt. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass der derzeitige Betriebspunkt ständig durch den Relativlagensensor 22, den Ventilsteuerzeitsensor 23 und den Drosselöffnungsgradsensor 24 erfasst wird.
Als Nächstes wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 anhand des grundsätzlichen Steuerungsverfahrens erläutert. Dieses grundsätzliche Steuerungsverfahren ist in 13 bis 15 gezeigt.
Und zwar zeigt 13 den Fall, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird anzusteigen, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils bei Werten am Punkt „m“ auf der Bezugsbetriebskennlinie W gehalten werden. Diesbezüglich wird die verlangte Einlassluftmenge in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zum Beispiel zu jeder vorbestimmten Zeitdauer berechnet. Nacheinander wird der Betriebspunkt auf der Bezugsbetriebskennlinie W berechnet, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, die zu jeder vorbestimmten Zeitdauer berechnet wird. Ein Beispiel der Betriebspunkte, die die verlangte Einlassluftmenge erfüllen, das heißt der verlangten Betriebspunkte, ist in 13 durch a₁ , a₂ , a₃ , a₄ , a₅ und a₆ angegeben. In diesem Beispiel ist also der verlangte Betriebspunkt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, die als erstes erfasst wird, nachdem die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wurde anzusteigen, a₁ , der verlangte Betriebspunkt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, die als nächstes erfasst wird, ist a₂ , und der verlangte Betriebspunkt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, die als nächstes erfasst wird, ist a₃ .
Wenn sich die verlangten Betriebspunkte ändern, ändert sich der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, zu einem neuen verlangten Betriebspunkt hin. Das heißt, dass sich in dem Beispiel, das in 13 gezeigt ist, der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, vom Punkt „m“ aus zum Punkt „a₁“ ändert, falls der verlangte Betriebspunkt zu a₁ gemacht wird, während sich der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, zu a₂ ändert, falls der verlangte Betriebspunkt zu a₂ gemacht wird. Falls das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils in diesem Fall den verlangten Betriebspunkt erreichen, bevor sich der verlangte Betriebspunkt ändert, werden sich das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils problemlos den Änderungen des verlangten Betriebspunktes folgend ändern. Falls das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils jedoch nicht den verlangten Betriebspunkt erreichen, bevor sich der verlangte Betriebspunkt ändert, kommt es manchmal zu einem Problem.
Wenn sich das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils in 13 an dem Punkt „m“ befinden, wenn der verlangte Betriebspunkt a₁ ist, werden sich also das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Einlassventilsteuerzeit nicht ändern. Zu diesem Zeitpunkt wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht, sich zu erhöhen, um die verlangte Einlassluftmenge zu erfüllen. Das Ansprechen auf die Änderung des Öffnungsgrads des Drosselventils 17 durch das Stellglied 16 ist extrem schnell, weswegen sich, wenn der verlangte Betriebspunkt a₁ wird, der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, sofort vom Punkt „m“ zum Punkt „a₁“ bewegt.
Wenn der verlangte Betriebspunkt als nächstes a₂ wird, wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht, nur ein bisschen abzunehmen, und die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird nur ein bisschen vorgezogen, während das Drosselventil 17 vollständig geöffnet wird. Zu diesem Zeitpunkt erreichen das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils die Nähe des verlangten Betriebspunkts a₂ etwa dann, wenn der nächste verlangte Betriebspunkt a₃ berechnet wird. Das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils, die zu diesem Zeitpunkt erreicht werden, sind durch den Betriebspunkt b₂ in 14 angegeben, der diese von der Oberseite der 13 zeigt.
Falls der verlangte Betriebspunkt a₃ berechnet wird, beginnen das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils damit, sich vom Betriebspunkt b₂ zum verlangten Betriebspunkt a₃ hin zu bewegen. Das mechanische Verdichtungsverhältnis wird also in dem Zustand, in dem das Drosselventil 17 vollständig offen ist, dazu gebracht abzunehmen, und die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird dazu gebracht vorzueilen. Allerdings sind das Ansprechen der Änderung des mechanischen Verdichtungsverhältnisses durch den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A und das Ansprechen der Änderung der Schließsteuerzeit des Einlassventils 7 durch den Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B nicht so schnell. Insbesondere das Ansprechen der Änderung des mechanischen Verdichtungsverhältnisses durch den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A ist ziemlich langsam. Falls daher die Geschwindigkeit des Anstiegs der verlangten Einlassluftmenge schnell ist, trennen sich der verlangte Betriebspunkt und der Betriebspunkt, der die tatsächlichen Werte des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, allmählich voneinander. Wenn sich zum Beispiel der verlangte Betriebspunkt in 14 nach a₆ bewegt, tritt der Zustand auf, dass der Betriebspunkt, der die tatsächlichen Werte des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, weiter nahe bei b₂ bleibt.
Falls in einem solchen Fall das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils durch Regelung dazu gebracht werden, sich zu dem verlangten Betriebspunkt hin zu bewegen, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten, wird jedoch Zeit benötigt, bis das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils den verlangten Betriebspunkt erreichen. Wenn die Schließsteuerzeit des Einlassventils in diesem Fall dazu gebracht wird vorzueilen, wird also die Tätigkeit des Vorziehens der Schließsteuerzeit des Einlassventils gestoppt, wenn der Betriebspunkt dabei ist, in das Innere eines Nichteintrittsgebiets X₁ einzutreten, und das mechanische Verdichtungsverhältnis wird dann dazu gebracht wird, um genau eine bestimmte Höhe abzunehmen. Falls das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht worden ist, um genau eine bestimmte Höhe abzunehmen, wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils erneut vorgezogen. Falls der Betriebspunkt dabei ist, in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten, wird die Tätigkeit, die Schließsteuerzeit des Einlassventils vorzuziehen, gestoppt. Im Folgenden wird dies wiederholt.
Falls also das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils durch Regelung dazu gebracht werden, sich zu dem verlangten Betriebspunkt hin zu bewegen, bewegt sich der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, im Zickzack entlang der Außenkanten des Nichteintrittsgebiets X₁ , weswegen Zeit benötigt wird, damit das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils den verlangten Betriebspunkt erreichen. Dadurch kann kein gutes Ansprechen der Maschine auf Änderungen der verlangten Einlassluftmenge erreicht werden.
Wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, wird daher bei der Erfindung ein Soll-Betriebspunkt berechnet, den das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer bestimmten Zeit erreichen können, wenn sie sich vom derzeitigen Betriebspunkt zu dem verlangten Betriebspunkt bewegen, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne in die Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ einzutreten, und das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils werden dazu gebracht, sich zu diesem Soll-Betriebspunkt hin zu ändern.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 14, die die Ebene vollständig offener Drossel Q₆ zeigt, ein Ausführungsbeispiel erläutert, das die Erfindung verkörpert. Wie zuvor erläutert wurde, zeigt 14 den Fall, dass der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, b₂ ist, wenn der verlangte Betriebspunkt a₃ wird. In diesem Fall drückt der Pfeil R₂ die Höhe aus, die das mechanische Verdichtungsverhältnis in einer vorbestimmten festen Zeit erreichen kann, wenn es sich zu dem verlangten Betriebspunkt a₃ bewegt, während der Pfeil S₂ die Höhe ausdrückt, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils in einer vorbestimmten festen Zeit erreichen kann, wenn sie sich zu dem verlangten Betriebspunkt a₃ hin bewegt. Des Weiteren gibt in 14 C₂ den Soll-Betriebspunkt an, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, wenn man sich von dem derzeitigen Betriebspunkt b₂ zum verlangten Betriebspunkt a₃ hin bewegt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten.
Wenn die verlangte Einlassluftmenge wie in 14 gezeigt dazu gebracht wird anzusteigen und sich der Betriebspunkt b₂ und der verlangte Betriebspunkt a₃ auf der Ebene mit der vollständig offenen Drossel Q₆ befinden, befindet sich dieser Soll-Betriebspunkt C₂ auf der Bezugsbetriebskennlinie W und in dem Beispiel, das in 14 gezeigt ist, auf der Minimalkraftstoffverbrauch-Betriebskennlinie W. Wenn in dem Beispiel, das in 14 gezeigt ist, das Drosselventil 17 in dem vollständig offenen Zustand gehalten wird, wird der Soll-Betriebspunkt also dazu gebracht, sich auf der Minimalkraftstoffverbrauch-Betriebskennlinie W, die entlang der Außenkanten der Nichteintrittsgebiete X₁ verläuft, außerhalb der Nichteintrittsgebiete X₁ zu bewegen.
Falls des Weiteren in 14 der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, b_i ist, wenn der verlangte Betriebspunkt a₆ ist, wird der Soll-Betriebspunkt auch in diesem Fall zu dem Punkt C_i auf der Bezugsbetriebskennlinie W gemacht. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass der Pfeil R_i in 14 auf ähnliche Weise die Höhe ausdrückt, die das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, während der Pfeil S_i die Höhe ausdrückt, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann.
Falls auf diese Weise in dem Beispiel, das in 14 gezeigt ist, der Soll-Betriebspunkt C₂ berechnet wird, wenn der Betriebspunkt b₂ ist, wird der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, den Soll-Betriebspunkt C₂ nach einer festen Zeit erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird der nächste neue Soll-Betriebspunkt berechnet, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, wenn sich der derzeitige Betriebspunkt C₂ zu dem verlangten Betriebspunkt hin bewegt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten. Der Betriebspunkt erreicht diesen neuen Soll-Betriebspunkt nach einer festen Zeit. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden in diesem Fall das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht, den Soll-Betriebspunkt durch PID-(Proportional-Integral-Differenzial-)Regelung zu erreichen.
In dem Beispiel, das in 14 gezeigt ist, bewegt sich der Betriebspunkt, der das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, auf diese Weise sanft, ohne anzuhalten, entlang der Bezugsbetriebskennlinie W. Wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Steuerschließzeit des Einlassventils in 13 am Punkt „m“ gehalten werden, falls die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird änzusteigen, können also das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu gebracht werden, sich sanft, wie durch den Pfeil in 15 angegeben ist, entlang der Bezugsbetriebskennlinie W zu ändern, ohne anzuhalten. Dadurch wird es möglich, ein gutes Ansprechen der Maschine auf Änderungen der verlangten Einlassluftmenge sicherzustellen.
Um das Ansprechen der Maschine auf die verlangte Einlassluftmenge weiter zu verbessern, ist es in diesem Fall vorzuziehen, die Soll-Betriebspunkte C₂ und C_i so weit wie möglich von den entsprechenden derzeitigen Betriebspunkten b₂ und b_i zu trennen. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die Soll-Betriebspunkte C₂ und C_i daher unter den Betriebspunkten, die nach einer festen Zeit erreicht werden können, wenn man sich von den entsprechenden derzeitigen Betriebspunkten b₂ und b_i zu dem verlangten Betriebspunkt bewegt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne in ein Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten, zu Betriebspunkten gemacht, die am weitesten von den derzeitigen Betriebspunkten b₂ und b_i entfernt sind.
Wenn der derzeitige Betriebspunkt b₂ ist, wird also die Obergrenze, die durch das mechanische Verdichtungsverhältnis vom Betriebspunkt b₂ aus erreicht wird, zu dem Soll-Betriebspunkt C₂ gemacht. Hinsichtlich der Schließsteuerzeit des Einlassventils kommt dieser Soll-Betriebspunkt C₂ vor der erreichbaren Obergrenze der Schließsteuerzeit des Einlassventils von dem Betriebspunkt b₂ aus. Daher wird das mechanische Verdichtungsverhältnis zu diesem Zeitpunkt dazu gebracht, mit der maximal möglichen Geschwindigkeit abzunehmen, während die Schließsteuerzeit des Einlassventils mit einer geringeren Geschwindigkeit als der maximal möglichen Geschwindigkeit vorgezogen wird. Wenn der derzeitige Betriebspunkt b_i ist, wird dagegen die erreichbare Obergrenze der Schließsteuerzeit des Einlassventils vom Betriebspunkt b_i aus zum Soll-Betriebspunkt C_i gemacht. Hinsichtlich des mechanischen Verdichtungsverhältnisses kommt dieser Soll-Betriebspunkt C_i vor der erreichbaren Obergrenze der Schließsteuerzeit des Einlassventils vom Betriebspunkt b_i aus. Daher wird die Schließsteuerzeit des Einlassventils zu diesem Zeitpunkt mit der maximal möglichen Geschwindigkeit vorgezogen, während das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird, sich mit einer geringeren Geschwindigkeit als der maximal möglichen Geschwindigkeit zu verringern.
Die für die Schließsteuerzeit des Einlassventils mögliche maximale Änderungsgeschwindigkeit, das heißt der Wert, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, wird gar nicht viel vom Betriebszustand der Maschine beeinflusst. Daher ist der Wert, den die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann, ungeachtet des Betriebszustands der Maschine konstant. Dagegen wird die für das mechanische Verdichtungsverhältnis mögliche maximale Änderungsgeschwindigkeit, das heißt der Wert, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, stark durch den Betriebszustand der Maschine usw. beeinflusst. Dies wird als Nächstes unter Bezugnahme auf 16 bis 19 erläutert.
16 zeigt den Zusammenhang zwischen der änderbaren Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses zu einer festen Zeit, das heißt der Verdichtungsverhältnisdifferenz zwischen dem derzeitigen mechanischen Verdichtungsverhältnis und dem mechanischen Verdichtungsverhältnis, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann, und der Maschinenlast. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 16 die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses zeigt, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis zu einem bestimmten mechanischen Verdichtungsverhältnis gemacht wird. In 16 gibt die Strich-Punkt-Linie F₀ die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses an, wenn die Maschine gestoppt ist. Des Weiteren gibt 16 durch die unterbrochene Linie das Drehmoment an, das durch den Verbrennungsdruck auf den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A aufgebracht wird. Dieses Drehmoment wirkt in einer Richtung, die den Zylinderblock 2 von dem Kurbelgehäuse 1 wegzieht, das heißt in einer Richtung, die das Verdichtungsverhältnis sinken lässt. Wie durch die unterbrochene Linie gezeigt ist, wird dieses Drehmoment umso größer, je höher der Verbrennungsdruck ist, das heißt je höher die Maschinenlast ist.
Dieses Drehmoment wirkt auf diese Weise auf den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A in einer Richtung, die das Verdichtungsverhältnis sinken lässt, sodass das mechanische Verdichtungsverhältnis leicht sinkt, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird abzunehmen. In diesem Fall wird daher die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses größer. In 16 gibt für diesen Fall die durchgezogene Linie F₁ die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses an. Die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses wird in diesem Fall mit höherer Maschinenlast größer. Dagegen wirkt dieses Drehmoment dem Anstieg des mechanischen Verdichtungsverhältnisses entgegen, sodass die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses verglichen mit dem Fall, dass das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird abzunehmen, kleiner wird, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird anzusteigen. In 16 gibt die durchgezogene Linie F₂ die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses für den Fall an, dass das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird anzusteigen. Die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses wird in diesem Fall umso kleiner, je höher die Maschinenlast ist.
In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses, die wie durch F₀ in 16 gezeigt zum Bezugspunkt wird, vorab gespeichert. Diese änderbare Bezugshöhe des Verdichtungsverhältnisses wird durch den Zusammenhang korrigiert, der in 16 mit F₁ und F₂ angegeben ist, um die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses in Übereinstimmung mit der Maschinenlast zu berechnen. Als Nächstes wird anhand dieser berechneten änderbaren Höhe des Verdichtungsverhältnisses der Wert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses berechnet, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird also, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, der Wert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, in Übereinstimmung mit der Maschinenlast geändert.
17 zeigt den Zusammenhang zwischen der änderbaren Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und den Drehwinkeln der Nockenwellen 54 und 55, das heißt den Drehwinkeln der Rundnocken 58, zu einer festen Zeit. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass das linke Ende der Abszisse in 17 den Zeitpunkt des tiefsten Zustands des mechanischen Verdichtungsverhältnisses angibt, der in 3(A) gezeigt ist, während das rechte Ende der Abszisse in 17 den Zeitpunkt des höchsten Zustands des mechanischen Verdichtungsverhältnisses angibt, der in 3(C) gezeigt ist. Des Weiteren zeigt 17 die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses, wenn die Maschinenlast zu einer bestimmten Last gemacht wird. In 17 gibt die unterbrochene Linie das Drehmoment an, das durch den Verbrennungsdruck auf den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A aufgebracht wird.
In dem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, wird für die Schneckenräder eine Bauart verwendet, bei der die Schneckenräder 61 und 62 durch die Zahnräder 63 und 64 nicht zum Drehen gebracht werden, das heißt eine Bauart, bei der die Schneckenräder 61 und 62 so wirken, dass sie einen Gegenlauf der Zahnräder 63 und 64 stoppen. Die Strich-Punkt-Linie G₀ von 17 gibt die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses an, wenn der Maschinenbetrieb bei Verwendung solcher Schneckenräder gestoppt ist. Aus den 3(A), (B) und (C) ergibt sich, dass die Änderung des Verdichtungsverhältnisses pro Drehwinkeleinheit der Nockenwellen 54, 55 maximal wird, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis mittelhoch ist, also zu der in 3(B) gezeigten Zeit. Wie durch die Strich-Punkt-Linie G₀ in 17 angegeben ist, wird die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses daher maximal, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis mittelhoch ist.
Wie des Weiteren durch die unterbrochene Linie in 17 gezeigt ist, wird das Drehmoment, das-durch den Verbrennungsdruck auf den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A aufgebracht wird, zu dem Zeitpunkt am höchsten, der in 3(B) gezeigt ist, das heißt zu dem Zeitpunkt, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis mittelhoch ist. Andererseits zeigt die durchgezogene Linie G₁ in 17 den Fall, dass das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird abzunehmen, während die durchgezogene Linie G₂ den Fall zeigt, dass das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird anzusteigen. Wie in 17 gezeigt ist, ist die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses G₁ , wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird abzunehmen, größer als die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses G₂ , wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird anzusteigen. Des Weiteren ist das Drehmoment, das auf den Verbrennungsdruck beruht, am höchsten, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis mittelhoch ist, sodass zu diesem Zeitpunkt die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses G₁ hoch wird und die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses G₂ sinkt.
In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses, die der durch G₀ in 17 angegebene Bezugswert wird, vorab gespeichert. Diese änderbare Bezugshöhe des Verdichtungsverhältnisses wird durch den Zusammenhang korrigiert, der in 17 mit G₁ und G₂ angegeben ist, um entsprechend den Drehwinkeln der Nockenwellen 54 und 55 die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses zu berechnen. Darüber hinaus wird die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses in 16 durch den Zusammenhang korrigiert, der mit F₁ und F₂ angegeben ist, um entsprechend den Drehwinkel der Nockenwellen 54 und 55 und der Maschinenlast die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses zu berechnen. Als Nächstes wird anhand dieser berechneten änderbaren Höhe des Verdichtungsverhältnisses der Wert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses berechnet, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann. Wenn sich in diesem Ausführungsbeispiel die verlangte Einlassluftmenge ändert, wird also der Wert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, dazu gebracht, sich in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel der Drehnocken 58 und der Maschinenlast zu ändern.
18 zeigt andererseits die Wirkung eines Schmierzustands von Gleitlagern auf die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses für den Fall, dass sich sämtliche Lager des Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A aus Gleitlagern zusammensetzen. Und zwar wird der Schmierzustand umso leichter zu einem Grenzschmierungsgebiet, in dem der Ölfilm zu brechen beginnt, je höher die Maschinenlast ist. Des Weiteren wird der Schmierzustand umso leichter zu dem Grenzschmierungsgebiet, je geringer die Betriebsgeschwindigkeit an den Lageroberflächen ist. Daher wird der Schmierzustand, wie in 18 gezeigt ist, zum Grenzschmierungsgebiet, wenn (Maschinenlast / Betriebsgeschwindigkeit) einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch nimmt die Reibungskraft an den Gleitlagern zu, sodass die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses kleiner wird.
In einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses berechnet, während auch der Schmierzustand an den Gleitlagern berücksichtigt wird. Zum Beispiel wird eine änderbare Bezugshöhe des Verdichtungsverhältnisses, die in 16 mit F₀ angegeben ist, durch den Zusammenhang korrigiert, der in 16 mit F₁ und F₂ angegeben ist, die korrigierte änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses wird durch den Zusammenhang korrigiert, der in 17 mit G₁ und G₂ angegeben ist, und die korrigierte änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses wird durch den Zusammenhang korrigiert, der in 18 gezeigt ist, um so die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses in Übereinstimmung mit der Maschinenlast, den Drehwinkeln der Nockenwellen 54, 55 und (Maschinenlast / Betriebsgeschwindigkeit) zu berechnen. Als Nächstes wird anhand der auf diese Weise berechneten änderbaren Höhe des Verdichtungsverhältnisses der Wert berechnet, den das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann.
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Schwankungen der Maschinenlast erfasst werden und die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses beruhend auf den erfassten Schwankungen der Maschinenlast berechnet wird. Falls der Verbrennungsdruck zwischen Takten oder zwischen Zylindern schwankt, biegt sich die Exzenterwelle 57 und ändert sich die Relativlage zwischen dem Zylinderblock 2 und dem Kurbelgehäuse 1. Die Änderung der Relativlage dieses Zylinderblocks 2 und des Kurbelgehäuses 1, das heißt die Änderung des Abstands zwischen dem Zylinderblock 2 und dem Kurbelgehäuse 1, wird durch den Relativlagensensor 22 erfasst. Der Abstand zwischen dem Zylinderblock 2 und dem Kurbelgehäuse 1 wird umso größer, je höher der Verbrennungsdruck ist.
Wie zuvor erläutert wurde, unterliegt der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A aufgrund des Verbrennungsdrucks einem Drehmoment. Dieses Drehmoment wirkt auf den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A in einer Richtung, die das Verdichtungsverhältnis sinken lässt. Falls der Verbrennungsdruck steigt, ermöglicht der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A daher dem mechanischen Verdichtungsverhältnis, leicht abzunehmen. H₁ in 19 gibt die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses an, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird abzunehmen, während H₂ in 19 die Änderungshöhe des Verdichtungsverhältnisses angibt, wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird anzusteigen. Der Wert, den das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, wird anhand dieser änderbaren Höhe des Verdichtungsverhältnisses berechnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses geeignet in Übereinstimmung mit Schwankungen des Verbrennungsdrucks zu steuern. Insbesondere dann, wenn die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses wie in 16 gezeigt in Übereinstimmung mit der Maschinenlast gesteuert wird und die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses zu diesem Zeitpunkt zudem wie in 19 gezeigt beruhend auf dem Verbrennungsdruck gesteuert wird, ist es möglich, die änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses präzise auf die optimale änderbare Höhe des Verdichtungsverhältnisses zu steuern. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die Biegung der Exzenterwelle 57 beim Schwanken des Verbrennungsdrucks noch größer wird, falls als Zahnräder Zahnräder einer Bauart verwendet werden, die durch die Zahnräder 63 und 64 die Schneckenräder 61 und 62 drehen können, weshalb Schwankungen des Drehmoments, die aufgrund des Verbrennungsdrucks auf den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A wirken, durch den Relativlagensensor 22 präziser erfasst werden können.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 20 bis 35 der Fall erläutert, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird abzunehmen. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass unter den 20 bis 35 20 und 21 den Fall zeigen, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird, langsam abzunehmen, 22 bis 29 den Fall zeigen, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird, verhältnismäßig schnell abzunehmen, und 30 bis 35 den Fall zeigen, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird, sehr schnell abzunehmen. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 20 bis 35 den Fall zeigen, dass die Tätigkeit des Abnehmens der verlangten Einlassluftmenge beginnt, wenn sich der Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, auf der Bezugsbetriebskennlinie W an dem Punkt „n“ befindet.
Unter Bezugnahme auf 20 und 21 wird zunächst der Fall beschrieben, dass die verlangte Luftmenge dazu gebracht wird, langsam abzunehmen. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 21 ähnlich wie 14 die Ebene mit vollständig offener Drossel Q₆ zeigt.
21 zeigt in diesem Fall den Zusammenhang zwischen dem derzeitigen Betriebspunkt und dem verlangten Betriebspunkt. Und zwar zeigt 21, dass der verlangte Betriebspunkt d_i ist, wenn der derzeitige Betriebspunkt e_i ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Höhe, die das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, durch R_i angegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die Höhe, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann, durch S_i angegeben. Darüber hinaus gibt 21 mit d_j den verlangten Betriebspunkt an, wenn der derzeitige Betriebspunkt e_j ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Höhe, die das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, durch R_j angegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird die Höhe, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann, durch S_j angegeben.
Der verlangte Betriebspunkt d_i kommt in diesem Fall vor der erreichbaren Obergrenze des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und vor der erreichbaren Obergrenze der Schließsteuerzeit des Einlassventils, sodass der verlangte Betriebspunkt d_i der Soll-Betriebspunkt wird. Auf die gleiche Weise kommt der verlangte Betriebspunkt d_j vor der erreichbaren Obergrenze des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und vor der erreichbaren Obergrenze der Schließsteuerzeit des Einlassventils, sodass der verlangte Betriebspunkt d_j der Soll-Betriebspunkt wird. Daher bewegt sich der Betriebspunkt in diesem Fall entlang der Bezugsbetriebskennlinie W. Wenn die verlangte Einlassluftmenge langsam abnimmt, wird also das Drosselventil 17 vollständig offen gehalten und die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird in diesem Zustand allmählich verzögert und das mechanische Verdichtungsverhältnis wird allmählich erhöht, sodass das tatsächliche Verdichtungsverhältnis konstant bleibt.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 22 bis 29 der Fall beschrieben, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird, verhältnismäßig schnell abzunehmen. Wie zuvor erläutert wurde, wird die verlangte Einlassluftmenge in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zum Beispiel zu jeder vorbestimmten Zeitdauer berechnet. Die nacheinander berechneten verlangten Betriebspunkte auf der Bezugsbetriebskennlinie W, die die verlangte Einlassluftmenge erfüllen, sind in 22 durch d₁ , d₂ , d₃ , d₄ und d₅ angegeben. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass 22 zum leichten Verständnis der erfindungsgemäßen Steuerung den Fall zeigt, dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₁ Q₅ ist, dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₂ ein Wert zwischen Q₅ und Q₄ ist, dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₃ Q₄ ist, dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₄ zwischen Q₄ und Q₃ liegt und dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₅ Q₃ ist. Dies zeigt also den Fall, dass sich die verlangte Einlassluftmenge, die nacheinander berechnet wird, von Q₆ (Punkt „n“) auf Q₅ , einen Wert zwischen Q₅ und Q₄ , Q₄ , einen Wert zwischen Q₄ und Q₃ und Q₃ ändert.
Des Weiteren zeigt 23 die Ebene vollständig offener Drossel Q₆ , 24 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge Q₅ ist, 25 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge ein Wert zwischen Q₅ und Q₄ ist, 26 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge Q₄ ist, 27 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge ein Wert zwischen Q₄ und Q₃ ist, und 28 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge Q₃ ist.
Wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils an dem in 22 gezeigten Betriebspunkt „n“ gehalten werden, ändert sich die verlangte Einlassluftmenge dann von Q₆ auf Q₅ . Wenn dadurch der verlangte Betriebspunkt d₁ wird, wird zunächst, wie in 23 gezeigt ist, der Soll-Betriebspunkt e₁ auf der Ebene vollständig offener Drossel Q₆ berechnet. Das Verfahren zur Berechnung dieses Soll-Betriebspunkts e₁ ist das gleiche wie das Berechnungsverfahren, das bislang erläutert wurde. Anhand der Höhe, die das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, und der Höhe, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann, wird der Soll-Betriebspunkt e₁ berechnet, der sich am nächsten an dem verlangten Betriebspunkt d₁ befindet, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten. In dem Beispiel, das in 23 gezeigt ist, befindet sich dieser Soll-Betriebspunkt e₁ auf der Bezugsbetriebskennlinie W.
Die Einlassluftmenge an diesem Soll-Betriebspunkt e₁ ist nun ein Wert zwischen Q₆ und Q₅ und entspricht einem Zustand, der größer als die verlangte Einlassluftmenge Q₅ ist. Allerdings wird die Einlassluftmenge vorzugsweise dazu gebracht, der verlangten Einlassluftmenge soweit wie möglich zu entsprechen. Wenn die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird abzunehmen, ist es diesbezüglich möglich, die Menge an Einlassluft einzustellen, indem der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 geändert wird. In einem Zustand, in dem die Menge an Einlassluft an dem Soll-Betriebspunkt e₁ größer als die verlangte Einlassluftmenge Q₅ ist, werden daher nicht die Sollwerte des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu gebracht, sich zu ändern, sondern wird das Drosselventil 17 dazu gebracht, sich zu dem Soll-Öffnungsgrad zu schließen, der benötigt wird, um die Menge an Einlassluft zu der verlangten Einlassluftmenge Q₅ zu machen.
In 22 wird also der Punkt auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₅ , der sich direkt unterhalb des Soll-Betriebspunkts e₁ auf der in 23 gezeigten Ebene vollständig offener Drossel Q₆ befindet, zu dem endgültigen Soll-Betriebspunkt e₁ gemacht. Der endgültige Soll-Betriebspunkt e₁ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₅ ist in 22 und 24 gezeigt. Das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 werden dazu gebracht, sich zum endgültigen Soll-Betriebspunkt e₁ hin zu ändern. Das heißt, dass zu diesem Zeitpunkt das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht wird sich zu erhöhen, dass die Schließsteuerzeit des Einlassventils verzögert wird und dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht wird, kleiner als im vollständig offenen Zustand zu sein.
Falls die verlangte Einlassluftmenge als nächstes ein Wert zwischen Q₅ und Q₄ wird und der verlangte Betriebspunkt d₂ wird, wird dieses Mal, wie in 24 gezeigt ist, der Soll-Betriebspunkt e₂ an der Ebene identischer Einlassluftmenge bei der derzeitigen Einlassluftmenge Q₅ berechnet. Das Berechnungsverfahren dieses Soll-Betriebspunkts e₂ ist ebenfalls das gleiche wie das vorher erläuterte Berechnungsverfahren. Anhand der Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann, und der Höhe der Schließsteuerzeit des Einlassventils, die nach einer festen Zeit erreicht werden kann, wird der Soll-Betriebspunkt e₂ berechnet, der sich am nächsten am verlangten Betriebspunkt d₂ befindet, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten. In dem Beispiel, das in 24 gezeigt ist, befindet sich dieser Soll-Betriebspunkt e₂ in der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₅ auf der Bezugsbetriebskennlinie W.
Auch in diesem Fall befindet sich die Menge an Einlassluft an dem Soll-Betriebspunkt e₂ diesbezüglich in einem Zustand, der größer als die verlangte Einlassluftmenge ist. Daher wird auch in diesem Fall in 22 der Punkt auf der Ebene identischer Einlassluftmenge (Wert zwischen Q₅ und Q₄ ), der sich direkt unterhalb des Soll-Betriebspunkts e₂ auf der in 24 gezeigten Ebene identischer Einlassluftmenge Q₅ befindet, zum endgültigen Soll-Betriebspunkt e₂ gemacht. Der endgültige Soll-Betriebspunkt e₂ auf dieser Ebene identischer Einlassluftmenge (Wert zwischen Q₅ und Q₄ ) ist in 22 und 25 gezeigt. Das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 12 werden dazu gebracht, sich zum endgültigen Soll-Betriebspunkt e₂ hin zu ändern. Auch dieses Mal wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht anzusteigen, die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird verzögert, und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird dazu gebracht, kleiner als der vollständig offene Zustand zu sein.
Wenn die verlangte Einlassluftmenge Q₄ als nächstes ein Wert zwischen Q₄ und Q₃ und dann Q₃ wird, wird nacheinander ein ähnlicher Vorgang wiederholt. Wenn die verlangte Einlassluftmenge wie in 26 gezeigt Q₄ wird, wird also der endgültige Soll-Betriebspunkt e₃ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₄ berechnet, wenn die verlangte Einlassluftmenge wie in 27 gezeigt ein Wert zwischen Q₄ und Q₃ wird, wird der endgültige Soll-Betriebspunkt e₄ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge (Wert zwischen Q₄ und Q₃ ) berechnet, und wenn die verlangte Einlassluftmenge wie in 28 gezeigt Q₃ wird, wird der endgültige Soll-Betriebspunkt e₅ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ berechnet.
Während dieses Zeitpunkts, das heißt während das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 nacheinander dazu gebracht werden, sich zu den endgültigen Soll-Betriebspunkten e₃ , e₄ und e₅ hin zu ändern, wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht anzusteigen, die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird verzögert und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird kleiner gemacht.
Falls die verlangte Einlassluftmenge wie in 28 gezeigt Q₃ wird, werden auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ nacheinander die endgültigen Soll-Betriebspunkte e₆ , e₇ , e₈ , e₉ und e₁₀ berechnet, und das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 werden dazu gebracht, sich durch die aufeinanderfolgenden endgültigen Soll-Betriebspunkte e₆ , e₇ , e₈ , e₉ und e₁₀ zu dem verlangten Betriebspunkt d₅ hin zu ändern. Während dieser Zeitdauer wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht anzusteigen, die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird verzögert, bis sie e₈ erreicht, und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird allmählich erhöht und dazu gebracht, vollständig offen zu sein, wenn er e₈ erreicht.
29 zeigt die Änderungen der Schließsteuerzeit des Einlassventils, des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses und des Drosselöffnungsgrads, wenn die Soll-Einlassluftmenge wie in 22 gezeigt dazu gebracht wird, verhältnismäßig schnell von Q₆ (Punkt „n“) auf Q₃ (Soll-Betriebspunkt d₅ ) abzunehmen. Anhand von 29 ist zu erkennen, dass in diesem Fall, nachdem die verlangte Einlassluftmenge der Sollwert (Betriebspunkt e₄ ) wurde, die Tätigkeit des Verzögerns der Schließsteuerzeit des Einlassventils beendet wird (Betriebspunkt e₈ ) und dann die Tätigkeit des Erhöhens des mechanischen Verdichtungsverhältnisses beendet wird (Soll-Betriebspunkt d₅ ). Andererseits nimmt das tatsächliche Verdichtungsverhältnis allmählich ab, bis die Tätigkeit des Verzögerns der Schließsteuerzeit des Einlassventils beendet wird (Betriebspunkt e₈ ) und nimmt dann allmählich zu. Des Weiteren wird der Drosselöffnungsgrad dazu gebracht, allmählich vom vollständig offenen Zustand aus abzunehmen, bis der Betriebspunkt der Betriebspunkt e₅ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₃ wird, und er wird dann dazu gebracht, sich allmählich zum vollständig offenen Zustand zu öffnen, bis die Tätigkeit des Verzögerns der Schließsteuerzeit des Einlassventils endet (Betriebspunkt e₈ ).
Wie in 22 bis 29 gezeigt ist, wird, wenn die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird, verhältnismäßig schnell abzunehmen, neben der Steuerung des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils der Drosselöffnungsgrad gesteuert. Bei der Erfindung sind zu diesem Zeitpunkt dreidimensionale Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ für die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, die Schließzeit des Einlassventils und den Drosselöffnungsgrad eingestellt. Der Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads angibt, wird daran gehindert, in die dreidimensionalen Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ einzutreten.
Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge geändert hat, auch in diesem Fall der Soll-Betriebspunkt berechnet wird, den das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen können, wenn man sich vom derzeitigen Betriebspunkt zu dem Betriebspunkt hin bewegt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne in die dreidimensionalen Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ einzutreten, und dass das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu gebracht werden, sich zu dem berechneten Soll-Betriebspunkt hin zu ändern. Wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, wird in diesem Fall außerdem der Drosselöffnungsgrad dazu gebracht, sich in Übereinstimmung mit der verlangten Einlassluftmenge zu ändern, sodass der Drosselöffnungsgrad nicht in die dreidimensionalen Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ eintritt.
Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass, um dem mechanischen Verdichtungsverhältnis, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und dem Drosselöffnungsgrad zu ermöglichen, den verlangten Betriebspunkt so schnell wie möglich zu erreichen, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, auch in diesem Fall der Soll-Betriebspunkt zu dem Betriebspunkt gemacht wird, der unter den Betriebspunkten, die sie nach einer festen Zeit erreichen können, wenn man sich vom derzeitigen Betriebspunkt zu dem Betriebspunkt hin bewegt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne in die dreidimensionalen Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ einzutreten, von dem derzeitigen Betriebspunkt aus am weitesten weg liegt.
Wenn die verlangte Einlassluftmenge verringert wird, wird in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in diesem Fall zudem der Soll-Betriebspunkt berechnet, den das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen können, wenn sie sich von dem derzeitigen Betriebspunkt zu dem Betriebspunkt hin bewegen, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, ohne bei der derzeitigen Einlassluftmenge in die Nichteintrittsgebiete X₁ und X₂ einzutreten, und das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils werden dazu gebracht, sich zu dem Soll-Betriebspunkt hin zu ändern. Andererseits wird für den Drosselöffnungsgrad in diesem Fall der Drosselöffnungsgrad berechnet, der die verlangte Einlassluftmenge bei dem berechneten Soll-Betriebspunkt erfüllt, und der Drosselöffnungsgrad wird dazu gebracht, sich zum Soll-Öffnungsgrad hin zu ändern, solange er sich nicht an den dreidimensionalen Nichteintrittsgebieten X₁ und X₂ befindet.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 30 bis 35 der Fall erläutert, dass die verlangte Einlassluftmenge dazu gebracht wird, plötzlich auf eine Minimaleinlassluftmenge Q₁ abzunehmen. Wie zuvor erläutert wurde, wird in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die verlangte Einlassluftmenge zum Beispiel zu jeder vorbestimmten Zeitdauer berechnet. Die nacheinander berechneten verlangten Betriebspunkte auf der Bezugsbetriebskennlinie W, die die verlangte Einlassluftmenge erfüllen, sind in 30 mit d₁ , d₂ und d₃ angegeben.
Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass zum einfachen Verständnis der erfindungsgemäßen Steuerung 30 den Fall zeigt, dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₁ Q₄ ist, dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₂ ein Wert zwischen Q₂ und Q₃ ist und dass die verlangte Einlassluftmenge an dem verlangten Betriebspunkt d₃ Q₁ ist. Dies gibt also den Fall an, dass sich die verlangte Einlassluftmenge, die nacheinander berechnet wird, von Q₆ (Punkt „n“) auf Q₅ , einen Wert zwischen Q₃ und Q₂ und Q₁ ändert.
Des Weiteren zeigt 31 die Ebene vollständig offener Drossel Q₆ , 32 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge Q₄ ist, 33 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge ein Wert zwischen Q₃ und Q₂ ist, und 34 zeigt die Ebene identischer Einlassluftmenge, in der die Einlassluftmenge Q₁ ist.
Wenn das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils an dem in 30 gezeigten Betriebspunkt „n“ gehalten werden, ändert sich die verlangte Einlassluftmenge dann von Q₆ auf Q₄ und dadurch wird, wenn der verlangte Betriebspunkt d₁ wird, zunächst wie in 31 gezeigt der Soll-Betriebspunkt e₁ auf der Ebene vollständig offener Drossel Q₆ berechnet. Das Berechnungsverfahren dieses Soll-Betriebspunkts e₁ ist das gleiche wie das Berechnungsverfahren, das in 23 gezeigt ist. Anhand der Höhe, die das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, und der Höhe, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann, wird der Soll-Betriebspunkt e₁ berechnet, der sich am nächsten am verlangten Betriebspunkt d₁ findet, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten. In dem Beispiel, das in 31 gezeigt ist, befindet sich dieser Soll-Betriebspunkt e₁ auf der Bezugsbetriebskennlinie W.
Andererseits wird auf die gleiche Weise wie in dem Fall, der in 22 gezeigt ist, das Drosselventil 17 dazu gebracht, sich zum Soll-Öffnungsgrad zu schließen, der benötigt wird, um die Menge an Einlassluft zu der verlangten Einlassluftmenge Q₄ zu machen, ohne das Verhältnis des Sollwerts für das mechanische Verdichtungsverhältnis und den Schließsteuerzeitpunkt des Einlassventils ändern zu müssen.
In 30 wird also der Punkt auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₄ , der sich direkt unterhalb des Soll-Betriebspunkts e₁ auf der in 31 gezeigten Ebene vollständig offener Drossel Q₆ befindet, zum endgültigen Soll-Betriebspunkt e₁ gemacht. Der endgültige Soll-Betriebspunkt e₁ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₄ ist in 30 und 32 gezeigt. Das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 werden dazu gebracht, sich zum endgültigen Soll-Betriebspunkt e₁ hin zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis dazu gebracht anzusteigen, die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird verzögert, und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird kleiner als der vollständig offene Zustand gemacht.
Falls die verlangte Einlassluftmenge als nächstes ein Wert zwischen Q₃ und Q₂ wird und der verlangte Betriebspunkt d₂ wird, wird dieses Mal, wie in 32 gezeigt ist, der Soll-Betriebspunkt e₂ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge bei der derzeitigen Einlassluftmenge Q₄ berechnet. Das Berechnungsverfahren dieses Soll-Betriebspunkts e₂ ist ebenfalls das gleiche wie das zuvor erläuterte Berechnungsverfahren. Anhand der Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann, und der Höhe der Schließsteuerzeit des Einlassventils, die nach einer festen Zeit erreicht werden kann, wird der Soll-Betriebspunkt e₂ berechnet, der sich am nächsten an dem verlangten Betriebspunkt d₂ befindet, ohne in das Nichteintrittsgebiet X₁ einzutreten. Auch in diesem Fall wird in 30 der Punkt auf der Ebene identischer Einlassluftmenge (Wert zwischen Q₃ und Q₂ ), der sich direkt unterhalb des Soll-Betriebspunkts e₂ auf der in 32 gezeigten Ebene identischer Einlassluftmenge Q₄ befindet, zu dem endgültigen Soll-Betriebspunkt e₂ gemacht. Der endgültige Soll-Betriebspunkt e₂ auf dieser Ebene identischer Einlassluftmenge (Wert zwischen Q₃ und Q₂ ) ist in 30 und 33 gezeigt.
Wenn die verlangte Einlassluftmenge als nächstes Q₁ wird und der verlangte Betriebspunkt d₃ wird, wird, wie in 33 gezeigt ist, der Soll-Betriebspunkt e₃ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge (Wert zwischen Q₃ und Q₂ ) berechnet und dann wird, wie in 34 gezeigt ist, der endgültige Soll-Betriebspunkt e₃ an der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₁ berechnet. Wenn der endgültige Soll-Betriebspunkt e₃ berechnet wird, werden das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht, sich zum endgültigen Soll-Betriebspunkt e₃ hin zu ändern. Auch zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis erhöht, die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird verzögert und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird kleiner als der vollständig offene Zustand gemacht.
Falls die verlangte Einlassluftmenge auf diese Weise kleiner wird, taucht diesbezüglich das niedriglastseitige Nichteintrittsgebiet X₂ in der Ebene identischer Einlassluftmenge auf. Das niedriglastseitige Nichteintrittsgebiet X₂ , das in der Ebene identischer Einlassluftmenge auftaucht, wird umso größer, je kleiner die Einlassluftmenge ist. Das niedriglastseitige Nichteintrittsgebiet X₂ , das in der Ebene identischer Einlassluftmenge auftaucht, wird, wie in 34 gezeigt ist, maximal, wenn die verlangte Einlassluftmenge das Minimum Q₁ wird. Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel um dieses niedriglastseitige Nichteintrittsgebiet X₂ herum im Voraus in einem kleinen Abstand vom niedriglastseitigen Nichteintrittsgebiet X₂ eine Nichteintrittsebene eingestellt ist, um den Eintritt des Betriebspunkts in das niedriglastseitige Nichteintrittsgebiet X₂ zu verhindern. Eine Nichteintrittslinie des Schnittpunkts dieser Nichteintrittsebene und der Ebene identischer Einlassluftmenge ist in 34 durch WX angegeben.
Falls die Einlassluftmenge nun in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die verlangte Einlassluftmenge Q₁ wird, werden, wie in 34 gezeigt ist, anhand der Höhe, die das mechanische Verdichtungsverhältnis nach einer festen Zeit erreichen kann, und der Höhe, die die Schließsteuerzeit des Einlassventils nach einer festen Zeit erreichen kann, auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₁ nacheinander die Soll-Betriebspunkte e₄ , e₅ , e₆ , e₇ , e₈ , e₉ , e₁₀, e₁₁ und e₁₂ berechnet, die sich am nächsten am verlangten Betriebspunkt d₃ befinden. Wenn sich der Soll-Betriebspunkt, der sich am nächsten an dem verlangten Betriebspunkt d₃ befindet, in diesem Fall als der Soll-Betriebspunkt e₄ bezogen auf die Nichteintrittslinie WX auf der entgegengesetzten Seite von dem Nichteintrittsgebiet X₂ befindet, wird der berechnete Soll-Betriebspunkt zum Soll-Betriebspunkt e₄ gemacht. Wenn sich der berechnete Soll-Betriebspunkt, der sich am nächsten an dem verlangten Betriebspunkt d₃ befindet, dagegen auf der Seite befindet, die sich näher als die Nichteintrittslinie WX an dem Nichteintrittsgebiet X₂ befindet, werden die Punkte auf der Nichteintrittslinie WX, die zu der Obergrenze werden, die von entweder dem mechanischen Verdichtungsverhältnis oder der Schließsteuerzeit des Einlassventils erreicht wird, zu dem Soll-Betriebspunkt e₅ , e₆ , e₇ , e₈ und e₉ gemacht.
Falls die verlangte Einlassluftmenge Q₁ wird, werden also das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht, sich auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₁ nacheinander durch die endgültigen Betriebspunkte e₄ , e₅ , e₆ , e₇ , e₈ , e₉ , e₁₀, e₁₁ und e₁₂ bis zum verlangten Betriebspunkt d₃ zu ändern. Währenddessen wird das mechanische Verdichtungsverhältnis erhöht, die Schließsteuerzeit des Einlassventils wird verzögert, bis sie e₁₀ erreicht, und der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 wird allmählich größer gemacht.
35 zeigt die Änderungen der Schließsteuerzeit des Einlassventils, des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses und des Drosselöffnungsgrads für den Fall, dass die Soll-Einlassluftmenge wie in 30 gezeigt dazu gebracht wird, rasch von Q₆ (Punkt „n“) auf Q₁ (Soll-Betriebspunkt d₃ ) abzunehmen. Aus 35 ergibt sich, dass in diesem Fall, nachdem die verlangte Einlassluftmenge der Sollwert wurde (Betriebspunkt e₂ ), die Tätigkeit des Verzögerns der Schließsteuerzeit des Einlassventils beendet wird (Betriebspunkt e₁₀) und dann die Tätigkeit des Erhöhens des mechanischen Verdichtungsverhältnisses beendet wird (Soll-Betriebspunkt d₃ ). Andererseits wird das tatsächliche Verdichtungsverhältnis allmählich verringert, bis die Tätigkeit des Verzögerns der Schließsteuerzeit des Einlassventils beendet wird (Betriebspunkt e₁₀), und steigt dann allmählich an. Des Weiteren wird der Drosselöffnungsgrad dazu gebracht, von dem vollständig offenen Zustand aus abzunehmen, bis der Betriebspunkt der Betriebspunkt e₃ auf der Ebene identischer Einlassluftmenge Q₁ wird, und er wird dann dazu gebracht, sich allmählich zu öffnen, bis die Tätigkeit des Verzögerns der Schließsteuerzeit des Einlassventils beendet wird (Betriebspunkt e₁₀).
Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass der Öffnungsgrad des Drosselventils 17, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, manchmal in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet, das heißt in das niedriglastseitige Nichteintrittsgebiet X₂ gelangt, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert. In diesem Fall wird der Öffnungsgrad des Drosselventils 17 dazu gebracht, sich bis zu der oben genannten Nichteintrittsebene zu ändern, das heißt direkt bevor er in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet eintritt, und dann wird der Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads zeigt, dazu gebracht, sich zu dem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, zu ändern, ohne in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet einzutreten.
36 zeigt die Routine zur Berechnung des Soll-Betriebspunkts, der von dem derzeitigen Betriebspunkt aus nach einer vorbestimmten festen Zeit erreicht werden kann, das heißt der Sollwerte des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads.
In dieser Routine wird der Soll-Betriebspunkt, der nach einer vorbestimmten festen Zeit erreicht werden kann, zu jeder dieser vorbestimmten festen Zeitdauer berechnet. Daher wird die in 36 gezeigte Routine zu jeder dieser vorbestimmten festen Zeitdauer ablaufen gelassen. Diese vorbestimmte feste Zeitdauer kann beliebig eingestellt werden, doch ist die vorbestimmte feste Zeitdauer in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel auf 8 ms eingestellt. Daher wird in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die in 36 gezeigte Routine zur Berechnung des Sollwerts alle 8 ms ausgeführt. Alle 8 ms wird der Soll-Betriebspunkt berechnet, der von dem derzeitigen Betriebspunkt aus nach 8 ms erreicht werden kann.
In 36 wird zunächst im Schritt 100 die verlangte Einlassluftmenge GX berechnet. Diese verlangte Einlassluftmenge GX ist zum Beispiel vorab in dem ROM 32 als eine Funktion der Niederdrückhöhe des Gaspedals 40 und der Maschinendrehzahl gespeichert. Als Nächstes wird im Schritt 100 in Übereinstimmung mit der verlangten Einlassluftmenge GX der verlangte Betriebspunkt auf der Bezugsbetriebskennlinie W berechnet. Als Nächstes wird im Schritt 102 beurteilt, ob der derzeitige Betriebspunkt der verlangte Betriebspunkt ist. Wenn der derzeitige Betriebspunkt der verlangte Betriebspunkt ist, wird der Verarbeitungszyklus beendet. Wenn der derzeitige Betriebspunkt nicht der verlangte Betriebspunkt ist, fährt die Routine dagegen mit Schritt 103 fort, in dem beurteilt wird, ob die verlangte Einlassluftmenge GX größer als die Einlassluftmenge GA am derzeitigen Betriebspunkt ist.
Wenn GX > GA ist, das heißt wenn die Einlassluftmenge zunimmt, fährt die Routine mit Schritt 104 fort, in dem der Soll-Betriebspunkt bestimmt wird, wie anhand von 13 bis 15 erläutert wurde. Das heißt, dass im Schritt 104 der Soll-Drosselöffnungsgrad in Übereinstimmung mit der verlangten Einlassluftmenge GX berechnet wird. Dieser Soll-Drosselöffnungsgrad wird gewöhnlich zum vollständig offenen Grad gemacht, wenn sich der verlangte Betriebspunkt auf der Ebene vollständig offener Drossel Q₆ befindet. Als Nächstes wird im Schritt 105 die Schließsteuerzeit des Einlassventils berechnet, die nach einer festen Zeit erreicht werden kann, und im Schritt 106 wird als nächstes das mechanische Verdichtungsverhältnis berechnet, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann. Zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann, berechnet, während die änderbare Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses berücksichtigt wird, die unter Bezugnahme auf 16 bis 19 erläutert wurde.
Als Nächstes wird im Schritt 107 der Soll-Betriebspunkt durch das Verfahren bestimmt, das anhand von 14 erläutert wurde. Als Nächstes werden anhand des bestimmten Soll-Betriebspunkts der Sollwert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Sollwert der Schließsteuerzeit des Einlassventils berechnet. Der Sollwert des Drosselöffnungsgrads wurde bereits im Schritt 104 als der Soll-Drosselöffnungsgrad berechnet.
Wenn andererseits im Schritt 103 beurteilt wird, dass GX ≤ GA ist, das heißt wenn die Einlassluftmenge verringert werden sollte oder die Einlassluftmenge gleich der verlangten Einlassluftmenge ist, fährt die Routine mit Schritt 109 fort, in dem der Soll-Betriebspunkt auf die Weise bestimmt wird, wie sie anhand von 20 bis 35 erläutert wurde. Das heißt, dass im Schritt 109 die Schließsteuerzeit des Einlassventils berechnet wird, die nach einer festen Zeit erreicht werden kann, und dass im Schritt 110 dann das mechanische Verdichtungsverhältnis berechnet wird, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann. Auch zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Verdichtungsverhältnis, das nach einer festen Zeit erreicht werden kann, unter Berücksichtigung der änderbaren Höhe des mechanischen Verdichtungsverhältnisses berechnet, die unter Bezugnahme auf 16 bis 19 erläutert wurde.
Als Nächstes wird im Schritt 112 der Soll-Drosselöffnungsgrad berechnet, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, und dann wird dieser Soll-Drosselöffnungsgrad zu dem Sollwert des Drosselöffnungsgrads gemacht. Wenn der Drosselöffnungsgrad, der die verlangte Einlassluftmenge GX erfüllt, jedoch in das Nichteintrittsgebiet gelangt, wird der Soll-Drosselöffnungsgrad zu dem Wert der oben erläuterten Nichteintrittsebene gemacht. Während sich das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dem verlangten Betriebspunkt nähern, wird der Soll-Drosselöffnungsgrad dazu gebracht, sich entlang der Nichteintrittsebene zu ändern.
Dabei ist zur Kenntnis zu nehmen, dass, obwohl dies bislang nicht erläutert wurde, eine ähnliche Sache passieren kann, wenn die verlangte Einlassluftmenge zunimmt. Wenn sich der Betriebspunkt zum Beispiel in dem Gebiet unterhalb des hochlastseitigen Nichteintrittsgebiets X₁ in 13 befindet, gelangt der Soll-Drosselöffnungsgrad manchmal in das hochlastseitige Nichteintrittsgebiet X₁ , wenn die verlangte Einlassluftmenge erhöht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Soll-Drosselöffnungsgrad zu einem Wert auf der Bezugsbetriebsebene gemacht, die die Bezugsbetriebskennlinien W enthält, die für die Ebenen identischer Einlassluftmenge voreingestellt sind. Der Soll-Drosselöffnungsgrad wird dazu gebracht, sich entlang dieser Bezugsbetriebsebene zu ändern, wenn sich das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dem verlangten Betriebspunkt nähern.
37 zeigt die Ansteuerungsroutine zum Ansteuern des Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A, des Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B und des Drosselventils 17 unter Verwendung einer PID-Steuerung, sodass das mechanische Verdichtungsverhältnis, die Schließsteuerzeit des Einlassventils und der Drosselöffnungsgrad die berechneten Sollwerte in der in 36 gezeigten Routine werden. Diese Routine wird wiederholt ausgeführt, wenn der Betrieb der Maschine gestartet wird.
In 37 wird im Schritt 200 die Differenz ΔIT (= IT₀ - IT) zwischen dem Sollwert IT₀ der Schließsteuerzeit des Einlassventils und der derzeitigen Schließsteuerzeit IT des Einlassventils berechnet, die Differenz ΔCR (= CR₀ - CR) zwischen dem Sollwert CR₀ des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und des derzeitigen mechanischen Verdichtungsverhältnisses CR wird berechnet, und die Differenz Δθ (= θ₀ - θ) zwischen dem Sollwert θ₀ des Drosselöffnungsgrads und des derzeitigen Drosselöffnungsgrads θ wird berechnet.
Als Nächstes wird im Schritt 201 ΔIT mit der Proportionalkonstante K_p1 multipliziert, um den Proportionalterm E_p1 der Ansteuerungsspannung für den Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B zu berechnen, ΔCR wird mit der Proportionalkonstante K_p2 multipliziert, um den Proportionalterm E_p2 der Ansteuerungsspannung für den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A zu berechnen, und Δθ wird mit der Proportionalkonstante K_p3 multipliziert, um den Proportionalterm E_p3 der Ansteuerungsspannung für das Drosselventils 17 zu berechnen.
Als Nächstes wird im Schritt 202 ΔIT mit der Integralkonstante K_i1 multipliziert und dieses Multiplikationsergebnis (K_i1·ΔIT) wird anwachsend aufaddiert, um den Integralterm E_i1 der Ansteuerungsspannung für den Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B zu berechnen, ΔCR wird mit der Integralkonstante K_i2 multipliziert und dieses Multiplikationsergebnis (K_i2·ΔCR) wird anwachsend aufaddiert, um den Integralterm E_i2 der Ansteuerungsspannung für den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A zu berechnen, und Δθ wird mit der Integralkonstante K_i3 multipliziert und dieses Multiplikationsergebnis (K_i3·Δθ) wird anwachsend aufaddiert, um den Integralterm E_i3 der Ansteuerungsspannung für das Drosselventil 17 zu berechnen.
Als Nächstes wird im Schritt 203 die Differenz (ΔIT - ΔIT₁) zwischen dem derzeitigen ΔIT und dem zuvor berechneten ΔIT₁ mit der Differenzialkonstante K_d1 multipliziert, um den Differenzialterm E_d1 der Ansteuerungsspannung für den Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B zu berechnen, die Differenz (ΔCR - ΔCR₁) zwischen dem derzeitigen ΔCR und dem zuvor berechneten ΔCR₁ wird mit der Differenzialkonstante K_d2 multipliziert, um den Differenzialterm E_d2 der Ansteuerungsspannung für den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A zu berechnen, und die Differenz (Δθ - Δθ₁) zwischen dem derzeitigen Δθ und dem zuvor berechneten Δθ₁ wird mit der Differenzialkonstante K_d3 multipliziert, um den Öifferenzialterm E_d3 der Ansteuerungsspannung für das Drosselventil 17 zu berechnen.
Als Nächstes werden im Schritt 204 der Proportionalterm E_p1, der Integralterm E_i1 und der Differenzialterm E_d1 addiert, um die Ansteuerungsspannung E₁ für den Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B zu berechnen, der Proportionalterm E_p2, der Integralterm E_i2 und der Differenzialterm E_d2 werden addiert, um die Ansteuerungsspannung E₂ für den Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A zu berechnen, und der Proportionalterm E_p3, der Integralterm E_i3 und der Differenzialterm E_d3 werden addiert, um die Ansteuerungsspannung E₃ für das Drosselventil 17 zu berechnen.
Falls der Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit B, der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis A und das Drosselventil 17 in Übereinstimmung mit diesen Ansteuerungsspannungen E₁ , E₂ und E₃ angesteuert werden, ändern sich die Schließsteuerzeit des Einlassventils, das mechanische Verdichtungsverhältnis und der Drosselöffnungsgrad jeweils zu den sich nacheinander ändernden Sollwerten hin.
Bezugszeichenliste

1...: Kurbelgehäuse
2...: Zylinderblock
3...: Zylinderkopf
4...: Kolben
5...: Brennkammer
7...: Einlassventil
17...: Drosselventil
70...: zur Einlassventilansteuerung verwendete Nockenwelle
A...: Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis
B...: Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit

Claims

Funkenzündungs-Brennkraftmaschine mit einem Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis, der ein mechanisches Verdichtungsverhältnis ändern kann, und einem Mechanismus für eine variable Ventilsteuerzeit, der eine Schließsteuerzeit eines Einlassventils steuern kann, wobei ein Nichteintrittsgebiet für eine Kombination eines mechanischen Verdichtungsverhältnisses und einer Schließsteuerzeit eines Einlassventils eingestellt ist, ein Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses und der Schließsteuerzeit des Einlassventils angibt, daran gehindert wird, in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, und, wenn sich eine verlangte Einlassluftmenge ändert, ein Soll-Betriebspunkt berechnet wird, der von einem derzeitigen Betriebspunkt aus zu einem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden kann, ohne in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, um dadurch das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu zu bringen, sich zum Soll-Betriebspunkt hin zu ändern.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Soll-Betriebspunkt unter den Betriebspunkten, die von dem derzeitigen Betriebspunkt aus bis zum Betriebspunkt, der die erforderte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden können, ohne in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, zu einem Betriebspunkt gemacht wird, der am weitesten von dem derzeitigen Betriebspunkt entfernt ist.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei ein Drosselventil zum Steuern einer Einlassluftmenge vorgesehen ist und, wenn das Drosselventil in einem vollständig offenen Zustand gehalten wird, der Soll-Betriebspunkt dazu gebracht wird, sich auf einer Minimalkraftstoffverbrauch-Betriebskennlinie zu bewegen, die außerhalb des Nichteintrittsgebiets entlang einer Außenkante des Nichteintrittsgebiets verläuft.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus für ein variables Verdichtungsverhältnis eine Relativlage zwischen einem Kurbelgehäuse und einem Zylinderblock durch einen Kurbelmechanismus, der eine sich drehende Nocke nutzt, dazu bringt, sich zu ändern, damit sich das mechanische Verdichtungsverhältnis ändert, und, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, ein Wert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, in Übereinstimmung mit der Maschinenlast geändert wird.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, der Wert des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der nach einer festen Zeit erreicht werden kann, in Übereinstimmung mit einem Drehwinkel der Nocke geändert wird.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei als die Nichteintrittsgebiete zwei Gebiete eingestellt sind, nämlich ein hochlastseitiges Gebiet und ein niedriglastseitiges Gebiet.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei ein Drosselventil zum Steuern einer Einlassluftmenge vorgesehen ist, ein dreidimensionales Nichteintrittsgebiet für eine Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads eingestellt ist, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, für das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils ein Soll-Betriebspunkt berechnet wird, der von dem derzeitigen Betriebspunkt aus zu dem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden kann, ohne in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet einzutreten, das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu gebracht werden, sich zu dem berechneten Soll-Betriebspunkt hin zu ändern, und der Drosselöffnungsgrad zu diesem Zeitpunkt dazu gebracht wird, sich in Übereinstimmung mit der verlangten Einlassluftmenge zu ändern, sodass er nicht in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet eintritt.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei der Soll-Betriebspunkt unter den Betriebspunkten, die von dem derzeitigen Betriebspunkt aus bis zu dem Betriebspunkt, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden können, ohne in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet einzutreten, zu einem Betriebspunkt gemacht wird, der am weitesten von dem derzeitigen Betriebspunkt entfernt liegt.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, für das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils ein Soll-Betriebspunkt berechnet wird, der von dem derzeitigen Betriebspunkt aus zu dem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, nach einer festen Zeit erreicht werden kann, ohne in das Nichteintrittsgebiet einzutreten, das mechanische Verdichtungsverhältnis und die Schließsteuerzeit des Einlassventils dazu gebracht werden, sich zu dem berechneten Soll-Betriebspunkt hin zu ändern, für den Drosselöffnungsgrad ein Soll-Öffnungsgrad berechnet wird, der die verlangte Einlassluftmenge an dem berechneten Soll-Betriebspunkt erfüllt, und der Drosselöffnungsgrad dazu gebracht wird, sich soweit bis zu dem Soll-Öffnungsgrad zu ändern, wie sich der Soll-Öffnungsgrad nicht in dem dreidimensionalen Nichteintrittsgebiet befindet.
Funkenzündungs-Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei, wenn sich die verlangte Einlassluftmenge ändert, der Drosselöffnungsgrad, wenn ein Drosselöffnungsgrad, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, zu dem dreidimensionalen Nichteintrittsgebiet würde, dazu gebracht wird, sich bis direkt vor dem Eintreten in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet zu ändern, und der Betriebspunkt, der die Kombination des mechanischen Verdichtungsverhältnisses, der Schließsteuerzeit des Einlassventils und des Drosselöffnungsgrads angibt, dann dazu gebracht wird, sich zu dem Betriebspunkt hin, der die verlangte Einlassluftmenge erfüllt, zu ändern, ohne in das dreidimensionale Nichteintrittsgebiet einzutreten.