DE112016001346T5

DE112016001346T5 - Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für Direkteinspritzmotor

Info

Publication number: DE112016001346T5
Application number: DE112016001346.9T
Authority: DE
Inventors: Kenji Uchida; Takeshi Nagasawa; Noriyuki Ota; Ryohei ONO; Kiyotaka Sato; Hidefumi Fujimoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: CN107407223A; DE112016001346B4; WO2016152101A1; US10309338B2; JP6172189B2; CN107407223B; JP2016180327A; US20180058366A1

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzventil (6) ist derart ausgelegt, dass sich das wirksame Öffnungsgebiet eines Einspritzanschlusses (61) vergrößert, wenn sich sein Hubmaß erhöht. Eine Kraftstoffeinspritzsteuereinheit (eine Motorsteuereinheit 100) spritzt Kraftstoff in einem Hubmaßänderungsmodus ein, wobei, wenn Kraftstoff in eine Verbrennungskammer (17) im Endzeitraum des Verdichtungshubes eingespritzt wird, das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils auf ein vorbestimmtes großes Hubmaß im früheren Zeitraum eines Einspritzzeitraums eingestellt wird, und im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums nach dem früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums das Hubmaß auf ein kleines Hubmaß eingestellt wird, das kleiner als das große Hubmaß ist und sich in einem Bereich befindet, in dem sich eine Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit erhöht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hierin offenbarte Technik betrifft eine Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für einen Direkteinspritzmotor.
STAND DER TECHNIK
Patentschrift 1 zeigt ein nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil, das Kraftstoff in die Form eines Hohlkegels in eine Verbrennungskammer eines Motors einspritzt. In dem sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil variiert ein wirksames Öffnungsgebiet einer Düsenöffnung, durch die der Kraftstoff eingespritzt wird, gemäß der Änderung in einem Hubmaß eines Ventilkörpers. Patentschrift 2 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Düse mit ventilbedeckter Mündung (VCO – valve covered orifice). Das Kraftstoffeinspritzventil mit VCO-Düse ist derart ausgelegt, dass ein Nadelventil direkt auf einem Sitzabschnitt aufsitzt, bei dem eine Düsenöffnung offen ist, um die Düsenöffnung zu schließen. Die Größe eines Hohlraumgebiets, das an der Innenumfangsfläche der Düsenöffnung erzeugt wird, variiert gemäß einem Hubmaß des Nadelventils. Im Kraftstoffeinspritzventil mit VCO-Düse, sowie in einer sich nach außen öffnenden Einspritzvorrichtung, variiert das wirksame Öffnungsgebiet der Düsenöffnung gemäß des Hubmaßes des Nadelventils.
Patentschrift 3 zeigt einen Direkteinspritzmotor, der mit einem sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt ist, das an der Mittelachse eines Zylinders angeordnet ist und Kraftstoff in die Form eines Hohlkegels einspritzt, wobei der Kraftstoff in der zweiten Hälfte eines Verdichtungshubs in den Zylinder eingespritzt wird, wodurch in der Verbrennungskammer eine Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und eine Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht gebildet wird. Der in der Patentdokument 3 offenbarte Motor verringert Kühlverlust durch Ermöglichen, dass die Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht als eine wärmeisolierende Schicht bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs dient.
Patentschrift 4 zeigt einen Verdichtungsselbstzündungsmotor, in dem eine Wandfläche, welche die Verbrennungskammer definiert, aus einem wärmeisolierenden Material hergestellt ist, um Kühlverlust in der Wandfläche der Verbrennungskammer zu verringern.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
PATENTSCHRIFT

Patentschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2008-151043
Patentschrift 2: Japanisches Patent Nr. 4194564
Patentschrift 3: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2013-57266
Patentschrift 4: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2009-243355

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Wie in Patentschrift 3 gezeigt, ist es von Vorteil, Kraftstoff in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs in die Verbrennungskammer einzuspritzen, wenn eine wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht gebildet werden wird. Es ist zu beachten, dass die zweite Hälfte des Verdichtungshubs die spätere Hälfte eines Verdichtungshubzeitraums bedeutet, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt wurde. Kraftstoff wird in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs eingespritzt, wodurch der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, der einen hohen Druck aufweist. Als ein Ergebnis verringert dies das Risiko, dass der Kraftstoffstrahl aufgrund eines zu langen Kraftstoffstrahls die Wandfläche der Verbrennungskammer erreicht. Zusätzlich ist die Zeit seit dem Ende der Einspritzung bis zum Beginn der Verbrennung kurz, was es der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht, die in der Verbrennungskammer gebildet wurde, erschwert, mit der wärmeisolierenden Gasschicht vermischt zu werden. Somit kann die wärmeisolierende Gasschicht zum Verbrennungszeitpunkt gesichert werden.
Eine Drehzahlerhöhung eines Motors senkt jedoch die Zeit, die benötigt wird, um einen Kurbelwinkel zu ändern. Dies senkt die Zeit nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung bis zur Zündung. Dies kann die Fähigkeit, eingespritzten Kraftstoff zu verdampfen und die Fähigkeit, Kraftstoff mit Luft zu mischen, verschlechtern. Dies kann zum Beispiel Rauch erzeugen.
Um diese Probleme anzugehen, kann der Beginn der Kraftstoffeinspritzung vorgezogen werden, wenn der Motor bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen hohen Drehzahlbereich fällt. Wenn die Kraftstoffeinspritzstartzeit jedoch vorgezogen wird, befindet sich der eingespritzte Kraftstoff in einem Zustand, in dem der Druck und die Temperatur im Zylinder niedrig sind. Deshalb ermöglicht dies dem Kraftstoffstrahl, leicht verteilt zu werden, wodurch dem Luft-Kraftstoff-Gemisch ermöglicht wird, die Wandfläche der Verbrennungskammer leicht zu erreichen. Als ein Ergebnis wird keine wärmeisolierende Gasschicht gebildet und der Kühlverlust wird nicht verringert.
Angesichts dieser Probleme, versucht die hierin offenbarte Technik, in einem Direkteinspritzmotor zuverlässig eine Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und eine wärmeisolierende Gasschicht in einer Verbrennungskammer zu bilden, während die Raucherzeugung verringert wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Zum Beispiel senkt in einem Kraftstoffeinspritzventil, wie einem sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil, das ausgelegt ist, ein wirksames Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses zu vergrößern, durch den Kraftstoff eingespritzt wird, wenn sich ein Hubmaß erhöht, eine Erhöhung des wirksamen Öffnungsgebietes des Einspritzanschlusses unter einer Bedingung, in welcher ein Kraftstoffdruck konstant ist, die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffs. Zusätzlich verursacht ein zu enges wirksames Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses Reibung zwischen der Wandfläche des Einspritzanschlusses und dem Kraftstoff, um erhöhten Einfluss auszuüben, wenn der Kraftstoff den Einspritzanschluss passiert. Dieser Fall senkt ebenfalls die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes. Somit gibt es ein Hubmaß, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes zugeordnet ist. Wenn ein Hubmaß größer oder kleiner als das Hubmaß ist, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit zugeordnet ist, wird die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes in beiden Fällen gesenkt. Dieses Hubmaß, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit zugordnet ist, ist relativ klein.
Wenn eine Erhöhung des Hubmaßes des Kraftstoffeinspritzventils das wirksame Öffnungsgebiet des Kraftstoffeinspritzventils zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung vergrößert, wird ein Widerstand auf den Kraftstoff, d. h. ein Anteil des Reibungswiderstandes der Wandfläche zur Strömungsrate des Kraftstoffes, verringert. Somit wird die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes nach dem Beginn des Kraftstoffstrahls schnell erhöht.
Wenn das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung erhöht wird, um die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes schnell zu erhöhen, und dann das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils gesenkt wird, während die Kraftstoffeinspritzung fortgeführt wird (das Hubmaß wird mit dem Hubmaß gesenkt, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit als Untergrenze zugeordnet ist), verhält sich der Strom des Kraftstoffes derart, dass die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes weiter ohne eine Senkung der Strömungsrate der Einspritzung aufgrund der Trägheitskraftwirkung erhöht wird. Auf diese Art wird der Kraftstoffstrahl mit einer hohen Geschwindigkeit in den Zylinder eingespritzt, wo der Druck und die Temperatur hoch sind, wodurch der Kraftstoffstrahl in die Verbrennungskammer geblasen wird, während er einen großen Widerstand erfährt. Als ein Ergebnis wird die Zerstäubung des Kraftstoffes erleichtert. Der zerstäubte Kraftstoff wird innerhalb eines kurzen Zeitraumes verdampft und ihm wird ermöglicht, ausreichend mit Luft gemischt zu werden. Dies ist vorteilhaft beim Verringern der Raucherzeugung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die hierin offenbarte Technik durch die Entdeckung entwickelt, dass Übernehmen einer derartigen Kraftstoffeinspritzweise eine Verringerung der Zeit nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung bis zur Zündung ermöglicht, und somit muss der Beginn der Kraftstoffeinspritzung nicht vorgezogen werden, selbst wenn z. B. der Motor bei einer Drehzahl betrieben wird, die in den hohen Drehzahlbereich fällt.
Konkret ist die hierin offenbarte Technik eine Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für einen Direkteinspritzmotor. Diese Vorrichtung beinhaltet: einen Motorblock, der eine Verbrennungskammer aufweist, die durch einen Deckenabschnitt eines Zylinderkopfes, einen Zylinder, der durch einen Zylinderblock bereitgestellt ist, und einen Kolben, der sich im Zylinder hin- und herbewegt, definiert ist; und eine Kraftstoffeinspritzsteuerung, die ein Kraftstoffeinspritzventil aufweist, das angeordnet ist, um flüssigen Kraftstoff in die Verbrennungskammer einzuspritzen, und ausgelegt ist, den Kraftstoff zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in die Verbrennungskammer einzuspritzen.
Das Kraftstoffeinspritzventil ist derart ausgelegt, dass ein wirksames Öffnungsgebiet eines Einspritzanschlusses, durch den der Kraftstoff eingespritzt wird, sich vergrößert, wenn sich ein Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils erhöht. Die Kraftstoffeinspritzsteuerung spritzt den Kraftstoff in einem Hubmaßänderungsmodus ein, in dem, wenn der Kraftstoff in einem Endzeitraum eines Verdichtungshubes in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils auf ein vorbestimmtes großes Hubmaß in einem früheren Zeitraum eines Einspritzzeitraums eingestellt wird, und in einem späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums nach dem früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums das Hubmaß auf ein kleines Hubmaß eingestellt wird, das kleiner als das große Hubmaß ist und sich in einem Bereich befindet, in dem sich eine Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit erhöht.
Der „Endzeitraum des Verdichtungshubes” ist als der Endzeitraum eines Verdichtungshubzeitraums definiert, der in drei Zeiträume aufgeteilt ist, nämlich den Startzeitraum, den Zwischenzeitraum und den Endzeitraum. Ebenso ist die hierin beschriebene Verbrennungskammer nicht auf den Innenraum des Zylinders begrenzt, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, sondern als eine Verbrennungskammer im weitesten Sinne des Wortes definiert, was der Raum ist, der durch den Deckenabschnitt des Zylinderkopfes, den Zylinder und den Kolben definiert ist, ungeachtet des Standortes des Kolbens. Außerdem meint der „frühere Zeitraum des Einspritzzeitraums” einen relativ früheren Teil des Einspritzzeitraums und ist nicht auf die erste Hälfte des Einspritzzeitraums begrenzt, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt ist. Gleichermaßen meint der „spätere Zeitraum des Einspritzzeitraums” einen relativ späteren Teil des Einspritzzeitraums und ist nicht auf die zweite Hälfte des Einspritzzeitraums begrenzt, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt ist.
Gemäß dieser Konfiguration, stellt die Kraftstoffeinspritzsteuerung, wenn der Kraftstoff im Endzeitraum des Verdichtungshubs eingespritzt wird, das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils auf das vorbestimmte große Hubmaß im früheren Zeitraum des Kraftstoffeinspritzzeitraums. Wie vorstehend beschrieben wird ein Anteil des Reibungswiderstands der Wandfläche zur Strömungsrate des Kraftstoffes verringert. Somit erhöht sich die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung schnell.
Nach der ausreichenden Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes ändert die Kraftstoffeinspritzsteuerung das Hubmaß auf das kleine Hubmaß, das kleiner als das große Hubmaß ist, während der Kraftstoff durchgehend eingespritzt wird. Als ein Ergebnis ist der Strom des Kraftstoffes derart, dass die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes weiter ohne eine Senkung der Strömungsrate der Einspritzung aufgrund der Trägheitskraftwirkung erhöht wird. Auf diese Art wird der Kraftstoffstrahl, der im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums eingespritzt wurde, in die Verbrennungskammer geblasen, während er einen großen Widerstand erfährt. Dies erleichtert somit die Zerstäubung des Kraftstoffes. Als ein Ergebnis enden, nach dem Ende der Kraftstoffeinspritzung, die Kraftstoffverdampfung und das Mischen von Kraftstoff und Luft schnell. Dies verringert die Raucherzeugung.
Dementsprechend ermöglicht die vorstehende Konfiguration, dass der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt dem oberen Verdichtungstotpunkt nahekommt. Die Konfiguration macht es somit außerdem möglich, den Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt zu verzögern. Deshalb kann die Kraftstoffeinspritzung begonnen werden, wenn der Druck und die Temperatur im Zylinder relativ hoch sind. Dies kann somit das Risiko verringern, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch die Wandfläche der Verbrennungskammer erreicht. Das bedeutet, dass dies zuverlässig die Bildung der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und der wärmeisolierenden Gasschicht in der Verbrennungskammer ermöglicht, während die Raucherzeugung verringert wird.
Die Kraftstoffeinspritzsteuerung kann den Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus einspritzen, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen vorbestimmten hohen Drehzahlbereich fällt, und kann den Kraftstoff in einem Modus einspritzen, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils im früheren und späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums konstant ist, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen niedrigen Drehzahlbereich fällt, in dem eine Drehzahl niedriger ist als in dem hohen Drehzahlbereich.
Wie vorstehend beschrieben ermöglicht die Kraftstoffeinspritzung im Hubmaßänderungsmodus, dass der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt dem oberen Verdichtungstotpunkt nahekommt. Somit ist dies vorteilhaft beim Verringern der Raucherzeugung, während die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und die wärmeisolierende Gasschicht in der Verbrennungskammer zuverlässig in einem Zustand gebildet werden, in dem der Motorblock bei der Drehzahl betrieben wird, die in den hohen Drehzahlbereich fällt.
Andererseits wird, wenn der Motorblock bei der Drehzahl betrieben wird, die in den niedrigen Drehzahlbereich fällt, die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern, verlängert. In diesem Zustand ist es nicht zwingend erforderlich, anders als bei der Drehzahl, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, dass die Zerstäubung des Kraftstoffes erleichtert wird, um die Kraftstoffverdampfung und das Mischen von Kraftstoff und Luft in einem kurzen Zeitraum abzuschließen. Deshalb wird, wenn der Motorblock bei der Drehzahl betrieben wird, die in den niedrigen Drehzahlbereich fällt, der Kraftstoff in dem Modus eingespritzt, in dem das Hubmaß im früheren und späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums konstant ist. Dies ermöglicht, dass sich die Einspritzgeschwindigkeit nicht plötzlich in der Mitte der Kraftstoffeinspritzung erhöht. Dies verringert somit das Risiko, dass sich der nachfolgend eingespritzte Kraftstoffstrahl mit dem vorher eingespritzten Kraftstoffstrahl überschneidet, um örtlich ein übermäßig konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden.
Im niedrigen Drehzahlbereich ist es unnötig, den Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt vorzuziehen. Es wird somit möglich, die Kraftstoffeinspritzung zu beginnen, nachdem der Druck und die Temperatur im Zylinder einen hohen Wert erreichen. Auf diese Art ist es möglich, wenn der Motorblock mit der Betriebsgeschwindigkeit betrieben wird, die in den niedrigen Drehzahlbereich fällt, zuverlässig die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und die wärmeisolierende Gasschicht in der Verbrennungskammer zu bilden, während die Raucherzeugung aufgrund der örtlichen Bildung eines übermäßig konzentrierten Luft-Kraftstoff-Gemisches verringert wird.
Die Kraftstoffeinspritzsteuerung führt eine Zweitstufeneinspritzung durch, in welcher der Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt wird, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen vorbestimmten hohen Drehzahlbereich fällt, und führt vor der Zweitstufeneinspritzung eine Erststufeneinspritzung durch, in welcher der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner als das große Hubmaß für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Zweitstufeneinspritzung ist.
Im Kraftstoffeinspritzventil, das derart ausgelegt ist, dass je größer das Hubmaß ist, desto größer das wirksame Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses, durch den der Kraftstoff wie vorstehend beschrieben eingespritzt wird, erhöht sich die Kraftstoffeinspritzungsgeschwindigkeit nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung schnell, wenn das Hubmaß erhöht wird, um das wirksame Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses zu erhöhen. Umgekehrt wird der Widerstand, der auf den Kraftstoff angewendet wird, erhöht, wenn das Hubmaß gesenkt wird, um das wirksame Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses zu verringern, und somit ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung erhöht. Mit derartigen Eigenschaften ermöglichen eine Erhöhung des Hubmaßes des Kraftstoffeinspritzventils und eine Senkung des Einspritzzeitraums der Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit, sich nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung schnell zu erhöhen. Die Einspritzgeschwindigkeit erreicht jedoch einen relativ niedrigen Wert. Andererseits ermöglichen ein Senken des Hubmaßes des Kraftstoffeinspritzventils und eine Erhöhung des Einspritzzeitraums dem Kraftstoff, bei einer niedrigen Geschwindigkeit sofort nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung eingespritzt zu werden. Die Einspritzgeschwindigkeit erreicht jedoch einen relativ hohen Wert im späteren Zeitraum.
Gemäß der vorstehenden Konfiguration wird die Kraftstoffeinspritzung, wenn der Motorblock bei der Betriebsgeschwindigkeit betrieben wird, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, zu mehreren Zeitpunkten, d. h. der Erststufeneinspritzung und Zweitstufeneinspritzung, durchgeführt. Wenn eine derartige Teileinspritzung durchgeführt wird, verringert eine Erhöhung der Zeitspanne zwischen den Einspritzungen (d. h. verlängern des Leerlaufzeitraums zwischen den Einspritzungen) das Risiko, dass sich der nachfolgend eingespritzte Kraftstoffstrahl mit dem vorher eingespritzten Kraftstoffstrahl überschneidet, um örtlich ein übermäßig konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Dies verringert die Raucherzeugung.
Eine Erhöhung der Motordrehzahl senkt jedoch die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern, wodurch der Leerlaufzeitraum zwischen den Einspritzungen gesenkt wird. Der Strahlstrom, der in der Verbrennungskammer durch die Kraftstoffeinspritzung gebildet wurde, die vom Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wurde, bezieht die umgebende Luft (oder Gas, darunter die Luft) ein. Die Senkung des Leerlaufzeitraums zwischen den Einspritzungen ermöglicht jedoch dem nachfolgend eingespritzten Kraftstoffstrahl, von dem Luftstrom angezogen zu werden, der durch den vorher eingespritzten Kraftstoffstrahl erzeugt wurde, wodurch dem nachfolgend eingespritzten Kraftstoffstrahl ermöglicht wird, sich mit dem vorher eingespritzten Kraftstoffstrahl zu überschneiden.
Die vorstehende Konfiguration verringert, wenn die Kraftstoffeinspritzung mehrere Male durchgeführt wird, das Risiko, dass die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht die Wandfläche der Verbrennungskammer erreicht, während das Risiko verringert wird, dass sich der nachfolgend eingespritzte Kraftstoffstrahl mit dem vorher eingespritzten Kraftstoffstrahl überschneidet. Konkret wird gemäß der vorstehenden Konfiguration die Erststufeneinspritzung, in der das Hubmaß niedrig und der Einspritzzeitraum lang ist, durchgeführt. Als ein Ergebnis ist die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit zunächst nach dem Beginn der Einspritzung langsam, wodurch es dem in der Erststufeneinspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl erschwert wird, geblasen zu werden. Da der Einspritzzeitpunkt in der Erststufeneinspritzung vorgezogen ist, wird das Risiko verringert, dass der Kraftstoffstrahl die Wandfläche des Kraftstoffeinspritzventils erreicht, obwohl der Druck und die Temperatur im Zylinder niedrig sind. Auf diese Art wird es möglich, dass die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht gebildet wird.
Die Zweitstufeneinspritzung, die nach der Erststufeneinspritzung durchgeführt wird, ist eine Kraftstoffeinspritzung, die im Hubmaßänderungsmodus durchgeführt wird. Deshalb ist das Hubmaß zu Beginn der Einspritzung relativ groß. Wie vorstehend beschrieben ist in der Zweitstufeneinspritzung die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit zunächst nach dem Beginn der Einspritzung hoch. Die Zweitstufeneinspritzung kann im Endzeitraum des Verdichtungshubs geeignet durchgeführt werden. Der Strahlstrom, der in der Verbrennungskammer durch die Kraftstoffeinspritzung in der Erststufeneinspritzung gebildet wurde, bezieht die umgebende Luft (oder Gas, darunter die Luft) ein. Die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit ist jedoch in der Zweitstufeneinspritzung hoch und somit ist es weniger wahrscheinlich, dass die Wirkung des Luftstroms durch die Einspritzung in der Erststufeneinspritzung bereitgestellt wird. Insbesondere ist das Risiko verringert, dass der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl durch die Luft angezogen wird und sich mit dem in der Erststufeneinspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl überschneidet, obwohl der Leerlaufzeitraum zwischen der Erststufeneinspritzung und der Zweitstufeneinspritzung im hohen Drehzahlbereich dazu neigt, kurz zu sein. Dies verringert die örtliche Bildung eines übermäßig konzentrierten Luft-Kraftstoff-Gemischs, wodurch die Raucherzeugung verringert wird.
Die zweite Einspritzung wird im Hubmaßänderungsmodus durchgeführt, und somit kann der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt dem oberen Verdichtungstotpunkt nahekommen. Es ist zu beachten, dass die Zweitstufeneinspritzung vorzugsweise zu dem Zeitpunkt endet, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, oder vor diesem Zeitpunkt endet. Der Leerlaufzeitraum zwischen der Erststufeneinspritzung und der Zweitstufeneinspritzung kann auch, wie vorstehend beschrieben, kurz sein. Dementsprechend ist es unnötig, den Einspritzstartzeitpunkt in der Erststufeneinspritzung vorzuziehen. Dies ist vorteilhaft beim Verringern des Risikos, dass der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl die Wandfläche der Verbrennungskammer erreicht.
Außerdem bezieht der Strahlstrom, der in der Verbrennungskammer durch die Kraftstoffeinspritzung gebildet wurde, die vom Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wurde, die umgebende Luft, wie vorstehend beschrieben, ein. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kraftstoffstrahl gespritzt, um sich vom Spitzenabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils auszubreiten. Die Luft gelangt jedoch weniger wahrscheinlich in einen Abschnitt um die Einspritzachse des Kraftstoffeinspritzventils, die sich innen vom eingespritzten Kraftstoffstrahl befindet. Je länger der Einspritzzeitraum ist, desto stärker der Unterdruck um die Einspritzachse des Kraftstoffeinspritzventils. Als ein Ergebnis kommt der Kraftstoffstrahl der Einspritzachse des Kraftstoffeinspritzventils aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kraftstoffstrahls nahe.
Der Einspritzzeitraum in der Erststufeneinspritzung ist relativ verlängert und somit neigt der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl dazu, sich aufgrund des vorstehend beschriebenen Druckunterschiedes relativ zu einer Winkelrichtung innen vom Strahlwinkel zu befinden. Im Gegensatz dazu ist der Einspritzzeitraum in der Zweitstufeneinspritzung relativ kurz und somit neigt der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl dazu, sich im Vergleich zum in der Erststufeneinspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl relativ zu der Winkelrichtung außen vom Strahlwinkel zu befinden. Auf diese Art werden der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl und der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl voneinander nicht nur in Einspritzrichtung, sondern auch in der Winkelrichtung des Kraftstoffstrahls versetzt. Auf diese Art wird das Risiko einer örtlichen Bildung eines übermäßig konzentrierten Luft-Kraftstoff-Gemischs verringert. Der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl ist auch in der Stellung von dem in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzten verschieden. Dies verbessert die Luftverwertungsrate in der Verbrennungskammer.
Als ein Ergebnis ist es möglich, wenn der Motorblock mit der Drehzahl betrieben wird, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und die wärmeisolierende Gasschicht in der Verbrennungskammer zuverlässig zu bilden, während die Raucherzeugung verringert wird.
Die Kraftstoffeinspritzsteuerung kann eine Erststufeneinspritzung in einem Modus durchführen, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils im früheren und späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums konstant ist, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen niedrigen Drehzahlbereich fällt, in dem eine Drehzahl geringer als im hohen Drehzahlbereich ist, und nach der Erststufeneinspritzung eine Zweitstufeneinspritzung durchführen, in dem der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner als in der Erststufeneinspritzung für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Erststufeneinspritzung ist.
Gemäß dieser Konfiguration wird, wenn der Motorblock bei der Drehzahl betrieben wird, die in den niedrigen Drehzahlbereich fällt, die Erststufeneinspritzung in einem Modus durchgeführt, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils im früheren und späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums konstant ist. In der Erststufeneinspritzung ist das Hubmaß höher als das in der Zweitstufeneinspritzung und der Einspritzzeitraum ist kürzer als der in der Zweitstufeneinspritzung. Mit einer derartigen Einspritzweise erhöht sich die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung in der Erststufeneinspritzung schnell. Der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl erreicht eine Stellung, die weit entfernt vom Kraftstoffeinspritzventil ist. Dies verbessert die Luftverwertungsrate in der Verbrennungskammer.
In der Erststufeneinspritzung ist das Hubmaß relativ groß und somit ist die Einspritzgeschwindigkeit nicht so hoch. Da der Motorblock auch bei einer niedrigen Drehzahl betrieben wird, kann ein langer Leerlaufzeitraum zwischen der Erststufeneinspritzung und der Zweitstufeneinspritzung gesichert werden. Deshalb kann der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt in der Erststufeneinspritzung verzögert sein. Ein Teil der oder die gesamte Erststufeneinspritzung kann in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs durchgeführt werden. Es ist zu beachten, dass die zweite Hälfte des Verdichtungshubs die spätere Hälfte eines Verdichtungshubzeitraums bedeutet, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt wurde. Eine derartige Weise ermöglicht dem Druck und der Temperatur im Zylinder in der Erststufeneinspritzung einen hohen Wert zu erreichen. Deshalb verringert dies einen zu langen Kraftstoffstrahl, was das Risiko verringert, dass der Kraftstoffstrahl die Wandfläche der Verbrennungskammer erreicht. Auf diese Art wird es möglich, dass die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht gebildet wird.
In der Zweitstufeneinspritzung ist das Hubmaß kleiner als das in der Erststufeneinspritzung und der Einspritzzeitraum ist länger als der in der Erststufeneinspritzung. Mit einer derartigen Einspritzweise ist, wie vorstehend beschrieben, in der Zweitstufeneinspritzung die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit zunächst nach dem Beginn der Einspritzung niedrig. Dies verringert das Risiko, dass der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl den in der Erststufeneinspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl erreicht. Außerdem wird, in dem niedrigen Drehzahlbereich nach einem langen Leerlaufzeitraum nach der Erststufeneinspritzung, die Zweitstufeneinspritzung durchgeführt. Deshalb verringert dies das Risiko, dass der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl vom Kraftstoffstrahl in einer anderen Einspritzung angezogen wird und sich mit diesem überschneidet. Auf diese Art werden der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl und der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl auch in Einspritzrichtung voneinander versetzt.
Wie vorstehend beschrieben werden auch der in der Erststufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl und der in der Zweitstufeneinspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl auch in Winkelrichtung des Strahlwinkels voneinander versetzt. Als ein Ergebnis wird Raucherzeugung verringert.
Die Kraftstoffeinspritzsteuerung kann den Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus im Endzeitraum des Verdichtungshubs einspritzten, wenn der Motorblock mit einer Last betreiben wird, die in einen Niederlastbereich fällt, in dem eine Last niedriger als eine vorbestimmte Last bei einer Drehzahl ist, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, und kann eine Zweitstufeneinspritzung durchführen, in welcher der Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt wird, wenn der Motorblock mit einer Last betrieben wird, die in einen Hochlastbereich fällt, in dem eine Last höher als die im Niederlastbereich bei einer Drehzahl ist, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, und vor der Zweitstufeneinspritzung eine Erststufeneinspritzung durchführen, in welcher der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner als das große Hubmaß für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Zweitstufeneinspritzung ist.
In dem niedrigen Drehzahlbereich ist die Kraftstoffeinspritzmenge relativ gesenkt. In einem Zustand, in dem die Last niedrig ist und die Drehzahl in den hohen Drehzahlbereich fällt, wird somit der Kraftstoff im Endzeitraum des Verdichtungshubs im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt. Das bedeutet, dass eine einstufige Einspritzung durchgeführt wird. Als ein Ergebnis werden, wie vorstehend beschrieben, die Kraftstoffverdampfung und das Mischen von Kraftstoff und Luft innerhalb eines kurzen Zeitraums durchgeführt, um die Bildung der wärmeisolierenden Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu ermöglichen, während die Raucherzeugung verringert wird.
Im Gegensatz dazu erhöht eine Erhöhung der Last im Motorblock die Kraftstoffeinspritzmenge. Wenn der Motorblock mit einer Last betrieben wird, die in einen Hochlastbereich fällt, in dem eine Last höher als die in einem Niederlastbereich bei einer Drehzahl ist, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, wird die Zweitstufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt wird, und vor der Zweitstufeneinspritzung wird eine Erststufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner ist als das große Hubmaß für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Zweitstufeneinspritzung ist. Das bedeutet, dass eine mehrstufige Einspritzung durchgeführt wird. Dies ermöglicht die Bildung der wärmeisolierenden Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht, während Raucherzeugung verringert wird, selbst wenn die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht wird.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Wie vorstehend beschrieben spritzt die Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für einen Direkteinspritzmotor den Kraftstoff im Endzeitraum des Verdichtungshubs im Hubmaßänderungsmodus in die Verbrennungskammer, wobei das Hubmaß im früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums auf das große Hubmaß und im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums auf das kleine Hubmaß eingestellt ist, wodurch die Zerstäubung des Kraftstoffs erleichtert wird. Dies ermöglicht die zuverlässige Bildung der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und der Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht in der Verbrennungskammer während die Raucherzeugung verringert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, welche die Konfiguration für einen Direkteinspritzmotor veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht, welche die Konfiguration einer Verbrennungskammer veranschaulicht.
3 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Hubmaß eines sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventils und dem wirksamen Öffnungsgebiet eines Einspritzanschlusses.
Die obere Figur von 4 zeigt einen Kraftstoffeinspritzweise mit einer niedrigen Last und in einem niedrigen Drehzahlbereich, und die untere Figur von 4 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise mit der niedrigen Last und in einem hohen Drehzahlbereich.
Die obere Figur von 5 zeigt eine Veränderung im Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils, und die untere Figur von 5 zeigt eine Veränderung in der Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit.
6 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls in der Verbrennungskammer mit der niedrigen Last und der niedrigen Drehzahl.
7 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls in der Verbrennungskammer mit der niedrigen Last und bei der hohen Drehzahl.
8 Die obere Figur von 8 zeigt einen Kraftstoffeinspritzweise mit einer mittleren Last und in einem niedrigen Drehzahlbereich, und die untere Figur von 8 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise mit der mittleren Last und im hohen Drehzahlbereich.
Die obere Figur von 9 zeigt einen Unterschied im Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils, und die untere Figur von 9 zeigt einen Unterschied in der Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit.
10 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls in der Verbrennungskammer mit der mittleren Last und bei der niedrigen Drehzahl.
11 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls in der Verbrennungskammer mit der mittleren Last und bei der hohen Drehzahl.
12 zeigt eine andere Kraftstoffeinspritzweise, die von der in 8 verschieden ist, und die obere Figur von 12 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise mit der mittleren Last und im niedrigen Drehzahlbereich, und die untere Figur von 12 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise mit der mittleren Last und im hohen Drehzahlbereich.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung ist veranschaulichend.
(Gesamte Konfiguration für Motor)
1 veranschaulicht die Konfiguration für einen Motor 1 gemäß einer Ausführungsform. Obwohl nicht veranschaulicht, ist eine Kurbelwelle 15 des Motors 1 durch ein Getriebe an Antriebsräder gekoppelt. Das Übertragen des Ausgangs des Motors 1 an die Antriebsräder treibt ein Fahrzeug an. In dieser Ausführungsform ist Benzin der Kraftstoff für den Motor 1. Der Kraftstoff kann jedoch zum Beispiel auch Benzin sein, das Bioethanol enthält. Die hierin offenbarte Technik kann allgemein auf Motoren angewendet werden, die unterschiedliche Arten von flüssigem Kraftstoff in Vormischungsverbrennungsmotoren verwenden, in denen Kraftstoff nach der Kraftstoffeinspritzung verdampft und entzündet wird.
Der Motor 1 beinhaltet einen Zylinderblock 12 und einen Zylinderkopf 13, der an den Zylinderblock 12 montiert ist. Eine Mehrzahl von Zylindern 11 ist in dem Zylinderblock 12 gebildet (nur einer dieser Zylinder ist in 1 veranschaulicht). Der Motor 1 ist ein Mehrzylindermotor. Obwohl nicht veranschaulicht, ist ein Wassermantel, durch den Kühlwasser läuft, in dem Zylinderblock 12 und dem Zylinderkopf 13 gebildet. Ein Kolben 16, der durch eine Pleuelstange 14 an die Kurbelwelle 15 gekoppelt ist, ist gleitbar in jeden der Zylinder 11 eingepasst. Der Kolben 16 definiert eine Verbrennungskammer 17 zusammen mit dem Zylinder 11 und dem Zylinderkopf 13.
In dieser Ausführungsform weist ein Deckenabschnitt 170 der Verbrennungskammer 17 (eine Unterseite des Zylinderkopfes 13) eine einlassseitig geneigte Fläche 171 und eine auslassseitig geneigte Fläche 172 auf, die nach oben in Richtung einer Mitte des Zylinders 11 geneigt sind. Die einlassseitig geneigte Fläche 171 ist mit einer Öffnung 180 eines Ansaugstutzens 18 bereitgestellt. Die auslassseitig geneigte Fläche 172 ist mit einer Öffnung 190 eines Auslassstutzens 19 bereitgestellt. Die Verbrennungskammer 17 ist eine pultdachförmige Verbrennungskammer. Es ist zu beachten, dass eine Firstlinie des Pultdaches entweder mit einer Bohrungsmitte des Zylinders 11 zusammenfallen kann oder nicht zusammenfallen kann. Wie in 2 veranschaulicht, weist die Oberseite 160 des Kolbens 16 geneigte Flächen 161 und 162 auf, die nach oben in Richtung der Mitte des Kolbens 16 einlassseitig bzw. auslassseitig geneigt sind, um der einlassseitig geneigten Fläche 171 und der auslassseitig geneigten Fläche 172 des Deckenabschnitts 170 zu entsprechen. Die Oberseite 160 ist derart angehoben, dass die geneigten Flächen 161 und 162 ein dreieckiges Dach bilden. Das geometrische Verdichtungsverhältnis des Motors 1 ist somit hoch eingestellt, d. h. gleich oder höher als 15. Die Oberseite 160 des Kolbens 16 weist einen vertieften Hohlraum 163 auf.
Obwohl nur einer der Ansaugstutzen in 1 veranschaulicht ist, sind tatsächlich zwei Ansaugstutzen 18 für den Zylinderkopf 13 jedes Zylinders 11 bereitgestellt. Die einlassseitig geneigte Fläche 171 des Zylinderkopfes 13 ist mit den Öffnungen 180 der beiden Ansaugstutzen 18 bereitgestellt, die nebeneinanderliegend entlang der Ausgangswelle des Motors (d. h. entlang der Kurbelwelle 15) angeordnet sind. Die Ansaugstutzen 18 sind mit der Verbrennungskammer 17 durch die entsprechenden Öffnungen 180 verbunden. Gleichermaßen sind zwei Auslassstutzen 19 für den Zylinderkopf 13 jedes Zylinders 11 bereitgestellt. Die auslassseitig geneigte Fläche 172 des Zylinderkopfes 13 ist mit den Öffnungen 190 der beiden Auslassstutzen 19 bereitgestellt, die nebeneinanderliegend entlang der Ausgangswelle des Motors angeordnet sind. Die Auslassstutzen 19 sind mit der Verbrennungskammer 17 durch die entsprechenden Öffnungen 190 verbunden.
Die Ansaugstutzen 18 sind jeweils mit einem Ansaugkanal 181 verbunden. Eine Drosselklappe 55, welche die Strömungsrate der Ansaugluft steuert, ist im Ansaugkanal 181 angeordnet. Die Auslassstutzen 19 sind jeweils mit einem Auslasskanal 191 verbunden. Obwohl nicht veranschaulicht, ist der Auslasskanal 191 mit einem Abgasreinigungssystem bereitgestellt, das einen oder mehrere katalytische Wandler aufweist. Der katalytische Wandler beinhaltet einen Dreiwegekatalysator. Der katalytische Wandler ist nicht auf den Dreiwegekatalysator begrenzt.
Der Zylinderkopf 13 ist mit einem Einlassventil 21 bereitgestellt, das den Ansaugstutzen 18 von der Verbrennungskammer 17 blockiert (d. h. die Verbrennungskammer 17 schließt). Das Einlassventil 21 wird durch einen Einlassventilantriebsmechanismus angetrieben. Der Zylinderkopf 13 ist außerdem mit einem Auslassventil 22 bereitgestellt, das den Auslassstutzen 19 von der Verbrennungskammer 17 blockiert. Das Auslassventil 22 wird durch einen Auslassventilantriebsmechanismus angetrieben. Das Einlassventil 21 bewegt sich zu einem vorbestimmten Zeitpunkt hin und her, um den Ansaugstutzen 18 zu öffnen und zu schließen. Das Auslassventil 22 bewegt sich zu einem vorbestimmten Zeitpunkt hin und her, um den Auslassstutzen 19 zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise wird Gas im Zylinder 11 ausgetauscht.
Obwohl nicht veranschaulicht, beinhaltet der Einlassventilantriebsmechanismus eine Einlassnockenwelle, die mit der Kurbelwelle 15 antriebsverbunden ist. Die Einlassnockenwelle dreht sich synchron mit der sich drehenden Kurbelwelle 15. Obwohl nicht veranschaulicht, beinhaltet der Auslassventilantriebsmechanismus eine Auslassnockenwelle, die mit der Kurbelwelle 15 antriebsverbunden ist. Die Auslassnockenwelle dreht sich synchron mit der sich drehenden Kurbelwelle 15.
In diesem Beispiel beinhaltet der Einlassventilantriebsmechanismus mindestens einen hydraulischen oder elektrischen variablen Ventilzeitsteuer-(VVT)-Mechanismus 23, der in der Lage ist, die Phase der Einlassnockenwelle innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs durchgehend zu ändern. Der Einlassventilantriebsmechanismus kann, zusätzlich zum VVT-Mechanismus 23, einen variablen Ventilhubmechanismus beinhalten, der in der Lage ist, ein Ventilhubmaß zu ändern.
In diesem Beispiel beinhaltet der Auslassventilantriebsmechanismus mindestens einen hydraulischen oder elektrischen variablen Ventilzeitsteuer-(VVT)-Mechanismus 24, der in der Lage ist, die Phase der Auslassnockenwelle innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs durchgehend zu ändern. Der Auslassventilantriebsmechanismus kann, zusätzlich zum VVT-Mechanismus 24, einen variablen Ventilhubmechanismus beinhalten, der in der Lage ist, ein Ventilhubmaß zu ändern.
Der variable Ventilhubmechanismus kann ein durchgehend variabler Ventilhub-(CVVL)-Mechanismus sein, der in der Lage ist, das Ventilhubmaß durchgehend zu ändern. Der Ventilantriebsmechanismus, der das Einlassventil 21 und das Auslassventil 22 antreibt, kann von jeder Art sein. Beispiele annehmbarer Ventilantriebsmechanismen beinhalten hydraulische und elektromagnetische Antriebsmechanismen.
Wie in einem vergrößerten Maßstab in 2 veranschaulicht, ist ein Kraftstoffeinspritzventil 6, das Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 17 einspritzt, am Zylinderkopf 13 angebracht. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 ist an der Firstlinie des Pultdaches angeordnet, an der die einlassseitig geneigten Fläche 171 und die auslassseitig geneigte Fläche 172 aufeinandertreffen. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 weist eine Einspritzachse S, die sich entlang der Achse des Zylinders 11 erstreckt, und eine Düsenspitze auf, die auf einen Innenraum der Verbrennungskammer 17 gerichtet ist. Die Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 kann mit der Achse des Zylinders 11 zusammenfallen oder zu ihr verschoben sein.
Der Hohlraum 163 des Kolbens 16 ist bereitgestellt, um auf das Kraftstoffeinspritzventil 6 gerichtet zu sein. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 spritzt Kraftstoff in den Hohlraum 163 ein.
Das Kraftstoffeinspritzventil 6 hier ist ein sich nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil. Das sich nach außen öffnende Kraftstoffeinspritzventil 6 beinhaltet einen Düsenkörper 60, der einen Einspritzanschluss 61, durch den Kraftstoff eingespritzt wird, und ein sich nach außen öffnendes Ventil 62 aufweist, das den Einspritzanschluss 61 öffnet/schließt, während der Spitzenabschnitt davon in einem vergrößertem Maßstab in 3 veranschaulicht ist.
Der Düsenkörper 60 weist eine röhrenförmige Form auf und ermöglicht dem Kraftstoff, durch das Innere des Düsenkörpers 60 zu strömen. Der Einspritzanschluss 61 ist am Spitzenabschnitt des Düsenkörpers 60 bereitgestellt. Der Einspritzanschluss 61 ist derart konisch, dass sich sein Durchmesser in Richtung der Spitze zunehmend erhöht.
Das sich nach außen öffnende Ventil 62 weist einen Ventilkörper 63 und einen Verbindungsabschnitt 64 auf. Der Ventilkörper 63 ist der Außenseite des Düsenkörpers 60 von der Spitze des Düsenkörpers 60 ausgesetzt. Der Verbindungsabschnitt 64 erstreckt sich vom Ventilkörper 63, passiert das Innere des Düsenkörpers 60 und ist mit einem piezoelektrischen Element verbunden, das nicht veranschaulicht ist. Der Ventilkörper 63 weist einen Sitzabschnitt 65 auf, der im Wesentlichen die gleiche Form aufweist, wie der konische Einspritzanschluss 61. Ein durchmesserverringernder Abschnitt 66 ist zwischen dem Sitzabschnitt 65 und dem Verbindungsabschnitt 64 des Ventilkörpers 63 eingeschoben. Wie in 3 veranschaulicht, unterscheidet sich die Neigung zwischen dem durchmesserverringernden Abschnitt 66 und dem Sitzabschnitt 65 und der durchmesserverringernde Abschnitt 66, der sich vom proximalen Ende in Richtung der Spitze erstreckt, neigt sich sanfter als der Sitzabschnitt 65.
Wie durch die Strich-Punkt-Punkt-Linie in 3 angezeigt, ist der Einspritzanschluss 61 geschlossen, wenn der Sitzabschnitt 65 am Einspritzanschluss 61 anliegt. Das piezoelektrische Element wird durch Anlegen einer Spannung verformt, wodurch das sich nach außen öffnende Ventil 62 nach außen entlang der Einspritzachse S gehoben wird. Entlang dieser bewegt sich der Sitzabschnitt 65, wie durch die durchgehende Linie in 3 angezeigt, weg vom Einspritzdurchlass 61, um dem Einspritzanschluss 61 zu ermöglichen, geöffnet zu werden. Wenn der Einspritzanschluss 61 geöffnet ist, wird der Kraftstoff vom Einspritzanschluss 61 in eine Richtung eingespritzt, die im Hinblick auf die Einspritzachse S geneigt ist, und die den Kraftstoff veranlasst, sich radial von der Einspritzachse S nach außen auszubreiten. Der Kraftstoff ist in Form eines Hohlkegels mit der Einspritzachse S als seine Mittelachse eingespritzt. Wenn das Anlegen der Spannung an das piezoelektrische Element endet, kehrt das piezoelektrische Element zu seiner Originalform zurück, so dass der Sitzabschnitt 65 des sich nach außen öffnenden Ventils 62 am Einspritzanschluss 61 anliegt, um den Einspritzanschluss 61 wieder zu schließen.
Wenn die am piezoelektrischen Element angelegte Spannung erhöht wird, erhöht sich das Hubmaß des sich nach außen öffnenden Ventils 62 von dem Zustand des Schließens des Einspritzanschlusses 61. Aus 3 wird klar, dass je größer das Hubmaß ist, desto größer wird der Öffnungsgrad (d. h. das wirksame Öffnungsgebiet) des Einspritzanschlusses 61. Das wirksame Öffnungsgebiet wird durch die Entfernung zwischen dem Einspritzanschluss 61 und dem Sitzabschnitt 65 definiert. Je größer das Hubmaß, desto größer wird die Größe der Partikel des Kraftstoffes, der vom Einspritzanschluss 61 in die Verbrennungskammer 17 gespritzt wird. Umgekehrt gilt, je kleiner das Hubmaß ist, desto kleiner wird die Größe der Partikel des Kraftstoffes, der vom Einspritzanschluss 61 in die Verbrennungskammer 17 gespritzt wird. Wenn Kraftstoff den Einspritzanschluss 61 passiert, strömt er entlang des durchmesserverringernden Abschnitts 66. Je größer das Hubmaß ist, desto enger wird der Strahlwinkel (d. h. der Kegelwinkel des Hohlkegels) des Kraftstoffes, da sich der durchmesserverringernde Abschnitt 66 vom Einspritzanschluss 61 wegbewegt. Je kleiner das Hubmaß ist, desto breiter wird der Strahlwinkel (d. h. der Kegelwinkel des Hohlkegels) des Kraftstoffes, da sich der durchmesserverringernde Abschnitt 66 auf den Einspritzanschluss 61 zu bewegt.
Wenn der Kraftstoffdruck konstant ist, gilt, je größer das wirksame Öffnungsgebiet ist, desto langsamer wird die Einspritzgeschwindigkeit. Umgekehrt gilt, je kleiner das wirksame Öffnungsgebiet ist, desto schneller wird die Einspritzgeschwindigkeit. Wenn das wirksame Öffnungsgebiet jedoch zu klein wird, erhöht sich die Reibungswiderstandwirkung des Kraftstoffes von der Wandfläche des Einspritzanschlusses, was zu einer Senkung der Einspritzgeschwindigkeit führt. Somit gibt es ein Hubmaß, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes zugeordnet ist. Wenn ein Hubmaß größer oder kleiner als das Hubmaß ist, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit zugeordnet ist, wird die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes in beiden Fällen gesenkt. Dieses Hubmaß, das der schnellsten Einspritzgeschwindigkeit zugordnet ist, ist relativ klein.
Wie in 2 veranschaulicht, ist der Deckenabschnitt 170 des Zylinderkopfes 13 mit einer Vertiefung 173 bereitgestellt, die von der Deckenfläche davon vertieft ist, und der Spitzenabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils 6 ist in der Vertiefung 173 untergebracht. Die Innenumfangsfläche der Vertiefung 173 ist derart geneigt, dass die Vertiefung 173 einen Durchmesser aufweist, der sich in Richtung des Inneren der Verbrennungskammer 17 erhöht. Das Anordnen des Spitzenabschnitts des Kraftstoffeinspritzventils 6 an einer Stellung weg von der Deckenfläche des Zylinderkopfes 13 kann eine Entfernung zwischen der Oberseite 160 des Kolbens 16 und dem Spitzenabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils 6 schaffen, die so breit wie möglich ist, wenn der Kolben 16 einen oberen Totpunkt erreicht, während das geometrische Verdichtungsverhältnis erhöht ist. Die ist vorteilhaft beim Bilden einer wärmeisolierenden Gasschicht um eine Luft-Kraftstoff-Gemischschicht, was später beschrieben wird. Die Erhöhung der Entfernung zwischen der Innenumfangsfläche der Vertiefung 173 und dem Spitzenabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils 6 schafft die Möglichkeit, das Risiko zu verringern, dass der Kraftstoffstrahl, der vom Kraftstoffeinspritzventil 6 eingespritzt wurde, aufgrund eines Coanda-Effekts an der Deckenfläche des Zylinderkopfes 13 haftet.
Ein Kraftstoffzufuhrsystem 57 beinhaltet eine elektrische Schaltung zum Antreiben des sich nach außen öffnenden Ventils 62 und eines Kraftstoffzufuhrsystems, das den Kraftstoff dem Kraftstoffeinspritzventil 6 zuführt. Die Motorsteuerung 100 gibt zu einem vorbestimmten Zeitpunkt ein Einspritzsignal mit einer Spannung, die dem Hubmaß entspricht, an die elektrische Schaltung aus, wodurch, über die elektrische Schaltung, das sich nach außen öffnende Ventil 62 betrieben wird, sodass eine gewünschte Menge des Kraftstoffes in den Zylinder eingespritzt wird. Wenn das Einspritzsignal nicht ausgegeben wird (d. h. wenn das Einspritzsignal eine Spannung von Null aufweist), wird der Einspritzanschluss 61 durch das sich nach außen öffnende Ventil 62 geschlossen. Auf diese Weise wird der Betrieb des piezoelektrischen Elements durch das Einspritzsignal von der Motorsteuerung 100 gesteuert. Die Motorsteuerung 100 steuert den Betrieb des piezoelektrischen Elements, wodurch die Kraftstoffeinspritzung vom Einspritzanschluss 61 des Kraftstoffeinspritzventils 6 und das Hubmaß bei der Kraftstoffeinspritzung gesteuert werden. Das piezoelektrische Element ist reaktionsschnell und zu einer mehrstufigen Einspritzung, z. B. ungefähr zwanzig Einspritzungen in einem Zeitraum von 1–2 ms, in der Lage. Die Mittel zum Antreiben des sich nach außen öffnenden Ventils 62 sind jedoch nicht auf das piezoelektrische Element begrenzt.
Obwohl nicht gezeigt, ist das Kraftstoffzufuhrsystem mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe und einer gemeinsamen Leitung bereitgestellt. Die Hochdruckkraftstoffpumpe führt den Kraftstoff, der von einem Kraftstofftank zugeführt wird, unter Druck durch eine Niederdruckkraftstoffpumpe einer gemeinsamen Leitung zu, die den unter Druck zugeführten Kraftstoff bei einem vorbestimmten Kraftstoffdruck speichert. Dann wird das Kraftstoffeinspritzventil 6 betrieben (d. h. das sich nach außen öffnende Ventil 62 wird angehoben) um den in der gemeinsamen Leitung gespeicherten Kraftstoff vom Einspritzanschluss 61 einzuspritzen. Die Motorsteuerung 100 und das Kraftstoffeinspritzventil 6 stellen eine Kraftstoffeinspritzsteuerung dar.
Die Kraftstoffeinspritzsteuerung ist derart ausgelegt, dass eine Luft-Kraftstoff-Gemischschicht (brennbar) und eine wärmeisolierende Gasschicht, welche die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht umgibt, in der Verbrennungskammer 17 (d. h. im Hohlraum 163) gebildet werden können, wie konzeptuell gezeigt in 2. Die Kraftstoffeinspritzsteuerung wird später ausgeführt.
Dieser Motor 1 ist ausgelegt, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das im Zylinder 11 gebildet wurde, praktisch in einem Gesamtbetriebsbereich durch Verdichtungszündung (d. h. gesteuerte Selbstzündung (CAI – controlled auto ignition)) zu verbrennen. Der Motor 1 beinhaltet ein Zündungsunterstützungssystem 56 zum Unterstützen der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer vorbestimmten Umgebung. Das Zündungsunterstützungssystem 56 kann z. B. ein Entladungsstecker sein, der so angeordnet ist, dass er auf das Innere der Verbrennungskammer 17 gerichtet ist. Konkret wird ein hochspannungsgesteuerter Impuls auf eine Elektrode des Entladungssteckers derart angewendet, dass eine ultrakurze pulsierte elektrische Entladung erzeugt wird, wodurch eine Streamerentladung in der Verbrennungskammer 17 erzeugt wird und Ozon im Zylinder erzeugt wird. Das Ozon unterstützt CAI. Das Zündungsunterstützungssystem ist nicht auf den Ozon erzeugenden Entladungsstecker begrenzt und kann eine Zündkerze sein, die durch Funkenentladung Energie an das Luft-Kraftstoff-Gemisch überträgt, um CAI zu unterstützen.
Die Motorsteuerung 100 ist eine Steuerung, die einen bekannten Mikrocomputer als eine Basis beinhaltet. Die Motorsteuerung 100 beinhaltet eine zentrale Recheneinheit (CPU – central processing unit), die Programme ausführt, einen Speicher, der zum Beispiel als ein RAM und ein ROM ausgelegt ist und Programme und Daten speichert, und einen Eingangs- und Ausgangs-Bus (I/O-Bus – input/output-Bus), der elektrische Signale eingibt und ausgibt.
Die Motorsteuerung 100 empfängt mindestens ein Signal, das eine Strömungsrate von Ansaugluft von einem Luftstromsensor 51 anzeigt, ein Kurbelwinkelimpulssignal von einem Kurbelwinkelsensor 52, ein Gaspedalstellungssignal von einem Gaspedalstellungssensor 53, der den Niederdrückungsgrad des Gaspedals erfasst, und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 54. Auf Grundlage dieser Eingangssignale berechnet die Motorsteuerung 100 Parameter zum Steuern des Motors 1, wie zum Beispiel ein gewünschtes Drosselstellungssignal, einen Kraftstoffeinspritzimpuls, ein Zündungsunterstützungssignal und ein Ventilphasenwinkelsignal. Dann gibt die Motorsteuerung 100 diese Signale an z. B. die Drosselklappe 55 (genauer, einen Drosselaktor, der die Drosselklappe 55 betreibt), VTTs 23, 24, das Kraftstoffzufuhrsystem 57 und das Zündungsunterstützungssystem 56 aus.
Wie vorstehend beschrieben ist das geometrische Verdichtungsverhältnis ε dieses Motors 1 auf gleich oder höher als 15 eingestellt. Das geometrische Verdichtungsverhältnis kann geeigneterweise weniger als oder gleich 40 sein, und ist vorzugsweise gleich oder höher als 20 und gleich oder niedriger als 35. Der Motor 1 weist eine derartige Konfiguration auf, dass je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto höher ist das Ausdehnungsverhältnis. Somit weist der Motor 1 ein hohes Verdichtungsverhältnis und zur gleichen Zeit ein relativ hohes Ausdehnungsverhältnis auf. Das hohe geometrische Verdichtungsverhältnis stabilisiert die CAI-Verbrennung.
Die Verbrennungskammer 17 ist durch die Innenumfangsfläche des Zylinders 11, die Oberseite 160 des Kolbens 16, die Unterseite (d. h. den Deckenabschnitt 170) des Zylinderkopfes 13 und die Ventilkopfflächen des Einlassventils 21 und des Auslassventils 22 definiert. Wärmeschutzschichten sind an den vorstehend genannten definierenden Flächen bereitgestellt, um den Kühlverlust zu verringern. Mit diesen Schichten, ist die Verbrennungskammer 17 wärmegeschützt. Die Wärmeschutzschichten können an allen oder Teilen der definierenden Flächen bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann die Wärmeschutzschicht auch an den Wandflächen des Ansaugstutzens 18 und des Auslassstutzens 19 nahe den Öffnungen am Deckenabschnitt 170 der Verbrennungskammer 17 bereitgestellt sein, obwohl derartige Wandflächen nicht die Wandflächen sind, welche die Verbrennungskammer 17 direkt definieren.
Diese Wärmeschutzschichten sind gestaltet, niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Metallgrundmaterial aufzuweisen, das die Verbrennungskammer 17 bildet, um die Ableitung der Wärme des Verbrennungsgases in der Verbrennungskammer 17 durch die definierenden Flächen zu verringern.
Die Wärmeschutzschichten weisen vorzugsweise niedrigere volumetrische konkrete Wärme als das Grundmaterial auf, um den Kühlverlust zu verringern. Konkret ist es bevorzugt, die Wärmeleistung der Wärmeschutzschichten zu verringern, um der Temperatur der definierenden Flächen der Verbrennungskammer 17 Abweichungen gemäß einer Änderung der Gastemperatur in der Verbrennungskammer 17 zu ermöglichen.
Die Wärmeschutzschichten können gebildet werden, indem das Grundmaterial mit einem keramischen Material, wie zum Beispiel ZrO₂, durch Plasmasprühbeschichtung beschichtet wird. Das keramische Material kann eine große Anzahl von Poren enthalten. Dies ermöglicht weiteres Verringern der Wärmeleitfähigkeit und der volumetrischen konkreten Wärme der Wärmeschutzschichten.
In dieser Ausführungsform verringert eine wärmeisolierende Schicht (d. h. eine Gasschicht), die in der Verbrennungskammer 17 gebildet wurde, zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Wärmeschutzstruktur der Verbrennungskammer 17, den Kühlverlust deutlich.
Konkret wird Kraftstoff während und nach einem Verdichtungshub derart durch die Düsenspitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 in den Hohlraum 163 eingespritzt, dass eine Gasschicht, darunter Frischluft, in einem Außenumfangsabschnitt der Verbrennungskammer 17 gebildet wird und eine Luft-Kraftstoff-Gemischschicht in einem Mittelabschnitt der Verbrennungskammer 17 gebildet wird. Dadurch wird, wie in 2 veranschaulicht, die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht im Mittelabschnitt des Hohlraums 163 nahe des Kraftstoffeinspritzventils 6 gebildet und eine wärmeisolierende Gasschicht, die Frischluft enthält, wird gebildet, um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu umgeben. Die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht kann, so wie sie hier verwendet wird, eine Schicht sein, die aus einem brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisch besteht. Das brennbare Luft-Kraftstoff-Gemisch kann zum Beispiel als ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Äquivalenzverhältnis φ von höher als oder gleich 0,1 definiert sein. Der Kraftstoffstrahl breitet sich mit der Zeit nach dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung aus. Die Größe der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht, die hier verwendet wird, ist die Größe zum Zeitpunkt der Zündung. Die Zündung wird als Zündung angesehen, wenn zum Beispiel ein Kraftstoffverbrennungsmasseverhältnis in 1% oder mehr umgewandelt wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird zu einem Zeitpunkt gezündet, wenn sich der Kolben nahe dem oberen Verdichtungstotpunkt befindet.
Die wärmeisolierende Gasschicht kann nur Frischluft enthalten, oder kann Rauchgas (d. h. AGR-Gas) zusätzlich zur Frischluft enthalten. Eine kleine Menge von Kraftstoff kann in die wärmeisolierende Gasschicht gemischt sein, ohne ein Problem zu verursachen. Um als eine wärmeisolierende Schicht zu fungieren, ist es lediglich notwendig, dass die wärmeisolierende Gasschicht kraftstoffmagerer als die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht ist.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch CAI-Verbrennung mit der wie vorstehend beschrieben gebildeten wärmeisolierenden Gasschicht und Luft-Kraftstoff-Gemischschicht verbrannt wird, verringert die wärmeisolierende Gasschicht zwischen der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und der Wandfläche des Zylinders 11 das Risiko, dass Flammen der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht die Wandfläche des Zylinders 11 erreichen. Die wärmeisolierende Gasschicht dient als eine wärmeisolierende Schicht und verringert daher das Risiko, dass Wärme von den Wandflächen des Zylinders 11 abgeleitet wird. Als ein Ergebnis kann der Kühlverlust deutlich verringert werden.
Lediglich den Kühlverlust zu verringern, trägt nicht im großen Maße zur Verbesserung des angezeigten thermischen Wirkungsgrades bei, da der verringerte Kühlverlust in den Abgasverlust umgewandelt wird. Aufgrund einer Erhöhung des Ausdehnungsverhältnisses, das eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses begleitet, wandelt der Motor 1 jedoch die Energie des Verbrennungsgases, das dem verringerten Kühlverlust entspricht, in mechanische Arbeit um. Das heißt, dass der Motor 1 den thermischen Wirkungsgrad deutlich verbessert, was durch das Einsetzen einer Struktur angezeigt wird, die sowohl den Kühlverlust als auch den Abgasverlust verringert.
Um eine derartige Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und eine derartige wärmeisolierende Gasschicht in der Verbrennungskammer 17 zu bilden, ist die Gasstromintensität in der Verbrennungskammer 17 nutzbringend niedrig, wenn der Kraftstoff eingespritzt wird. Somit weisen die Ansaugstutzen eine gerade Form auf, die einen Strudel daran hindert, sich in der Verbrennungskammer 17 zu bilden, oder es einem Strudel erschwert, sich zu bilden, und so gestaltet ist, dass sie die Intensität einer Tumbleströmung minimiert.
(Detail der Kraftstoffeinspritzsteuerung)
Der Zeitpunkt, an dem der Kraftstoff in die Verbrennungskammer 17 eingespritzt wird, um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und die wärmeisolierende Gasschicht in der Verbrennungskammer 17 zu bilden, ist vorzugsweise eine zweite Halft des Verdichtungshubs. Die „zweite Hälfte des Verdichtungshubs” ist als die spätere Hälfte eines Verdichtungshubzeitraums definiert, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt wurde. In der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs sind der Druck und die Temperatur im Zylinder 11 erhöht. Dies ermöglicht das Verringern des Risikos, dass der Kraftstoffstrahl aufgrund eines zu langem Kraftstoffstrahl die Wandfläche der Verbrennungskammer 17 erreicht. Zusätzlich ist eine Zeit vom Ende der Kraftstoffeinspritzung bis zum Beginn der Verbrennung relativ verkürzt. Die erschwert die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und die wärmeisolierende Gasschicht, die in der Verbrennungskammer 17 gebildet sind, miteinander zu vermischen, wodurch ermöglicht wird, dass die wärmeisolierende Gasschicht bei der Verbrennung gesichert wird.
Die benötigte Zeit, um den Kurbelwinkel zu ändern, wenn der Motor 1 bei einer niedrigen Drehzahl betrieben wird, ist lang. Somit ist es möglich, sogar wenn der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt aufgrund der Kraftstoffeinspritzung in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs nahe dem oberen Verdichtungstodpunkt ist, vor dem Beginn der Zündung Zeit für Kraftstoffverdampfung und Mischen von Luft und Kraftstoff aufzuweisen. Eine Drehzahlerhöhung des Motors 1 senkt jedoch die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern. Wenn der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt dem oberen Verdichtungstodpunkt nahekommt, wird die Zeit nach dem Einspritzende und vor der Zündung verkürzt. Als ein Ergebnis kann der Kraftstoff nicht ausreichend verdampft werden und die Luft und der Kraftstoff können nicht ausreichend vermischt werden. Dies kann Raucherzeugung verursachen.
Wenn der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt andererseits vorgezogen werden soll, um den Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt vorzuziehen, wird der Kraftstoff in den Zylinder 11 eingespritzt, wobei der Zylinder 11 den niedrigen Druck und die niedrige Temperatur aufweist. In diesem Fall neigt der Kraftstoffstrahl dazu, die Wandfläche der Verbrennungskammer 17 zu erreichen.
Der Motor 1 spritzt den Kraftstoff in einer speziell gestalteten Weise ein, um zuverlässig eine wärmeisolierende Gasschicht um eine Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu bilden, während Raucherzeugung verringert wird, selbst wenn der Motor 1 bei einer Drehzahl betrieben wird, die in eine hohe Drehzahl fällt. Konkret veranschaulicht 4 ein Kraftstoffeinspritzweise in einem Niederlastbereich, in dem die Menge des eingespritzten Kraftstoffs relativ klein ist. In 4 steht die horizontale Achse für den Kurbelwinkel und die vertikale Achse steht für das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6. Die obere Figur von 4 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise, in welcher der Motor 1 bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen niedrigen Drehzahlbereich fällt. Im niedrigen Drehzahlbereich wird Kraftstoff mit einem vorbestimmten Hubmaß für einen vorbestimmten Einspritzzeitraum eingespritzt. Eine Wellenform, die eine Änderung des Hubmaßes relativ zum Kurbelwinkel anzeigt, weist eine Trapezform auf. Die Kraftstoffeinspritzung ist darauf eingestellt, bei einem vorbestimmten Zeitpunkt in einem Endzeitraum des Verdichtungshubs zu beginnen. Der Endzeitraum des Verdichtungshubes ist als der Endzeitraum des Verdichtungshubzeitraums definiert, der in drei Zeiträume aufgeteilt ist, nämlich den Startzeitraum, den Zwischenzeitraum und den Endzeitraum. Im niedrigen Drehzahlbereich ist es wie vorstehend beschrieben möglich, selbst wenn der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt dem oberen Verdichtungstodpunkt nahekommt, eine Zeit zur Kraftstoffverdampfung und Mischen von Luft und Kraftstoff aufzuweisen. Deshalb ist die Kraftstoffeinspritzung im niedrigen Drehzahlbereich so eingestellt, dass sie zu einem relativ verzögerten Zeitpunkt beginnt.
6 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, der in die Verbrennungskammer 17 in der Kraftstoffeinspritzweise, die in der oberen Figur von 4 gezeigt ist, eingespritzt wurde. Wie vorstehend beschrieben, sind der Druck und die Temperatur im Zylinder 11 relativ hoch, da die Kraftstoffeinspritzung so eingestellt ist, dass sie zu einem relativ verzögerten Zeitpunkt beginnt. Dies verringert den zu langen Kraftstoffstrahl der vom Kraftstoffeinspritzventil 6 mit einem vorbestimmten Strahlwinkel eingespritzt wird. Als ein Ergebnis verringert dies das Risiko, dass der Kraftstoffstrahl die Wandfläche der Verbrennungskammer 17 erreicht. Dies ermöglicht das Bilden der wärmeisolierenden Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht.
Die untere Figur von 4 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise, in welcher der Motor 1 bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen hohen Drehzahlbereich fällt, in dem die Drehzahl höher als die in dem vorstehenden niedrigen Drehzahlbereich ist. Es ist zu beachten, dass die Kraftstoffeinspritzmenge in der oberen Figur von 4 die gleiche ist, wie die in der unteren Figur von 4. Das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 und der Kraftstoffeinspritzzeitraum im niedrigen Drehzahlbereich können die gleichen wie die im hohen Drehzahlbereich sein oder von diesen verschieden sein. Im hohen Drehzahlbereich, wird der Kraftstoff, im Gegensatz zum niedrigen Drehzahlbereich, in einem Hubmaßänderungsmodus eingespritzt, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 in der Mitte des Kraftstoffeinspritzzeitraums geändert wird. Die Kraftstoffeinspritzung ist darauf eingestellt, bei einem vorbestimmten Zeitpunkt in einem Endzeitraum des Verdichtungshubs zu beginnen. Der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt ist im hohen Drehzahlbereich im Hinblick auf den niedrigen Drehzahlbereich vorgezogen. Dies ist der Fall, weil in Anbetracht der Kraftstoffverdampfung und des Mischens von Kraftstoff und Luft im hohen Drehzahlbereich der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt so weit wie möglich von dem Zeitpunkt des Erreichens des oberen Verdichtungstodpunktes entfernt ist.
5 zeigt im Hubmaßänderungsmodus eine Änderung in einem Hubmaß im Kraftstoffeinspritzventil 6 (die obere Figur aus 5) und eine Änderung in der Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes (die untere Figur aus 5). Wie in 3 veranschaulicht: Je größer das Hubmaß im sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil 6 ist, desto größer wird das wirksame Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses 61. Zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung ermöglicht das Verringern der Wirkung des Widerstands durch Erhöhen des wirksamen Öffnungsgebiets, dass sich die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes schnell erhöht. Wenn die Kraftstoffeinspritzung mit einem relativ großen Hubmaß, wie durch die durchgehende Linie in der oberen Figur aus 5 (siehe Zeitpunkte T₀–T₁) angezeigt, begonnen wird, erhöht sich die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes schnell, wie durch die durchgehende Linie in der unteren Figur von 5 angezeigt. Im Hubmaßänderungsmodus ist das Hubmaß so eingestellt, dass es in einem früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums groß ist. Es ist zu beachten, dass der „frühere Zeitraum des Einspritzzeitraums” einen relativ früheren Teil des Einspritzzeitraums meint und nicht auf die erste Hälfte des Einspritzzeitraums begrenzt ist, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt ist.
Im Gegensatz zum Hubmaßänderungsmodus, in dem das Hubmaß zu Beginn der Einspritzung groß ist, erhöht sich die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit langsam, wie durch die gestrichelte Linie in der unteren Figur von 5 angezeigt, wenn das Hubmaß, wie durch die gestrichelte Linie in der oberen Figur von 5 angezeigt, gesenkt wird.
Nachdem die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes im Hubmaßänderungsmodus ausreichend erhöht ist, wird der Kraftstoff durchgehend eingespritzt, während das Hubmaß auf ein kleines Hubmaß verändert wird, das kleiner ist als das große Hubmaß, wie durch die durchgehende Linie in der oberen Figur von 5 gezeigt. Dieses kleine Hubmaß kann als angemessen eingestellt werden, um ein Hubmaß zu sein, das der schnellsten Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit oder einem Hubmaß zugeordnet ist, das größer als ein derartiges Hubmaß ist.
Die Senkung des Hubmaßes verkleinert das wirksame Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses 61. Das wirksame Öffnungsgebiet ist verkleinert, wobei die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes ausreichend erhöht ist. Als ein Ergebnis ist der Strom des Kraftstoffes derart, dass die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes, das den Einspritzanschluss 61 passiert, ohne eine Senkung der Strömungsrate der Einspritzung aufgrund der Trägheitskraftwirkung (siehe Zeitpunkte T₂–T₃) erhöht wird. Die Senkung des Hubmaßes ermöglicht dem Kraftstoff im Einspritzanschluss 61, ausgestoßen zu werden. Somit steigt die Einspritzgeschwindigkeit schnell.
Im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums wird das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 durchgehend auf das kleine Hubmaß eingestellt. Dies ermöglicht, dass die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes relativ hoch (siehe Zeitpunkte T₃–T₅) gehalten wird. Auf diese Art ist das Ventil geschlossen (siehe Zeitpunkte T₅–T₆). Der Zeitpunkt zum Ändern des Hubmaßes kann ein derart geeigneter Zeitpunkt sein, dass eine ausreichende Menge des Kraftstoffes eingespritzt wird, selbst nachdem die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes ausreichend, wie vorstehend angegeben, erhöht wurde, und das Hubmaß geändert ist. Das bedeutet, dass der „spätere Zeitraum des Einspritzzeitraums” einen relativ späteren Teil des Einspritzzeitraums meint und nicht auf die zweite Hälfte des Einspritzzeitraums begrenzt ist, der in zwei gleiche Zeiträume unterteilt ist. Die Einspritzdauer des Kraftstoffes (Einspritzzeitpunkte T₀–T₆) im Hubmaßänderungsmodus ist ungefähr 0,2 ms.
Die gestrichelte Linie in der oberen und unteren Figur von 5 zeigt ein Beispiel an, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 im früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums so klein wie im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums ist. In diesem Fall ist das Hubmaß zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung klein und somit erhöht sich die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes langsam (siehe Zeitpunkte T₀–T₅).
Wenn das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 durchgehend auf das große Hubmaß im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums gestellt ist, wie durch die gepunktete Linie in der oberen Figur von 5 angezeigt, wird die Einspritzgeschwindigkeit nicht erhöht und ist konstant mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wie durch die gepunktete Linie in der unteren Figur von 5 angezeigt (siehe Zeitpunkte T₂–T₄).
Im Hubmaßänderungsmodus kann die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums erhöht sein. Als ein Ergebnis wird der Kraftstoffstrahl im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums bei einer hohen Geschwindigkeit in den Zylinder 11 eingespritzt, der sich nahe dem oberen Verdichtungstodpunkt befindet und einen erhöhten Druck und eine erhöhte Temperatur aufweist. Der Kraftstoffstrahl wird in die Verbrennungskammer 17 geblasen, während er einen großen Widerstand aufnimmt. Dies erleichtert das Zerstäuben des Kraftstoffes. Als ein Ergebnis wird der Kraftstoff in einem kurzen Zeitraum verdampft und der Kraftstoff und die Luft werden schnell miteinander vermischt, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Auf diese Art kann der Kraftstoff verdampft werden, selbst wenn der Motor 1 sich im hohen Drehzahlbereich befindet und die Zeit vom Ende der Kraftstoffeinspritzung bis zur Zündung verkürzt ist, und der Kraftstoff und die Luft können in einem derartigen kurzen Zeitraum miteinander vermischt werden. Dies verringert die Raucherzeugung.
7 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, der in der Kraftstoffeinspritzweise, die in der unteren Figur von 4 gezeigt ist, in die Verbrennungskammer 17 gesprüht wurde. Die Kraftstoffeinspritzung im hohen Drehzahlbereich ist so eingestellt, dass sie bei einem Zeitpunkt beginnt, der früher als der im niedrigen Drehzahlbereich ist. Somit sind der Druck und die Temperatur im Zylinder 11 zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung relativ niedrig. Der Kraftstoffstrahl erreicht einen Standort weit weg vom Kraftstoffeinspritzventil 6. Dies verbessert die Luftverwertungsrate in der Verbrennungskammer 17. Der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt ist eingestellt, so weit wie möglich vorgezogen zu werden, solange der Kraftstoffstrahl nicht die Wandfläche der Verbrennungskammer 17 erreicht.
Im hohen Drehzahlbereich wird die Kraftstoffeinspritzung früher beendet als im niedrigen Drehzahlbereich. Zusätzlich wird der Kraftstoff, wie vorstehend beschrieben, im hohen Drehzahlbereich im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt, was unvorteilhaft für die Verteilung ist, da der Kraftstoff, der im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums eingespritzt wurde, sich angrenzend am Mittelpunkt der Verbrennungskammer 17 befindet. Dies erleichtert aufgrund der hohen Einspritzgeschwindigkeit jedoch die Kraftstoffverdampfung und das Mischen von Luft und Kraftstoff (siehe ein durch die gepunktete Linie umschlossenen Teil in 7). Als ein Ergebnis ist es möglich in dem hohen Drehzahlbereich die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu bilden, während Raucherzeugung verringert wird.
In einem Zustand, in dem der Motor 1 mit einer Last betrieben ist, die in einen Niederlastbereich fällt, und eine relativ kleine Menge des Kraftstoffes eingespritzt ist, kann die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht, selbst wenn der Kraftstoff insgesamt eingespritzt wird, klein geschaffen sein, wie in 4 gezeigt. Als ein Ergebnis kann die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht gebildet werden. Im Gegensatz dazu erschwert es das Gesamteinspritzen des Kraftstoffes, in einem Zustand, in dem die Last des Motors 1 erhöht wurde, um die Kraftstoffeinspritzmenge zu erhöhen, die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht klein zu schaffen, was dazu führt, dass es schwierig ist, eine wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu bilden.
In diesem Hinblick ist es vorteilhaft, eine geteilte Kraftstoffeinspritzung durchzuführen, d. h. Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammer 17 mehrere Male, nicht Durchführen von Kraftstoffeinspritzung auf einmal, um die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu bilden, während die Luftverwertungsrate in der Verbrennungskammer 17 verbessert wird. Die Kraftstoffeinspritzung ist jedoch in mehrere einzelnen Einspritzungen aufgeteilt, wodurch den Kraftstoffstrahlen ermöglicht wird, sich miteinander zu überschneiden. Dies kann örtlich ein übermäßig konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch bilden und Rauch erzeugen.
Eine geteilte Einspritzung, in der die Einspritzung mehrere Male mit einem Leerlaufzeitraum zwischen einer Einspritzung und einer nachfolgenden Einspritzung durchgeführt wird, wird bereitgestellt. Wenn der Motor 1 im niedrigen Drehzahlbereich betrieben ist, in dem die Drehzahl relativ niedrig ist, ist die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern, verlängert. Als ein Ergebnis ist der Leerlaufzeitraum zwischen einer Einspritzung und einer nachfolgenden Einspritzung relativ verlängert, selbst wenn der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt nicht vorgezogen ist oder der Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt nicht verzögert ist. Als ein Ergebnis ist es weniger wahrscheinlich, dass der Kraftstoffstrahl, der nachfolgend eingespritzt wurde, durch den Luftstrom aufgrund des Kraftstoffstrahls, der früher eingespritzt wurde, beeinflusst wird, und es ist möglich, das Risiko zu verringern, dass der nachfolgend eingespritzte Kraftstoffstrahl vom früher eingespritzten Kraftstoffstrahl angezogen wird und sich mit diesem überschneidet.
Im Gegensatz dazu ist die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern, verkürzt, wenn der Motor 1 im hohen Drehzahlbereich betrieben ist. Deshalb ist der Leerlaufzeitraum zwischen der Einspritzung und der nachfolgenden Einspritzung verkürzt wurden, selbst wenn der Kurbelwinkel zwischen einer Einspritzung und einer nachfolgenden Einspritzung der gleiche, wie der im niedrigen Drehzahlbereich ist. In diesem Fall neigt der nachfolgend eingespritzte Kraftstoffstrahl dazu, durch den Luftstrom aufgrund des früher eingespritzten Kraftstoffstrahls beeinflusst zu werden und vom früher eingespritzten Kraftstoffstrahl angezogen zu werden und sich mit diesem zu überschneiden. Als ein Ergebnis wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch örtlich übermäßig konzentriert, wodurch Raucherzeugung verursacht wird.
Der Motor 1 spritzt den Kraftstoff in einem mittleren Lastbereich mit einer Last, die höher ist als die Last im Niederlastbereich, in einer speziell gestalteten Weise, ungeachtet der Drehzahl von Motor 1, derart ein, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch örtlich nicht übermäßig konzentriert ist.
Konkret zeigt 8 eine Kraftstoffeinspritzweise im mittleren Lastbereich. In 8 steht die horizontale Achse für den Kurbelwinkel und die vertikale Achse steht für das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6. Es ist zu beachten, dass die Kraftstoffeinspritzmenge in der oberen Figur von 8 die gleiche ist, wie die in der unteren Figur von 8. Die obere Figur von 8 zeigt eine Kraftstoffeinspritzweise, in welcher der Motor 1 bei einer Drehzahl betrieben wird, die in den niedrigen Drehzahlbereich fällt. Im niedrigen Drehzahlbereich wird eine erste Einspritzung durchgeführt und dann eine zweite Einspritzung durchgeführt. Die erste Einspritzung wird mit einem relativ großen ersten Hubmaß durchgeführt. Der Einspritzzeitraum in der ersten Einspritzung ist ein relativ kurzer erster Einspritzzeitraum. Im niedrigen Drehzahlbereich mit der mittleren Last, ist die erste Einspritzung eine Erststufeneinspritzung und eine zweite Einspritzung ist eine Zweitstufeneinspritzung.
9 zeigt eine Änderung im Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 (die obere Figur aus 9) und eine Änderung in der Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit (die untere Figur aus 9). Wie durch die durchgehende Linie der oberen Figur von 9 angezeigt, wird das wirksame Öffnungsgebiet relativ groß, wenn das Hubmaß relativ groß ist. Somit ist der Einfluss des Widerstands aufgrund der Wandfläche des Einspritzanschlusses 61 verringert, um es zu ermöglichen, die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit schnell zu erhöhen. Als ein Ergebnis kann die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit selbst in einem kurzen Einspritzzeitraum schnell erhöht werden, wie durch die durchgehende Linie in der unteren Figur von 9 angezeigt, um eine vorbestimmte Einspritzgeschwindigkeit zu erreichen und eine solche Geschwindigkeit kann gehalten werden. Die erste Einspritzung in 8 ist der Kraftstoffeinspritzung zugeordnet in der das Hubmaß hoch und der Einspritzzeitraum kurz ist.
In dem niedrigen Drehzahlbereich ist der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt (Kurbelwinkel) der ersten Einspritzung auf einen vorbestimmten Zeitpunkt gestellt. Konkret kann der Zeitpunkt die zweite Hälfte des Verdichtungshubs sein. Aufgrund der niedrigen Drehzahl des Motors 1, kann der lange Leerlaufzeitraum zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung gesichert werden, selbst wenn der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt nicht vorgezogen wurde.
In der ersten Einspritzung erhöht sich die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit aufgrund des hohen Hubmaßes, wie vorstehend beschrieben, schnell. 10 veranschaulicht konzeptuell die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, der in die Verbrennungskammer 17 gespritzt wurde. Diese Ausbreitung des Kraftstoffstrahls ist der Kraftstoffeinspritzweise zugeordnet, die in der oberen Figur von 8 mit der mittleren Last im niedrigen Drehzahlbereich gezeigt ist. Der in der ersten Einspritzung vom Kraftstoffeinspritzventil 6 mit einem vorbestimmten Strahlwinkel eingespritzte Kraftstoffstrahl, widersteht dem hohen Druck und der hohen Temperatur im Zylinder 11 und erreicht einen Standort weit weg vom Kraftstoffeinspritzventil 6. Dies verbessert die Luftverwertungsrate in der Verbrennungskammer 17. Die Kraftstoffeinspritzung ist so eingestellt, dass sie in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs beginnt und somit sind der Druck und die Temperatur im Zylinder 11 beim Beginn der Einspritzung hoch. Deshalb verringert dies einen zu langen Kraftstoffstrahl und verringert das Risiko, dass der Kraftstoffstrahl die Wandfläche der Verbrennungskammer 17 erreicht. Dies ermöglicht das Bilden der wärmeisolierenden Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht.
Nach dem Ende der ersten Einspritzung und einer vorbestimmten Zeitspanne wird die zweite Einspritzung durchgeführt. In der zweiten Einspritzung wird der Kraftstoff für einen zweiten Einspritzzeitraum, der kürzer als der erste Einspritzzeitraum in der ersten Einspritzung ist, mit einem zweiten Hubmaß eingespritzt, das kleiner als das erste Hubmaß in der ersten Einspritzung ist.
Wie durch die gestrichelten Linien in der oberen und der unteren Figur von 9 angezeigt, ist das Hubmaß relativ niedrig, um der Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit zu ermöglichen, dass sie sich langsam erhöht. Der Einspritzzeitraum ist jedoch verlängert, wodurch die Einspritzgeschwindigkeit zunehmend erhöht wird. Als ein Ergebnis erreicht die Einspritzgeschwindigkeit letztendlich einen hohen Wert. Zum Beispiel zeigen die gepunkteten Linien in der oberen und der unteren Figur von 9 eine Änderung der Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit an, wenn das Hubmaß relativ groß ist und der Einspritzzeitraum so eingestellt ist, das er lang ist. Im früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums gilt, wenn das Hubmaß hoch ist, ist die Einspritzgeschwindigkeit hoch, wobei im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums gilt, wenn das Hubmaß niedrig ist, ist die Einspritzgeschwindigkeit hoch.
Der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl weist zunächst eine niedrige Strahlgeschwindigkeit nach dem Beginn der Einspritzung auf. Zusätzlich zu einem langen Leerlaufzeitraum zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung, verringert dies das Risiko, dass der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl den in der ersten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl erreicht und sich mit diesem überschneidet. Der lange Leerlaufzeitraum verringert auch das Risiko, dass der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl vom Luftstrom durch die erste Einspritzung angezogen wird. Als ein Ergebnis werden der in der ersten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl und der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl in Einspritzrichtung voneinander versetzt.
Außerdem ist der Einspritzzeitraum in der zweiten Einspritzung länger. Wie in 10 gezeigt, kommt somit der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 nahe. Das bedeutet, dass der Strahlstrom, der in der Verbrennungskammer 17 gebildet wurde, zusammen mit der Kraftstoffeinspritzung die umgebende Luft einbezieht. Die Luft gelangt jedoch kaum in den Kraftstoffstrahl, der vom Spitzenabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils 6 in die Form eines Hohlkegels eingespritzt wurde. Deshalb gilt, je länger der Einspritzzeitraum ist, desto stärker ist der Unterdruck um die Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6. Als ein Ergebnis kommt der Kraftstoffstrahl der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6, wie durch die durchgehende Linie in 10 angezeigt, aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kraftstoffstrahls nahe. Als ein Ergebnis werden der in der ersten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl und der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl auch in Winkelrichtung des Strahlwinkels voneinander versetzt. Konkreter befindet sich der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl, unter der Annahme, dass die Achse des in der ersten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahls ein Bezug ist und eine Richtung, die rechtwinklig zur Achse ist, eine radiale Richtung ist, radial innen vom in der ersten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl. Auf diese Art ist die Überschneidung der Kraftstoffstrahlen verringert. Dies kann zuverlässig das Risiko verringern, dass die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht örtlich übermäßig konzentriert ist. Als ein Ergebnis verringert dies die Raucherzeugung.
Wie in der unteren Figur von 8 gezeigt, wird die zweite Einspritzung früher durchgeführt, wenn der Motor 1 mit der mittleren Last im hohen Drehzahlbereich betrieben wird. Die zweite Einspritzung ist der Erststufeneinspritzung zugeordnet. Nachfolgend wird die erste Einspritzung als die Zweitstufeneinspritzung durchgeführt. Die erste Einspritzung im hohen Drehzahlbereich ist eine Kraftstoffeinspritzung im vorstehend beschriebenen Hubmaßänderungsmodus. Es ist zu beachten, dass die Kraftstoffeinspritzmenge in der oberen Figur von 8 die gleiche ist, wie die in der unteren Figur von 8.
Wenn die Drehzahl des Motors 1 hoch ist, ist der Leerlaufzeitraum zwischen einer Einspritzung und einer nachfolgenden Einspritzung verkürzt. Wie der niedrige Drehzahlbereich, wird der Luftstrom, der in den Kraftstoffstrahl einbezogen wurde, stark, wenn die erste Einspritzung, in der die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit höher ist, früher durchgeführt wird, wohingegen in der nachfolgend durchgeführten zweiten Einspritzung die Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit zunächst nach dem Beginn der Einspritzung niedriger ist, und somit wird der Kraftstoffstrahl von dem starken Luftstrom angezogen und neigt dazu, sich mit dem Kraftstoffstrahl, der in der ersten Einspritzung eingespritzt wurde, zu überschneiden.
Wenn der Kraftstoffeinspritzstartzeitpunkt (Kurbelwinkel zu Beginn der Einspritzung) derart vorgezogen ist, dass der Leerlaufzeitraum zwischen einer Einspritzung und einer nachfolgenden Einspritzung verlängert ist, dann sind auch der Druck und die Temperatur im Zylinder 11 zu Beginn der Kraftstoffeinspritzung gesenkt. In diesem Zustand wird der Kraftstoffstrahl aufgrund einer hohen Einspritzgeschwindigkeit zu lange gesprüht, wenn die erste Einspritzung, in der das Hubmaß relativ groß und der Einspritzzeitraum relativ lang ist, früher durchgeführt wird, und der Kraftstoffstrahl erreicht die Wandfläche der Verbrennungskammer 17.
Deshalb führt der Motor 1 die zweite Einspritzung im hohen Drehzahlbereich früher durch. Der Einspritzstartzeitpunkt der zweiten Einspritzung (d. h. der Kurbelwinkel) ist auch im Hinblick auf den Einspritzstartzeitpunkt der ersten Einspritzung im niedrigen Drehzahlbereich (siehe obere und untere Figur in 8) vorgezogen. Die zweite Einspritzung kann so eingestellt sein, dass sie in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs startet. 11 veranschaulicht die Ausbreitung des Kraftstoffstrahls, der in die Verbrennungskammer 17 gespritzt wurde. Diese Ausbreitung des Kraftstoffstrahls ist der Kraftstoffeinspritzweise zugeordnet, die in der unteren Figur von 8 im niedrigen Drehzahlbereich gezeigt ist. In der zweiten Einspritzung ist die Einspritzgeschwindigkeit zunächst nach dem Beginn der Einspritzung langsam und somit verringert dies einen zu langen Kraftstoffstrahl, selbst wenn die Kraftstoffeinspritzung in einem Zustand beginnt, in dem der Druck und die Temperatur im Zylinder 11 nicht so hoch sind. Das Risiko, dass der Kraftstoffstrahl die Wandfläche der Verbrennungskammer 17 erreicht, ist verringert, wodurch es ermöglicht wird, die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu bilden. Außerdem ist der Einspritzstartzeitpunkt der zweiten Einspritzung vorgezogen, wodurch dem Leerlaufzeitraum zwischen der zweiten und der ersten Einspritzung ermöglicht wird, so lang wie möglich zu sein.
Der Einspritzzeitraum ist in der zweiten Einspritzung lang und, wie vorstehend beschrieben, kommt der Kraftstoffstrahl der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kraftstoffstrahls nahe (siehe 11).
Nach dem Ende der zweiten Einspritzung und einer vorbestimmten Zeitspanne wird die erste Einspritzung im Hubmaßänderungsmodus durchgeführt. Diese erste Einspritzung (d. h. die Zweitstufeneinspritzung) wird im Endzeitraum des Verdichtungshubs durchgeführt. In der ersten Einspritzung wird das Hubmaß zu Beginn der Einspritzung, d. h. das Hubmaß im früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums, als das erste Hubmaß eingestellt (d. h. entsprechend dem großen Hubmaß). Dies erhöht die Einspritzgeschwindigkeit nach dem Beginn der Einspritzung schnell. Der Leerlaufzeitraum zwischen der zweiten und der ersten Einspritzung ist auch so viel wie möglich verlängert. Als ein Ergebnis ist der in der ersten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl weniger wahrscheinlich, vom Luftstrom durch die zweite Einspritzung beeinflusst zu werden. Das bedeutet, dass das Risiko, dass der in der ersten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl vom Luftstrom angezogen wird, verringert wird. Außerdem, kommt, wie vorstehend beschrieben, der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 aufgrund des Druckunterschiedes nahe, wohingegen in der ersten Einspritzung der Kraftstoffstrahl mit einem vorbestimmten Strahlwinkel eingespritzt wird, der zu dem in der zweiten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffstrahl in der Winkelrichtung des Strahlwinkels versetzt ist. Auf diese Art ist das Risiko, dass der in der ersten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl sich mit dem in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl überschneidet, selbst im hohen Drehzahlbereich verringert, wodurch das Risiko verringert wird, dass sich örtlich das übermäßig konzentrierte Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet.
Die erste Einspritzung (d. h. die Zweitstufeneinspritzung) im hohen Drehzahlbereich wird im Hubmaßänderungsmodus durchgeführt und somit ist im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils 6 so eingestellt, dass es kleiner als das erste Hubmaß (d. h. das kleine Hubmaß) ist, während die Kraftstoffeinspritzung aufrechterhalten wird. Das Hubmaß im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums kann auf ein geeignetes Hubmaß eingestellt sein, dass sich in einem Bereich befindet, der gleich oder größer als das Hubmaß ist, das der schnellsten Geschwindigkeit zugeordnet ist. Als ein Ergebnis wird, wie vorstehend beschrieben, die Zerstäubung des Kraftstoffstrahls, der im späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums eingespritzt wird, erleichtert. Der zerstäubte Kraftstoff wird innerhalb eines kurzen Zeitraums verdampft und der Kraftstoff und die Luft werden schnell miteinander vermischt, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Als ein Ergebnis kann dies die Raucherzeugung verringern. Die Zweitstufeneinspritzung im hohen Drehzahlbereich wird im Hubmaßänderungsmodus durchgeführt. Dies kann den Kraftstoffeinspritzendzeitpunkt in der Zweitstufeneinspritzung so weit wie möglich verzögern. Dies ist vorteilhaft beim Verlängern des Leerlaufzeitraums zwischen der Erststufeneinspritzung und der Zweitstufeneinspritzung im hohen Drehzahlbereich, in dem die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern, gesenkt wird. Mit anderen Worten kann dies das Risiko verringern, dass örtlich ein übermäßig konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird, um Raucherzeugung zu verringern. Dies ist auch vorteilhaft beim so weit wie möglich Verzögern des Einspritzstartzeitpunkts in der Erststufeneinspritzung. Das bedeutet, dass es möglich ist, die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und die Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht in der Verbrennungskammer 17 zuverlässig zu bilden.
Auf diese Art ermöglicht das Durchführen der ersten und zweiten Einspritzung das Bilden der Luft-Kraftstoff-Gemischschicht und der Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht in der Verbrennungskammer 17, während das Risiko verringert wird, dass sich örtlich ein übermäßig konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet und Rauch in einem Zustand erzeugt wird, in dem der Motor 1 mit der mittleren Last bei der Drehzahl betrieben wird, der in den niedrigen Drehzahlbereich fällt, und in einem Zustand, in dem der Motor 1 mit der mittleren Last bei der Drehzahl betrieben wird, die in den hohen Drehzahlbereich fällt.
12 zeigt eine andere Kraftstoffeinspritzweise, die von der in 8 verschieden ist. Die Kraftstoffeinspritzweise mit der mittleren Last bei der Drehzahl, die in den niedrigen Drehzahlbereich fällt, unterscheidet sich bei 12 und 8. Mit anderen Worten ist die zweite Einspritzung mit der mittleren Last bei dem niedrigen Drehzahlbereich, wie in der oberen Figur von 12 gezeigt, als eine mehrstufige Einspritzung ausgelegt, die Mehrfacheinspritzungen beinhaltet. Wie vorstehend beschrieben, ist das Kraftstoffeinspritzventil 6, darunter das piezoelektrische Element, reaktionsschnell und zu einer mehrstufigen Einspritzung, z. B. ungefähr zwanzig Einspritzungen in einem Zeitraum von 1–2 ms, in der Lage. Das Hubmaß in der zweiten Einspritzung, die als eine mehrstufige Einspritzung ausgelegt ist, ist das zweite Hubmaß und die Einspritzweise, die in 8 gezeigt ist. Der Einspritzzeitraum in der zweiten Einspritzung, die als eine mehrstufige Einspritzung ausgelegt ist, ist länger als in der ersten Einspritzung, so wie die Einspritzweise, die in 8 gezeigt ist. Wenn die zweite Einspritzung durch eine mehrstufige Einspritzung durchgeführt wird, kommt der eingespritzte Kraftstoffstrahl dem Kraftstoffeinspritzventil 6 und der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6, wie in 10 gezeigt, nahe. Als ein Ergebnis können der in der ersten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl und der in der zweiten Einspritzung eingespritzte Kraftstoffstrahl in die Einspritzrichtung und in der radialen Richtung, die rechtwinklig zur Einspritzrichtung ist, voneinander versetzt werden.
Im Beispiel von 12 werden die Einspritzungen, welche die zweite Einspritzung darstellen, im Wesentlichen ohne Zeitspannen durchgeführt. Eine vorbestimmte Zeitspanne kann jedoch zwischen einer Kraftstoffeinspritzung und einer nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung bereitgestellt sein. Im hohen Drehzahlbereich ist die Zeit, die benötigt wird, um den Kurbelwinkel zu ändern, verkürzt, es wird schwierig, die mehrstufige Einspritzung durchzuführen.
Im vorstehenden Beispiel wird die Einspritzweise, die in 4 gezeigt ist, in den Niederlastbereich übernommen, und die Einspritzweise, die in 8 oder 12 gezeigt ist, wird in den mittleren Lastbereich übernommen. Die Einspritzweise, die in 4 gezeigt ist, kann jedoch auch in den mittleren Lastbereich übernommen werden, und umgekehrt kann die Einspritzweise, die in 8 oder 12 gezeigt ist, auch in den Niederlastbereich übernommen werden. Wenn die Last des Motors 1 erhöht wird, um höher als die Last im mittleren Lastbereich zu sein, wird die Kraftstoffeinspritzmenge weiter erhöht, wodurch es erschwert wird, die wärmeisolierende Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht zu bilden. Deshalb kann, wenn die Last des Motors 1 im Hochlastbereich ist, eine Einspritzweise übernommen werden, die von den vorstehenden Weisen verschieden ist.
Im vorstehenden Beispiel wird ein sich nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil als Kraftstoffeinspritzventil 6 übernommen. Das Kraftstoffeinspritzventil 6, das auf die hierin offenbarte Technik anwendbar ist, ist jedoch nicht auf dieses sich nach außen öffnende Kraftstoffeinspritzventil begrenzt. Zum Beispiel kann eine Einspritzvorrichtung mit einer Düse mit ventilbedeckter Mündung (VCO) das wirksame Öffnungsgebiet des Einspritzanschlusses durch Einstellen des Grades der Hohlraumbildung, die in der Düse erzeugt wird, ändern. Dementsprechend ermöglicht, neben dem sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventil, die Kraftstoffeinspritzweise, die in 4, 8 oder 12 gezeigt ist, sowohl das Bilden einer Luft-Kraftstoff-Gemischschicht in der Mitte des Hohlraums 163 und einer wärmeisolierenden Gasschicht um die Luft-Kraftstoff-Gemischschicht als auch das Verringern des Risikos, dass sich örtlich ein übermäßig konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet.
Im vorstehenden Beispiel wird die Wärmeschildstruktur in die Verbrennungskammer und die Ansaugstutzen übernommen und die wärmeisolierende Gasschicht in der Verbrennungskammer gebildet. Die hier offenbarte Technik ist jedoch auf einen Motor anwendbar, bei dem eine solche Wärmeschildstruktur nicht übernommen wurde.
Bezugszeichenliste

1: Motor (Motorblock)
100: Motorsteuerung (Kraftstoffeinspritzsteuerung)
11: Zylinder
12: Zylinderblock
13: Zylinderkopf
16: Kolben
17: Verbrennungskammer
6: Kraftstoffeinspritzventil
61: Einspritzanschluss
62: Sich nach außen öffnendes Ventil

Claims

Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für einen Direkteinspritzmotor, die Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung umfassend: einen Motorblock, der eine Verbrennungskammer aufweist, die durch einen Deckenabschnitt eines Zylinderkopfes, einen Zylinder, der durch einen Zylinderblock bereitgestellt ist, und einen Kolben, der sich im Zylinder hin- und herbewegt, definiert ist; und eine Kraftstoffeinspritzsteuerung, die ein Kraftstoffeinspritzventil aufweist, das angeordnet ist, um flüssigen Kraftstoff in die Verbrennungskammer einzuspritzen, und ausgelegt ist, den Kraftstoff zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in die Verbrennungskammer einzuspritzen, wobei das Kraftstoffeinspritzventil derart ausgelegt ist, dass ein wirksames Öffnungsgebiet eines Einspritzanschlusses, durch den der Kraftstoff eingespritzt wird, sich vergrößert, wenn sich ein Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils erhöht, und die Kraftstoffeinspritzsteuerung den Kraftstoff in einem Hubmaßänderungsmodus einspritzt, in dem, wenn der Kraftstoff in die Verbrennungskammer in einem Endzeitraum eines Verdichtungshubes eingespritzt wird, das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils auf ein vorbestimmtes großes Hubmaß in einem früheren Zeitraum eines Einspritzzeitraums eingestellt wird, und in einem späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums nach dem früheren Zeitraum des Einspritzzeitraums das Hubmaß auf ein kleines Hubmaß eingestellt wird, das kleiner als das große Hubmaß ist und sich in einem Bereich befindet, in dem sich eine Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeit erhöht.
Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzsteuerung den Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus einspritzt, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen vorbestimmten hohen Drehzahlbereich fällt, und den Kraftstoff in einem Modus einspritzt, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils im früheren und späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums konstant ist, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen niedrigen Drehzahlbereich fällt, in dem eine Drehzahl niedriger ist als in dem hohen Drehzahlbereich.
Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzsteuerung eine Zweitstufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt wird, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen vorbestimmten hohen Drehzahlbereich fällt, und vor der Zweitstufeneinspritzung eine Erststufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner als das große Hubmaß für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Zweitstufeneinspritzung ist.
Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kraftstoffeinspritzsteuerung eine Erststufeneinspritzung in einem Modus durchführt, in dem das Hubmaß des Kraftstoffeinspritzventils im früheren und späteren Zeitraum des Einspritzzeitraums konstant ist, wenn der Motorblock bei einer Drehzahl betrieben wird, die in einen niedrigen Drehzahlbereich fällt, in dem eine Drehzahl geringer als im hohen Drehzahlbereich ist, und nach der Erststufeneinspritzung eine Zweitstufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner als in der Erststufeneinspritzung für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Erststufeneinspritzung ist.
Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kraftstoffeinspritzsteuerung den Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus im Endzeitraum des Verdichtungshubes einspritzt, wenn der Motorblock mit einer Last betrieben wird, die in einen Niederlastbereich fällt, in dem eine Last niedriger ist als eine vorbestimmte Last bei einer Drehzahl, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, und wenn der Motorblock mit einer Last betrieben wird, die in einen Hochlastbereich fällt, in dem eine Last höher als die im Niederlastbereich bei einer Drehzahl ist, die in den hohen Drehzahlbereich fällt, eine Zweitstufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff im Hubmaßänderungsmodus eingespritzt wird, und vor der Zweitstufeneinspritzung eine Erststufeneinspritzung durchführt, in welcher der Kraftstoff mit einem Hubmaß eingespritzt wird, das kleiner ist als das große Hubmaß für einen Einspritzzeitraum ist, der länger als der in der Zweitstufeneinspritzung ist.