DE60019392T2

DE60019392T2 - Ottobrennkraftmaschine mit Selbstzündung

Info

Publication number: DE60019392T2
Application number: DE60019392T
Authority: DE
Inventors: Koudai Yokosuka-shi Yoshizawa; Ken Yonezawa-shi Naitoh; Atushi Yokohama-shi Teraji; Eiji Yokohama-shi Aochi; Hiroshi Yokosuka-shi Miyakubo
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: DE60019392D1; EP1108868B1; EP1108868A2; US20010006054A1; EP1108868A3; US6390057B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotor und ein Verfahren zum Steuern eines Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotors.
Es ist bekannt, dass ein theoretischer thermischer Wirkungsgrad verbessert wird, indem das Luft- Kraftstoff- Verhältnis des Gemisches zur mageren Seite hin verändert wird, um den Pumpverlust zu verringern, und indem das Verhältnis der spezifischen Wärme des Betriebsgases zwecks Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades eines Benzinmotors erhöht wird. Ein Verbrennungsmotor mit elektrischer Zündung weist jedoch die Tendenz auf, dass der Verbrennungszeitraum durch Verschiebung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses zur mageren Seite hin verlängert und dadurch die Verbrennungsstabilität des Motors verschlechtert wird. Das heißt, bei einem solchen Verbrennungsmotor mit elektrischer Zündung sind der Verschiebung des Luft- Kraftstoff- Verhältnisses zur mageren Seite hin Grenzen gesetzt.
In der Vorläufigen Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-332141 wird ein Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennungsmotor beschrieben, der so beschaffen ist, dass eine Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung mit Vormischung stattfinden kann. Dies wird vorgeschlagen, um bei einem mageren Luft- Kraftstoff- Verhältnis einen stabilen Motorbetrieb zu erreichen. Des Weiteren beschreibt die Vorläufige Japanische Patentveröffentlichung Nr. 11-182246 einen Verbrennungsmotor, der so ausgelegt ist, dass die Temperatur in jedem Zylinder durch Rückführung des Abgases in einen Einlasskanal erhöht wird. Dies wird vorgeschlagen, um die Zündfähigkeit des Kraftstoffs während der Selbstentzündungs- Verbrennung zu verbessern.
Obwohl der zuletzt genannte vorgeschlagene Motor ein Problem des ersteren vorgeschlagenen Motors, dass die Zündfähigkeit des Kraftstoffs während der Selbstentzündungs- Verbrennung verbessert werden muss, in einem gewissen Maße verringert, ist es notwendig, die Zündfähigkeit noch weiter zu verbessern.
Das Dokument zum Stand der Technik AT 003 135 U1 sieht ein Verfahren für den Betrieb eines Verbrennungsmotors vor, der mit Kraftstoff betrieben wird, welcher sowohl fremdzündbar als auch selbstentzündbar ist, insbesondere Benzin, wobei der Betriebsbereich des Motors Selbstentzündungs- oder Kompressionszündungs- Bereiche und Fremdzündungs- oder Funkenzündungs- Bereiche umfasst. In dem Selbstentzündungs- oder Kompressionszündungs- Bereich wird für ein hohes Verdichtungsverhältnis gesorgt, das für die Selbstentzündung des Kraftstoffs geeignet ist. Die Verbrennung im Selbstentzündungs- Bereich wird durch Selbstentzündung eines homogenen Luft- Kraftstoff- Gemisches eingeleitet. Die Verbrennung im Fremdzündungs- oder Funkenzündungs- Bereich wird durch Funkenzündung eines geschichteten Luft- Kraftstoff- Gemisches eingeleitet.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotor und ein Verfahren zur Steuerung eines Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotors zu liefern, bei dem die Zündfähigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches während der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung in einem breiteren Betriebsbereich des Motors verbessert wird, ohne Klopfen zu verursachen.
Hinsichtlich des Vorrichtungsaspekts der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel mit einem Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotor erreicht, der die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in abhängigen Ansprüchen behandelt. Hinsichtlich des Verfahrensaspekts der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel auch durch ein Verfahren zur Steuerung eines Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotors erreicht, das die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 13 aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel beruht auf einem Kompressions- Selbstentzündungs-Benzinmotor, der aus einer Schichtbildungsvorrichtung, die Gas in einer Brennkammer des Motors schichtet, einem Kraftstoffeinspritzer, der den Kraftstoff direkt in die Brennkammer einspritzt, und einer Steuerung besteht, die mit der Schichtbildungsvorrichtung und dem Kraftstoffeinspritzer verbunden ist. Die Steuerung steuert die Schichtbildungsvorrichtung so, dass sie in der Brennkammer aus einem Hochtemperaturgas eine Hochtemperatur- Gasschicht und aus einem Niedertemperaturgas eine Niedertemperatur-Gasschicht erzeugt. Die Steuerung steuert den Kraftstoffeinspritzer so, dass er den Kraftstoff sowohl in die Hochtemperatur- Gasschicht als auch in die Niedertemperatur-Gasschicht einspritzt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel beruht auf einem Kompressions- Selbstentzündungs- Benzinmotor, der aus einer Schichtbildungsvorrichtung, die Gas in einer Brennkammer des Motors schichtet, und einem Kraftstoffeinspritzer besteht, der den Kraftstoff direkt in die Brennkammer einspritzt. Die Schichtbildungsvorrichtung erzeugt in der Brennkammer aus einem Hochtemperaturgas eine Hochtemperatur- Gasschicht und aus einem Niedertemperaturgas eine Niedertemperatur- Gasschicht. Der Kraftstoffeinspritzer spritzt den Kraftstoff sowohl in die Hochtemperatur- Gasschicht als auch in die Niedertemperatur- Gasschicht ein.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Hilfe bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen verdeutlicht und erläutert. Das sind folgende Zeichnungen:
1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Kompressions-Selbstentzündungs- Verbrennungsmotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
2 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Zylinder, Einlassöffnungen und Auslassöffnungen des Motors nach dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Verbrennungsart, der Motordrehzahl und der Motorlast des Motors nach dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
4 ist ein Diagramm, das einen festgelegten Bereich der Selbstentzündungs-Verbrennung in bezug auf ein Luft- Kraftstoff- Verhältnis zeigt.
5A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Äquivalenzverhältnis und dem Fortschrittsgrad der Vorreaktion zeigt.
5B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Temperatur und dem Fortschrittsgrad der Vorreaktion zeigt.
6 ist eine Draufsicht, die eine im ersten Ausführungsbeispiel erzeugte Gasverteilung in der Brennkammer zeigt.
7A, 7B bzw. 7C sind Diagramme, die die Temperatur, das Äquivalenzverhältnis bzw. den Fortschrittsgrad der Vorreaktion unter der Bedingung zeigen, dass bei der in 6 gezeigten Gasverteilung der Kraftstoff in eine Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht eingespritzt wird.
8A, 8B bzw. 8C sind Diagramme, die die Temperatur, das Äquivalenzverhältnis bzw. den Fortschrittsgrad der Vorreaktion unter der Bedingung zeigen, dass bei der in 6 gezeigten Gasverteilung der Kraftstoff in die Schicht zurückgeführten Abgases eingespritzt wird.
9A, 9B bzw. 9C sind Diagramme, die die Temperatur, das Äquivalenzverhältnis bzw. den Fortschrittsgrad der Vorreaktion unter der Bedingung zeigen, dass bei der in 6 gezeigten Gasverteilung der Kraftstoff in die Luftschicht eingespritzt wird.
10 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Zylinder, Einlassöffnungen und Auslassöffnungen des Motors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
11A ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases und der Sauerstoffmenge zeigt.
11B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases und der Motorlast zeigt.
12 ist eine Draufsicht, die eine Gasverteilung in der Brennkammer unter der Bedingung niedriger Last im zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
13 ist eine Draufsicht, die eine Gasverteilung in der Brennkammer zeigt, die unter der Bedingung hoher Last im zweiten Ausführungsbeispiel erzeugt wird.
14 ist eine seitliche Schnittdarstellung, die die Gasverteilung aus 12 und eine zugehörige Kraftstoffverteilung zeigt.
15 ist eine seitliche Schnittdarstellung, die die Gasverteilung aus 13 und eine zugehörige Kraftstoffverteilung zeigt.
16 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Motorlast und einem Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt.
17 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Fortschrittsgrad der Vorreaktion eines dritten Ausführungsbeispiels zeigt.
18 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl, der Motorlast und der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases zeigt.
19 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Motordrehzahl, der Motorlast und dem Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt zeigt.
20 ist ein Diagramm, das einen Bereich der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung nach dem dritten Ausführungsbeispiel und den Bereich der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung zeigt, der nach dem herkömmlichen Stand der Technik gewährleistet wird.
21 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Zylinder, Einlassöffnungen und Auslassöffnungen des Motors nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
22 ist eine Draufsicht, die eine Gasverteilung in der Brennkammer nach dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
23 ist eine seitliche Schnittdarstellung, die die Gasverteilung aus 22 und eine zugehörige Kraftstoffverteilung zeigt.
24 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Kompressions-Selbstentzündungs- Verbrennungsmotors nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt.
Die 25A, 25B, 25C bzw. 25D sind Ablaufdarstellungen, die einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub bzw. einen Auspuffhub nach dem fünften Ausführungsbeispiel zeigen.
26A ist ein Laufzeitdiagramm, das eine Ventilöffnungs- Charakteristik während der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung zeigt.
26B ist ein Laufzeitdiagramm, das eine Ventilöffnungs- Charakteristik während der Fremdzündungs- Verbrennung zeigt.
27A ist eine seitliche Schnittdarstellung, die eine Gasverteilung und eine Kraftstoffverteilung in der Brennkammer nach dem fünften Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases groß ist.
27B ist eine seitliche Schnittdarstellung, die die Gasverteilung und die Kraftstoffverteilung in der Brennkammer nach dem fünften Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases klein ist.
28A ist ein Laufzeitdiagramm, das eine Ventilöffnungs- Charakteristik nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases groß ist.
28B ist ein Laufzeitdiagramm, das eine Ventilöffnungs- Charakteristik nach dem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Schicht zurückgeführten Abgases klein ist.
29 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Zylinder, Einlassöffnungen und Auslassöffnungen des Motors nach einem siebenten Ausführungsbeispiel zeigt.
30 ist eine seitliche Schnittdarstellung, die eine Gasverteilung und eine Kraftstoffverteilung in der Brennkammer nach dem siebenten Ausführungsbeispiel zeigt.
31A ist ein Laufzeitdiagramm, das eine Ventilöffnungs- Charakteristik nach dem siebenten Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases groß ist.
31B ist ein Laufzeitdiagramm, das eine Ventilöffnungs- Charakteristik nach dem siebenten Ausführungsbeispiel zeigt, wenn die Schicht zurückgeführten Abgases klein ist.
32A ist ein Diagramm, das einen Temperaturgradienten in der Brennkammer nach dem siebenten Ausführungsbeispiel zeigt.
32B ist ein Diagramm, das ein Äquivalenzverhältnis in der Brennkammer nach dem siebenten Ausführungsbeispiel zeigt.
33 ist eine Schnittzeichnung, die eine Form des Kolbens zeigt, mit deren Hilfe der Temperaturgradient erzeugt werden kann.
34 ist eine Draufsicht, die schematisch einen Zylinder, Einlassöffnungen und Auslassöffnungen des Motors nach einem achten Ausführungsbeispiel zeigt.
35 ist eine Draufsicht, die einen Kolben zeigt, der in dem Motor nach dem achten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
36 ist eine seitliche Schnittdarstellung des Kolbens aus 35.
37 ist eine seitliche Schnittdarstellung, die eine Gasverteilung und eine Kraftstoffverteilung in der Brennkammer nach dem achten Ausführungsbeispiel zeigt.
Unter Bezug auf die Zeichnungen werden im Folgenden Ausführungsbeispiele erörtert.
Zuerst wird unter Bezug auf die 1 bis 9C ein Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennungsmotor (Benzinmotor) 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erörtert werden. 1 zeigt den Aufbau von Motor 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Brennkammer 5 von Motor 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Motor 1 weist für jeden Zylinder einen Kolben 3, eine Brennkammer 5, eine erste und eine zweite Einlassöffnung 7a und 7b auf, die einen Einlasskanal darstellen, ferner eine erste und eine zweite Auslassöffnung 9a und 9b, die einen Abgaskanal darstellen, ein Paar von Einlassventilen 11, die dazu dienen, die Einlassöffnungen 7a bzw. 7b zu schließen, sowie ein Paar von Auslassventilen 13, die dazu dienen, die Auslassöffnungen 9a bzw. 9b zu schließen. Ein Kraftstoffeinspritzer 15 zum Einspritzen von Benzin (Kraftstoff) in die Brennkammer 5 befindet sich an einem oberen und zentralen Teil der Brennkammer 5. Eine Zündkerze 17, die während einer Fremdzündungs- Verbrennung in Betrieb ist, befindet sich an einer Stelle nahe dem Kraftstoffeinspritzer 15. Die erste Einlassöffnung 7a und die ersten Auslassöffnungen 9a sind durch einen EGR- Kanal (Abgasrückführungskanal) 19 miteinander verbunden. Ein Abgasrückführungs- Steuerventil 21 ist im Abgasrückführungskanal 19 angeordnet. Abgasrückführungs- Steuerventil 21, Kraftstoffeinspritzer 15 und Zündkerze 17 arbeiten anhand von Steuersignalen, die von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 23 ausgegeben werden.
Die elektronische Steuereinheit 23 umfasst einen Abschnitt Festlegung der Verbrennungsart 29, einen Abschnitt Steuerung der Fremdzündungs- Verbrennung 31, einen Abschnitt Steuerung der Abgasrückführung 35 und einen Abschnitt Steuerung des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts 37 in Form von Programmen für einen Mikrorechner der elektronischen Steuereinheit 23. Der Abschnitt Festlegung der Verbrennungsart 29 bestimmt eine Verbrennungsart, um eine Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung auszuführen, wenn der Motor 1 in einem Mittellastbereich und einem Bereich mittlerer oder niedriger Motordrehzahl arbeitet, und um die Fremdzündungs- Verbrennung durchzuführen, wenn der Motor 1 in einem Hochlastbereich oder einem Bereich hoher Motordrehzahl arbeitet, wie in 3 dargestellt. Der Abschnitt Steuerung der Fremdzündungs- Verbrennung 31 führt die Fremdzündungs- Verbrennung durch Steuerung von Kraftstoffeinspritzer 15 und Zündkerze 17 aus, wenn der Abschnitt Festlegung der Verbrennungsart 29 entscheidet, die Fremdzündungs- Verbrennung durchzuführen. Der Abschnitt Steuerung der Selbstentzündungs- Verbrennung 33 führt die Selbstentzündungs- Verbrennung durch Steuerung des Abschnitts Steuerung der Abgasrückführung 35 und des Abschnitts Steuerung des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts 37 aus, wenn der Abschnitt Festlegung der Verbrennungsart 29 entscheidet, die Selbstentzündungs- Verbrennung durchzuführen. Der Abschnitt Steuerung der Abgasrückführung 35 variiert die Strömungsgeschwindigkeit der Abgasrückführung vom Abgaskanal zum Einlasskanal durch Steuerung des Abgasrückführungs- Steuerventils 21. Der Abschnitt Steuerung des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts 37 variiert den Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt durch Steuerung des Kraftstoffeinspritzers 15.
4 zeigt einen Bereich der Selbstentzündungs- Verbrennung, in dem die Selbstentzündungs- Verbrennung durchgeführt werden kann, in bezug auf das Luft-Kraftstoff- Verhältnis (A/F- Verhältnis). Der Bereich der Selbstentzündungs- Verbrennung ist schraffiert dargestellt. Durch Veränderung des Luft- Kraftstoff- Verhältnisses zur mageren Seite hin wird die Verbrennungsstabilität verschlechtert, und die Drehmomentesschwankung des Motors 1 nimmt zu. Daher stellt die Stabilitätsgrenze, die definiert ist als eine Toleranz unter Berücksichtigung des Auslegungspunktes des Motors 1 und der charakteristischen Kurve eines mit dem Motor 1 ausgerüsteten Fahrzeugs, eine Stabilitätsschwelle Sth dar, bei der das Luft- Kraftstoff- Verhältnis zur mageren Grenze AFL wird. Auf der anderen Seite nimmt mit der Veränderung des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses zur angereicherten Seite hin die Klopfstärke zu. Dementsprechend wird das Luft- Kraftstoff- Verhältnis bei einer Klopfschwelle Nth zur reichen Grenze AFR. Daher entspricht der Bereich des Luft- Kraftstoff- Verhältnisses, der durch die Verbrennungs- Stabilitätsgrenze AFL und die Klopf- Stabilitätsgrenze AFR definiert wird, dem Bereich der Selbstentzündungs- Verbrennung. Wie weiter oben erörtert, kann die Selbstentzündungs- Verbrennung innerhalb dieses begrenzten Bereichs des Luft dungs- Verbrennung innerhalb dieses begrenzten Bereichs des Luft- Kraftstoff- Verhältnisses durchgeführt werden.
Obwohl das Luft- Kraftstoff- Verhältnis als ein Index verwendet worden ist, um in der obigen Erläuterung ein Verhältnis von Gas (Luft) und Kraftstoff darzustellen, wird eine ähnliche Tendenz in dem Fall festgestellt, dass die Gase Verbrennungsgas, wie Verbrennungs- Restgas und zurückgeführtes Abgas, enthalten. Unter so einer Bedingung bezeichnet eine horizontale Achse in 4 das G/F- Verhältnis, wobei G die Summe einer Menge von Frischluft und einer Menge von Verbrennungsgas bezeichnet und F für die Kraftstoffmenge steht.
Die Selbstentzündungs- Verbrennung ist eine Reaktion bei niedriger Temperatur. Daher läuft zuerst eine Vorreaktion zur Erzeugung eines Zwischenprodukts ab, und danach wird eine abschließende Oxidationsreaktion durchgeführt, um eine heiße Flamme zu erzeugen. Demgemäss kann durch Überwachung eines Fortschrittsgrads der Vorreaktion beurteilt werden, ob es möglich ist, die Selbstentzündungs- Verbrennung durchzuführen. Die 5A und 5B zeigen eine Beziehung zwischen dem Fortschrittsgrad der Vorreaktion und dem Äquivalenzverhältnis (Gasgemischdichte) sowie eine Beziehung zwischen dem Fortschrittsgrad der Vorreaktion und der Temperatur. Wie in 5A gezeigt, wird mit größer werdendem Äquivalenzverhältnis der Fortschrittsgrad der Vorreaktion allmählich und langsam höher. Auf der anderen Seite wird, wie in 5B zu sehen ist, der Fortschrittsgrad der Vorreaktion mit höher werdender Temperatur schlagartig höher. Genauer gesagt, ist die Veränderungstendenz des Fortschrittsgrads der Vorreaktion in bezug auf die Temperatur exponentiell. Die Empfindlichkeit des Fortschrittsgrads der Vorreaktion gegenüber der Temperatur ist weit höher als die gegenüber dem Äquivalenzverhältnis. Dementsprechend leuchtet es ein, dass die Selbstentzündungs-Verbrennung durch Einsatz eines Hochtemperatur- Verbrennungsgases wirksam unterstützt wird. In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird zurückgeführtes Abgas, bei dem es sich um Abgas handelt, das aus dem Abgaskanal in den Einlasskanal zurückgeführt wird, als Verbrennungsgas eingesetzt.
6 zeigt eine Gasverteilungssituation in Brennkammer 5 des Motors 1 nach dem Einlasshub unter der Bedingung, dass Abgas von der ersten Auslassöffnung 9a durch den Abgasrückführungskanal 19 zur ersten Einlassöffnung 7a zurückgeführt wird. Wie in 6 gezeigt, wird zurückgeführtes Abgas A zusammen mit Frischluft aus der ersten Einlassöffnung 7a in die rechte Hälfte der Brennkammer 5 eingeleitet, und Frischluft B wird aus der zweiten Einlassöffnung 7b in die linke Hälfte der Brennkammer 5 ein gespeist. Das heißt, die Schicht zurückgeführten Abgases, die das zurückgeführte Abgas A enthält, und die aus Frischluft B bestehende Luftschicht werden in der Brennkammer 5 geschichtet. Kraftstoff wird aus dem Kraftstoffeinspritzer 15 in eine zentrale Zone C eingespritzt, die zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht liegt. Diese Schichtbildung wird weiterhin wirksam realisiert, indem mit Hilfe einer an der Fläche am oberen Ende des Kolbens 3 gebildeten vertieften Zone separat Fallströme in Bezug auf die jeweiligen Schichten erzeugt werden. Es ist sicher, dass die Positionen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht miteinander vertauscht werden können.
Die 7A, 7B bzw. 7C zeigen eine Temperaturverteilung, eine Verteilung des Äquivalenzverhältnisses bzw. eine Verteilung des Fortschrittsgrads der Vorreaktion in der Brennkammer 5 in 6. In diesen Figuren entspricht eine horizontale Achse der Linie D1 – D2 einschließlich der zentralen Zone C in 6. Wie in 7A gezeigt, gibt es in der Nähe der zentralen Zone C ein Gebiet, in dem ein großer Temperaturgradient vorliegt. Durch Einspritzen von Kraftstoff in diese zentrale Zone C wird das Äquivalenzverhältnis im zentralen Teil groß.
Die Vorreaktions- Verbrennung geht von einem Bereich aus, in dem der Kraftstoff angereichert und die Temperatur hoch ist. Daher wird die Vorreaktions- Verbrennung, wie in 7C gezeigt, an einem Zündpunkt S gestartet, an dem der Fortschrittsgrad der Vorreaktion am größten ist. Da in der Nähe des Zündpunkts S ein großer Temperaturgradient vorliegt, ist die zuerst zu entzündende Kraftstoffmenge nicht so groß, und daher wird dadurch kein Klopfen hervorgerufen. Des Weiteren schreitet die Selbstentzündung nach der Zündung dem Temperaturgradienten entsprechend nacheinander zu Gebieten niedriger Temperatur fort. Daher erfolgt die Verbrennung bei diesem Prozess nicht stürmisch, und folglich wird kein Klopfen erzeugt. Das hat zur Folge, dass der die Durchführung der Selbstentzündungs- Verbrennung ermöglichende Lastbereich (Bereich der Selbstentzündungs- Verbrennung) zur Seite hoher Last hin erweitert wird, und daher wird die weitere stabile Selbstentzündungs- Verbrennung in einem weiteren breiteren Betriebsbereich des Motors gewährleistet.
Im Gegensatz dazu zeigen die 8A, 8B bzw. 8C eine Temperaturverteilung, eine Verteilung des Äquivalenzverhältnisses bzw. eine Verteilung des Fortschrittsgrads der Vorreaktion in der Brennkammer eines herkömmlichen Motorsystems. Dieses herkömmliche Motorsystem entspricht einem Fall, bei dem Kraftstoff in die Schicht zurückgeführten Abgases eingespritzt wird. Demgemäss verläuft die Vorreaktion wegen des Kraftstoffs in der Schicht zurückgeführten Abgases hoher Temperatur heftig. Wenn diese Verbrennungsart bei der Selbstentzündungs- Verbrennung von Benzin angewandt wird, bewirkt daher eine kraftstoffreiche Zone in der in 8B gezeigten Hochtemperatur- Schicht zurückgeführten Abgases die Selbstentzündung beim ersten Ansturm, wie mittels E in 8C gezeigt. Folglich setzt die radikale (heftige) Verbrennung ein, und daher wird Klopfen begünstigt.
Die 9A, 9B bzw. 9C zeigen ferner eine Temperaturverteilung, eine Verteilung des Äquivalenzverhältnisses bzw. eine Verteilung des Fortschrittsgrads der Vorreaktion in der Brennkammer eines weiteren herkömmlichen Motorsystems. Dieses herkömmliche Motorsystem entspricht einem Fall, bei dem Kraftstoff in die Einlassluftschicht eingespritzt wird. Demzufolge läuft die Vorreaktion wegen der niedrigeren Temperatur der Einlassluftschicht nicht ab. Wenn diese Verbrennungsart bei der Selbstentzündungs-Verbrennung von Benzin angewandt wird, bewirkt daher eine kraftstoffreiche Zone in der in 9B gezeigten Einlassluftschicht niedriger Temperatur keine Selbstentzündung, wie mittels F in 9C gezeigt. Folglich kommt es im Motor 1 zu einem Zündversager.
Unter Bezug auf die 10 bis 16 wird im Folgenden der Motor 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel erörtert. 10 zeigt eine Draufsicht auf Motor 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die der 2 entspricht. Das zweite Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich zu dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels weiterhin ein Einlassluftmengen- Steuerungsventil 39 in der zweiten Einlassöffnung 7b aufweist und dass der Kraftstoffeinspritzer 15 an einer Position zwischen der zweiten Einlassöffnung 7b und der zweiten Auslassöffnung 9b untergebracht ist. Die elektronische Steuereinheit 23 gibt ein Steuersignal an das Einlassluftmengen- Steuerungsventil 39 aus, damit dieses die Menge der Einlassluft dem Betriebszustand des Motors entsprechend steuert. Diese Anordnung ermöglicht die Veränderung des Verhältnisses zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht entsprechend dem Betriebszustand des Motors.
Die 11A bzw. 11B zeigen eine Beziehung zwischen der Sauerstoffmenge und der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases bzw. eine Beziehung zwischen der Motorlast und der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases. Da die Verhältniszahl der Luftschicht entsprechend der Zunahme der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases abnimmt, nimmt die Sauerstoffmenge in der Brennkammer 5 ab, wie in 11A dargestellt. Das hat zur Folge, dass die Menge des in die Brennkammer 5 eingespritzten Kraftstoffs abnimmt, und daher nimmt auch die Last des Motors 1 entsprechend der Zunahme der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases ab, wie in 11B gezeigt. In einem Fall, bei dem es wichtig ist, die Verbrennung des Kraftstoffs stabil durchzuführen, ist es demgemäss vorzuziehen, für die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases unter der Bedingung niedriger Last, bei der der Kraftstoffverbrauch gering ist, den hohen Wert zu wählen. Infolgedessen ist es notwendig, das Verhältnis zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht entsprechend der Motorlast zu verändern.
12 zeigt eine Gasverteilungssituation in der Brennkammer 5, wenn der Motor 1 unter der Bedingung niedriger Last arbeitet. Indem das Einlassluft- Steuerungsventil 39 zur Anpassung an die Bedingung niedriger Last auf einen fast geschlossenen Zustand eingestellt wird, wird die Menge der aus der zweiten Einlassöffnung 7b zugeführten Frischluft B verringert, und daher wird die Menge des aus der ersten Einlassöffnung 7a eingespeisten zurückgeführten Abgases A erhöht. Folglich erhöht sich die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases im Vergleich zu der Verhältniszahl im Falle von 6.
13 zeigt eine Gasverteilungssituation in der Brennkammer 5, wenn der Motor 1 unter der Bedingung hoher Last arbeitet. Durch Einstellen von Einlassluft- Steuerungsventil 39 auf einen voll geöffneten Zustand und durch Verkleinerung der Öffnung des Abgasrückführungs- Steuerventils 21 wird die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases verringert.
14 zeigt die Kraftstoffverteilung G des von Kraftstoffeinspritzer 15 in die Brennkammer 5 eingespritzten Kraftstoffs in der in 12 gezeigte Gasverteilungssituationen bei niedriger Last. 15 zeigt die Kraftstoffverteilung G des vom Kraftstoffeinspritzer in die Brennkammer 5 eingespritzten Kraftstoffs in der in 13 gezeigte Gasverteilungssituationen bei hoher Last. In beiden Fällen erstreckt sich die Kraftstoffverteilung G bis zur Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht, wie in den 14 und 15 deutlich zu sehen ist. Diese Kombination aus Gestaltung der Kraftstoffeinspritzung und Variation des Verhältnisses zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht ermöglicht die aufeinanderfolgende Selbstentzündung durch Ausnutzung des Temperaturgradienten, ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel. Das heißt, die Selbstentzündungs- Verbrennung wird durch diesen Kombinationsbetrieb gleichmäßig ausgeführt, ohne dass Klopfen verursacht wird. In den 14 und 15 ist ein Bereich g in dem Kraftstoffeinspritzbereich G ein zentraler Ab schnitt, in dem ein angereichertes Kraftstoff- Verhältnis vorliegt, und ein Bereich rund um den Bereich g im Bereich G wird in den leicht angereicherten Zustand versetzt.
Der Kraftstoff- Zündzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzers 15 wird so variiert, dass der Kraftstoff G richtig in die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht eingespritzt wird, wie in den 14 und 15 gezeigt. Im Zustand niedriger Last wird die Kraftstoffeinspritzung zu dem Zeitpunkt vorgenommen, wenn der Kolben 3 in der zweiten Hälfte des Verdichtungshubs in die Nähe des oberen Totpunkts gelangt. Wenn sich Kolben 3 in der Nähe des oberen Totpunkts befindet, ist der Gegendruck hoch, und daher wird die Expansionskraft des eingespritzten Kraftstoffs unterdrückt. Dementsprechend wird der Kraftstoffverteilungsbereich in der Nähe des Kraftstoffeinspritzers 15 kompakt gestaltet, wie in 14 gezeigt. Dieser kompakte Kraftstoffverteilungsbereich trägt wirksam dazu bei, die Zündung im Zustand niedriger Last, in dem die Menge des eingespritzten Kraftstoffs klein ist, zu begünstigen.
Auf der anderen Seite wird im Zustand hoher Last das Einspritzen des Kraftstoffs zu einem früheren Zeitpunkt als dem Zeitpunkt im Zustand niedriger Last vorgenommen. Wenn der Kraftstoff zu dem früheren Zeitpunkt eingespritzt wird, ist der Gegendruck im Vergleich zu dem zum Zeitpunkt nahe dem oberen Totpunkt gering, und daher wird die Expansionskraft des eingespritzten Kraftstoffs groß. Dementsprechend wird der Kraftstoffverteilungsbereich in einem vom Kraftstoffeinspritzer 15 entfernten Gebiet gebildet, wie in 15 gezeigt. Im Zustand hoher Last, in dem die Menge des eingespritzten Kraftstoffs groß ist, trägt das frühere Einspritzen des Kraftstoffs wirksam dazu bei, die Verteilung des Kraftstoffs in der Brennkammer 5 zu begünstigen.
16 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt und der Motorlast, die in dem zweiten Ausführungsbeispiel angewandt wird. Je höher die Motorlast wird, desto so mehr wird der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt vorverlegt. Durch Veränderung des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts gemäß dem Verhältnis zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht entsprechend dem Zustand der Motorlast wird es möglich, den Kraftstoff in die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht einzuspritzen. Das macht es möglich, die Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung in einem breiteren Betriebszustandsbereich des Motors zu bewirken.
Unter Bezug auf die 17 bis 20 wird im Folgenden der Motor 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel erörtert. Das dritte Ausführungsbeispiel ist im Allgemeinen dem in 10 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Schicht zurückgeführten Abgases und die Luftschicht der Motordrehzahl entsprechend verändert werden. In diesem dritten Ausführungsbeispiel wird der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt so verändert, dass der Kraftstoff in die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht eingespritzt wird, ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Fortschrittsgrad der Vorreaktion und der Motordrehzahl unter der Bedingung des spezifischen Kurbelwinkels. Je höher die Motordrehzahl wird, desto geringer wird die tatsächliche Zeit für das Vorverlegen der Vorreaktion. Daher wird der Fortschrittsgrad der Vorreaktion entsprechend der Zunahme der Motordrehzahl verringert. Das bedeutet, dass die Zündfähigkeit des Kraftstoffs sich entsprechend der Zunahme der Motordrehzahl verschlechtert. Es ist folglich vorzuziehen, die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases zu vergrößern, wenn der Motor 1 unter der Bedingung einer hohen Motordrehzahl läuft, um die Zündfähigkeit zu fördern.
Mit diesem System wird es durch Verändern des Verhältnisses zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht entsprechend der Motordrehzahl und durch Verändern des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts entsprechend der Motordrehzahl möglich, den Kraftstoff in die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht einzuspritzen, selbst wenn die Motordrehzahl verändert wird. Das macht es möglich, auch bei Veränderung der Motordrehzahl die Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung zu bewirken.
18 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verhältnis zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht, der Motorlast und der Motordrehzahl, die bei der Steuerung des Motors 1 genutzt wird. Wie in 18 klar zu sehen, wird die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases entsprechend der Erhöhung der Motordrehzahl erhöht, wenn Motor 1 im Zustand niedriger Last läuft. 19 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt, der Motorlast und der Motordrehzahl. Wie in 19 deutlich zu sehen ist, wird der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt entsprechend der Erhöhung der Motordrehzahl im Zustand niedriger Last verzögert. Das heißt, durch Vergrößerung der Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases nähert sich die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht der Position des Kraftstoffeinspritzers 15.
20 zeigt ein Diagramm der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung. Ein Gebiet, das von einer durchgehenden Linie umgeben wird, zeigt den Bereich der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung nach der vorliegenden Erfindung. In diesem Bereich verhält es sich so, dass die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases entsprechend der Zunahme der Motordrehzahl unter der Bedingung niedriger Last erhöht wird. Ein weiteres Gebiet, das von einer unterbrochenen Linie umgeben ist, zeigt einen herkömmlichen Bereich der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung. Wie 20 deutlich zeigt, ist der Bereich der Kompressions- Selbstentzündungs-Verbrennung nach der vorliegenden Erfindung weit größer als der nach dem herkömmlichen Stand der Technik. Genauer gesagt, ist der Bereich der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung nach der vorliegenden Erfindung nach der Seite der niedrigeren Motorlast und der Seite der höheren Motorlast und der Seite der höheren Motordrehzahl hin erweitert.
In den 21 bis 23 wird der Motor 1 nach einem viertem Ausführungsbeispiel gezeigt. 21 zeigt eine Draufsicht auf die Brennkammer 5 von Motor 1 nach dem vierten Ausführungsbeispiel, die der 2 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Das vierte Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Abgasrückführungskanal 19a ein weiterer Abgasrückführungskanal 19b vorgesehen ist, der mit der zweiten Einlassöffnung 7b und der zweiten Auslassöffnung 9b verbunden ist. Das erste bzw. zweite Abgasrückführungs- Steuerventil 21a bzw. 21b ist in dem ersten bzw. zweiten Abgasrückführungskanal 19a bzw. 19b installiert, und beide werden von der elektronischen Steuereinheit 23 gesteuert. Weiterhin ist an jeder der Einlassöffnungen 7a und 7b eine Trennwand 41 vorgesehen. Jede Trennwand 41 erstreckt sich vom Eintritt in die Brennkammer 5 bis zu einer Stelle, die leicht stromaufwärts der Verbindungsöffnungen der Abgasrückführungskanäle 19a, 19b zu den Einlassöffnungen 7a, 7b liegt. Kraftstoffeinspritzer 15 ist in dem zentralen und oberen Teil über der Brennkammer 5 angeordnet, ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel. Der weitere Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels ist dem in 1 gezeigten des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
22 zeigt eine Gasverteilungssituation in der Brennkammer 5 nach dem vierten Ausführungsbeispiel. Der erste Abgasrückführungskanal 19a führt zurückgeführtes Abgas A im Kreislauf zur rechten Seite der ersten Einlassöffnung 7a mit der ersten Trennwand 41a, und daher wird die Schicht zurückgeführten Abgases in einer Zone an der rechten Seite längs der Zylinderwand gebildet. In gleicher Weise führt der zweite Abgasrückführungskanal 19b zurückgeführtes Abgas A im Kreislauf zur linken Seite der zweiten Einlassöffnung 7b mit der zweiten Trennwand 41b, und daher wird die Schicht zurückgeführten Abgases in einer Zone an der linken Seite längs der Zylinderwand gebildet, wie in 22 gezeigt. Des Weiteren wird Frischluft B durch die linke Seite der ersten Einlassöffnung 7a und die rechte Seite der zweiten Einlassöffnung 7b in einen zentralen Teil der Brennkammer 5 eingespeist, und daher wird die Luftschicht in einem zentralen Teil der Brennkammer 5 gebildet, wie in 22 gezeigt. Es leuchtet ein, dass die Positionen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht gegeneinander ausgetauscht werden können.
23 zeigt eine Kraftstoffverteilungssituation des Kraftstoffs G, der vom Kraftstoffeinspritzer 15 in der in 22 gezeigten Gasverteilungssituation eingespritzt wird. Der Kraftstoffeinspritzer 15 dieses vierten Ausführungsbeispiels ist mit zwei Einspritzöffnungen versehen, die auf die rechte und die linke Grenzzone gerichtet sind. Dementsprechend wird es möglich, den Kraftstoff G gleichzeitig in beide Grenzzonen einzuspritzen, wie in 23 gezeigt. Dieser Kraftstoffeinspritzer 15 mit zwei Einspritzöffnungen kann durch einen normalen Kraftstoffeinspritzer vom Diffusionstyp ersetzt werden.
Jede Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht in 22 bewegt sich in die rechte und die linke Richtung, wenn das Verhältnis zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht durch Steuern der Abgasrückführungs- Steuerventile 21a und 21b entsprechend dem Betriebszustand des Motors verändert wird. Daher werden die Kraftstoffeinspritzbereiche durch Verändern des Kraftstoffeinspritzungszeitpunkts gesteuert, so dass der Kraftstoff in jede Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht eingespritzt wird.
Unter Bezug auf die 24 bis 26B wird im Folgenden ein fünftes Ausführungsbeispiel erörtert. 24 zeigt den Aufbau eines Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennungsmotors 1 nach dem fünften Ausführungsbeispiel.
Das fünfte Ausführungsbeispiel ist so beschaffen, dass es keinen Abgasrückführungskanal 19 und kein Abgasrückführungs- Steuerventil 21 aufweist. Weiterhin wird ein jedes der Einlassventile 11 und Auslassventile 13 von einem Mechanismus für den variablen Ventil- Betätigungszeitpunkt 43 betätigt. Die elektronische Steuereinheit 23 gibt an jeden Mechanismus für den variablen Ventil- Betätigungszeitpunkt 43 ein Steuersignal aus, wie in 24 gezeigt, um den Ventil- Betätigungszeitpunkt zu steuern. Dementsprechend werden die Schicht zurückgeführten Abgases und die Luftschicht in der Brennkammer 5 durch Steuerung des Öffnungs- und des Schließzeitpunkts des Auslassventils 13 erzeugt. Es leuchtet ein, dass der Mechanismus für den variablen Ventil-Betätigungszeitpunkt 43 ein elektromagnetischer Ventilantriebsmechanismus, der mit elektromagnetischen Spulen arbeitet, oder ein bekannter mechanischer Ventilantriebsmechanismus sein kann. Der Kraftstoffeinspritzer 15 ist an einer Stelle untergebracht, die vom Zentrum leicht zur Einlassöffnung 7 hin versetzt ist.
Die 25A, 25B, 25C und 25D zeigen Gasverteilungssituationen für vier Hübe vom Ansaughub bis zum Auspuffhub. 25A zeigt die Gasverteilungssituation während des Ansaughubs, wobei sowohl Einlassventil 11 als auch Auslassventil 13 geöffnet sind. Daher wird Frischluft aus der Einlassöffnung 7 in die Brennkammer 5 eingespeist, und Abgas wird aus der Auslassöffnung 9 in die Brennkammer 5 eingeleitet. In der in 25A gezeigten Brennkammer 5 wird die Schicht zurückgeführten Abgases in der rechten Hälfte der Brennkammer 5 durch zurückgeführtes Abgas A gebildet, das aus der Auslassöffnung 9 zugeführt wird, und die Luftschicht wird in der linken Hälfte der Brennkammer 5 durch Frischluft B gebildet, die aus der Einlassöffnung 7 zugeführt wird. Zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Kolben 3 während des Verdichtungshubs nahe dem oberen Totpunkt befindet, wie in 25B gezeigt, wird Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzer 15 zur Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht hin eingespritzt, und dann wird die Selbstentzündung bewirkt. Danach schreitet der Verbrennungszyklus zum Arbeitshub, der in 25C gezeigt wird, sowie zum in 25D gezeigten Auspuffhub fort.
26A zeigt eine Ventilöffnungs- Charakteristik während der Kompressions-Selbstentzündungs- Verbrennung. Diese in 26A gezeigte charakteristische Kurve wird im fünften Ausführungsbeispiel genutzt und ist so eingerichtet, dass der Schließzeitpunkt des Auslassventils 13 nach dem oberen Totpunkt während des Auspuffhubs im Vergleich zu einer Ventilöffnungs- Charakteristik während der Fremdzündungs- Verbrennung, die in 26B gezeigt wird, hinreichend verzögert wird. Durch Verändern des Schließzeitpunkts des Auslassventils 13 wird es möglich, die Fremdzündungs-Verbrennung und die Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung zu gewährleisten.
Unter Bezug auf die 27A bis 28B wird im Folgenden ein sechstes Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung erörtert. Die 27A und 27B zeigen die Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennungen, die von Motor 1 nach dem sechsten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden. Der grundlegende Aufbau des sechsten Ausführungsbeispiels ist im Allgemeinen dem des in 24 gezeigten fünften Ausführungsbeispiels ähnlich, mit den Ausnahmen, dass der Kraftstoffeinspritzer 15 sich in einer Position befindet, die zur Einlassöffnung 7 hin versetzt ist, und dass das Verhältnis zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht durch Veränderung des Schließzeitpunkts des Auslassventils 13 verändert wird, wie in den 27A und 27B gezeigt.
Die 28A und 28B zeigen Ventilöffnungs- Charakteristiken während der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung nach dem sechsten Ausführungsbeispiel. Die in 28A gezeigte Ventilöffnungs- Charakteristik wird genutzt, um die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases zu erhöhen, indem der Schließzeitpunkt des Auslassventils 13 im Vergleich zu dem in 26A gezeigten Zeitpunkt zum unteren Totpunkt des Ansaughubs hin verzögert wird. Diese Verzögerungsmaßnahme erhöht die Menge des in die Brennkammer 5 einzuleitenden zurückgeführten Abgases A und erzielt den in 27A gezeigten Zustand. Auf der anderen Seite wird die in 28B gezeigte Ventilöffnungs- Charakteristik genutzt, um die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases zu verringern, indem der Schließzeitpunkt des Auslassventils im Vergleich zu dem in 26B gezeigten Schließzeitpunkt zum oberen Totpunkt des Auspuffhubs hin vorgezogen wird. Diese Vorverlegungsmaßnahme verringert die Menge des in die Brennkammer 5 einzuleitenden zurückgeführten Abgases A und erzielt den in 27B gezeigten Zustand. Wie weiter oben erwähnt, kann das Verhältnis zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht durch Steuerung des Schließzeitpunkts des Auslassventils 13 verändert werden. Daher wird es möglich, die Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung innerhalb eines breiteren Motorbetriebsbereichs durchzuführen. Außerdem ist der Kraftstoffeinspritzer 15 an einer Stelle untergebracht, die vom Zentrum zu der Position nahe der Einlassöffnung 7 hin versetzt ist. Daher wird es möglich, selbst wenn die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht zwischen der in 27A gezeigten Position nahe der Einlassöffnung und der in 27B gezeigten Position nahe der Auslassöffnung bewegt wird, die Kraftstoffeinspritzzone in der Brennkammer 5 so zu bewegen, dass sie sich in der veränderten Grenzzone befindet, wie anhand der G- Zonen in den 27A und 27B gezeigt. Das heißt, wenn die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht nahe dem Kraftstoffeinspritzer 15 liegt, wie in 27A gezeigt, wird der Kraftstoff zu dem Zeitpunkt eingespritzt, an dem der Kolben 3 sich nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs befindet, wo der Gegendruck in der Brennkammer 5 hoch ist. Wenn die Grenzzone an einer vom Kraftstoffeinspritzer 15 entfernten Stelle wie in 27B liegt, dann wird der Kraftstoff zu einem früheren Zeitpunkt als dem in 27A gezeigten Zeitpunkt eingespritzt.
Unter Bezug auf die 29 bis 33 wird im Folgenden ein siebentes Ausführungsbeispiel erörtert. 29 zeigt eine Draufsicht auf Motor 1 nach dem siebenten Ausführungsbeispiel, die der 2 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Der grundlegende Aufbau des siebenten Ausführungsbeispiels ist im Allgemeinen dem des in 24 gezeigten fünften Ausführungsbeispiels ähnlich, mit Ausnahme der folgenden Anordnung: Das siebente Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einlassöffnungen 7a und 7b in schräger Stellung mit der Brennkammer 5 verbunden sind, so dass das Gas entlang der inneren Oberfläche des Zylinders in der Brennkammer 5 in Drehbewegung versetzt wird, wie durch Pfeile in 29 angedeutet. Das bedeutet, dass Motor 1 nach dem siebenten Ausführungsbeispiel so gestaltet ist, dass in der Brennkammer 5 ein Wirbelstrom erzeugt wird. Anstelle dieser Anordnung der Einlassöffnungen 7a und 7b können auch schraubenförmige Öffnungen verwendet werden.
30 zeigt eine Gasverteilung in der Brennkammer 5 des Motors 1 nach dem siebenten Ausführungsbeispiel. Die untere Schicht in 30, die mit der Fläche am oberen Ende des Kolbens 3 in Kontakt steht, ist die durch das zurückgeführte Abgas A gebildete Schicht zurückgeführten Abgases, und die obere Schicht ist die Luftschicht, die durch die Frischluft B gebildet wird. Es leuchtet ein, dass die Positionen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht miteinander vertauscht werden können. Der Kraftstoffeinspritzer 15 befindet sich an einer zentralen und oberen Position in der Brennkammer 5 und ist so angeordnet, dass er den Kraftstoff in die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht einspritzt. Der Kraftstoffeinspritzer 15 spritzt den Kraftstoff in einer im Allgemeinen horizontalen Richtung, wie es durch Pfeile in 30 dargestellt wird, zu dem Zeitpunkt ein, wenn der Kolben 3 eine Position nahe dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs erreicht. Diese Anordnung ermöglicht es, den Kraftstoff zuverlässig in die Grenzzone einzuspritzen.
Die Bildung der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht an der oberen und der unteren Seite wird durch die unterschiedliche Wahl der Zeiträume erreicht, in denen die jeweiligen Einlassventile 11 für die jeweiligen Einlassöffnungen 7a und 7b offen sind, wie in den 31A und 31B gezeigt. Genauer gesagt, steuert die elektronische Steuereinheit 23 die Mechanismen für den variablen Ventil- Betätigungszeitpunkt 43 so, dass das Einlassventil 11 für die erste Einlassöffnung 7a, mit der der Abgasrückführungskanal 19 verbunden ist, vor dem Einlassventil 11 für die zweite Einlassöffnung 7b geöffnet wird. Diese Prozessanordnung macht es möglich, die Schicht zurückgeführten Abgases mit Hilfe der Betriebsweise, zurückgeführtes Abgas A der unteren Seite zuzuführen, an der unteren Seite in der Brennkammer 5 zu bilden. Im Anschluss an die Öffnung des Einlassventils 11 für die erste Einlassöffnung 7a wird das Einlassventil 11 für die zweite Einlassöffnung 7b geöffnet, um Frischluft B zur oberen Seite über der Schicht zurückgeführten Abgases zuzuführen. Diese Zufuhr von Frischluft B zur oberen Seite erzeugt die Luftschicht über der Schicht zurückgeführten Abgases.
31A zeigt eine Ventilöffnungs- Charakteristik, die angewandt wird, um die Verhältniszahl der Schicht zurückgeführten Abgases im Vergleich zu dem Fall in 31B zu erhöhen. Genauer gesagt, steuert die elektronische Steuereinheit 23 den Mechanismus für den variablen Ventil- Betätigungszeitpunkt 43 für jedes Einlassventil 11 so, dass im Vergleich zu den in 31B gezeigten Zeiträumen der Öffnungszeitraum des Einlassventils 11 für die erste Einlassöffnung 7a verlängert und der Öffnungszeitraum des Auslassventils 13 für die zweite Einlassöffnung 7b verkürzt wird.
Als eine Abwandlung der 31A und 31B kann die Betriebsweise der Einlassventile 11 und der Auslassventile umgestellt werden, so dass zuerst das linke Einlassventil 11 für die Bildung der Luftschicht und anschließend das rechte Einlassventil 11 für die Bildung der Schicht zurückgeführten Abgases geöffnet wird, um die Luftschicht an die untere Seite zu verlegen, die mit der Fläche am oberen Ende des Kolbens 3 in Kontakt steht, und die Schicht zurückgeführten Abgases an die obere Seite über der Luftschicht zu verlegen. Weiterhin lässt sich diese Bildung der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht lediglich durch die unterschiedliche Wahl der Öffnungs- und Schließzeiten der beiden Einlassventile 11 erreichen, ohne in der Brennkammer 5 Wirbelstrom zu erzeugen. Außerdem lässt sich diese Schichtbildung lediglich durch die Erzeugung von Wirbelstrom in der Brennkammer erreichen, ohne die unterschiedliche Wahl der Öffnungs- und Schließzeiten der beiden Einlassventile 11.
Im Allgemeinen nimmt der Temperaturgradient, da die Wärme in der Brennkammer 5 von der Innenwand eines jeden Zylinders nach außen abgestrahlt wird, seinen größten Wert in der Nähe der Innenwand an. Dementsprechend wird durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Bereich nahe der Innenwand die Selbstentzündung in dem Gebiet des großen Temperaturgradienten gestartet, wo ein angereichertes Luft- Kraftstoff- Verhältnis vorliegt. Des Weiteren wird die Selbstentzündung nacheinander von dem Gebiet des großen Temperaturgradienten zu dem Gebiet des kleinen Temperaturgradienten hin bewirkt, so dass eine langsame Verbrennung erfolgt. Aus diesem Grunde wird Klopfen infolge einer heftigen Verbrennung verhindert.
Die Erzeugung von Wirbelstrom in der Brennkammer 5 trägt wirksam dazu bei, das Gebiet des großen Temperaturgradienten in der Brennkammer 5 zu erzeugen. 32A zeigt die Veränderung des Temperaturgradienten in der Brennkammer 5 entlang der Durchmesserlinie, die durch das Zentrum verläuft. In 32A stellt eine durchgezogene Linie den Temperaturgradienten im Falle der Erzeugung eines Wirbels dar, und eine gestrichelte Linie zeigt den Temperaturgradienten für den Fall, dass kein Wirbel erzeugt wird. Aus 32A geht klar hervor, dass die Wärme bei Erzeugung eines Wirbels eindeutig durch den an der Innenwand entlangströmenden Wirbelstrom nach außen transportiert wird. Indem durch Einspritzen des Kraftstoffs in die Zone nahe der Innenwand, wie in 32B gezeigt, das Luft- Kraftstoff- Verhältnis in der Zone nahe der Innenwand angereichert wird, wird dementsprechend Klopfen infolge heftiger Verbrennung verhindert.
Indem der obere Teil des Kolbens 3 so ausgebildet wird, dass er eine vertiefte Zone 3a aufweist, wie in 33 gezeigt, wird es außerdem möglich, den zentralen Teil im Zustand hoher Temperatur zu halten. Diese Vorkehrung ermöglicht einen großen Temperaturgradienten in dem Abschnitt nahe der Innenwand.
In den 34 bis 37 wird ein achtes Ausführungsbeispiel des Motors nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das achte Ausführungsbeispiel ist so beschaffen, dass es keinen Abgasrückführungskanal 19 und kein Abgasrückführungs- Steuerventil 21 aufweist, wie in 34 gezeigt. Weiterhin wird ein jedes Einlassventil 11 und ein jedes Auslassventil 13 von einem Mechanismus für den variablen Ventil- Betätigungszeitpunkt 43 betätigt, ähnlich wie beim fünften Ausführungsbeispiel, das in 24 gezeigt wird. Dementsprechend verbleibt inneres zurückgeführtes Abgas dadurch in der Brennkammer 5, dass der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt des Auslassventils 13 gesteuert wird. Es leuchtet ein, dass der Mechanismus für den variablen Ventil- Betätigungszeitpunkt 43 ein elektromagnetischer Ventilantriebsmechanismus, der mit elektromagnetischen Spulen arbeitet, oder ein bekannter mechanischer Ventilantriebsmechanismus sein kann. Weiterhin ist, wie in 34 gezeigt, das achte Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass an dem Eintritt zu der ersten Einlassöffnung 7a ein Wirbelsteuerungsventil 45 vorgesehen ist. Die elektronische Steuereinheit 23 steuert den Öffnungsgrad des Wirbelsteuerungsventils 45 durch Ausgabe eines Steuersignals an das Wirbelsteuerungsventil 45. Durch Steuerung des Öffnungsgrads des Wirbelsteuerungsventils 45 wird der in die Brennkammer 5 gerichtete Frischluft- Wirbel gesteuert. Des Weiteren ist der Kraftstoffeinspritzer 15 an einem oberen und zentralen Teil der Brennkammer 5 unterge bracht, und die Zündkerze 17 ist nahe dem Kraftstoffeinspritzer 15 angeordnet, wie in 37 gezeigt.
Die 35 und 36 zeigen die Form einer Fläche am oberen Ende des Kolbens 3, der im achten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Wie in den 35 und 36 deutlich zu sehen ist, befindet sich im zentralen Teil der Fläche am oberen Ende des Kolbens 3 einer vertieften Zone 55 mit einer gewölbten Oberfläche. Die vertiefte Zone 55 wirkt so, dass sie die Strömungskraft, die während des Ansaughubs erzeugt wird, bis zur zweiten Hälfte des Verdichtungshubs aufrechterhält und ein erforderliches Volumen der Brennkammer gewährleistet. Ein Abschnitt, der die vertiefte Zone 55 umgibt, ist längs der Pultdachform eines oberen Teils 5a der Brennkammer 5 ausgebildet (der obere Teil wird durch einen Zylinderkopf definiert). Außerdem weist ein Teil des die vertiefte Zone umgebenden Abschnitts von Kolben 3 ein Paar „weicher" Zonen 56 zur Erzeugung einer „weichen" Strömung an Abschnitten auf, die dem Einlassventil 11 bzw. dem Auslassventil 13 gegenüberliegen. Die Wirkung der „weichen" Zonen 56 des Kolbens 3 besteht in der Erzeugung einer „weichen" Strömung.
34 zeigt einen Zustand während des Vorgangs der Schichtbildung von Frischluft und innerem zurückgeführtem Abgas, wenn der Motor 1 mit Kompressions-Selbstentzündungs- Verbrennung läuft. Während der Kompressions- Selbstentzündungs- Verbrennung überschneiden sich die Ventil- Betätigungszeitpunkte von Einlass- und Auslassventil 11 und 13 infolge der Steuerung durch die elektronische Steuereinheit 23, so dass das Hochtemperatur- Verbrennungsgas als inneres zurückgeführtes Abgas G in der Brennkammer 5 verbleibt.
Des Weiteren wird, wenn ein Drosselventil des Motors 1 in den voll geöffneten Zustand versetzt wird und das Wirbelsteuerungsventil 45 die erste Einlassöffnung 7a verschließt, Frischluft durch die zweite Öffnung 7b in die Brennkammer 5 eingeleitet, wie in 34 durch einen Pfeil angedeutet, und daher wird in der Brennkammer 5 ein Wirbelstrom S erzeugt. Es leuchtet ein, dass die zweite Einlassöffnung 7b eine schraubenförmige Gestalt aufweisen kann, um das Ausmaß des Wirbelstroms zu verstärken.
Infolge des Wirbelstroms wirbelt die der Brennkammer 5 zugeführte Frischluft A an der inneren Wand des Zylinders entlang. Da die Frischluft A im Vergleich zum inneren zurückgeführten Abgas G eine niedrige Temperatur und eine hohe Dichte aufweist, ist die durch den Wirbel verursachte Zentrifugalkraft der Frischluft A größer als die durch den Wirbel verursachte Zentrifugalkraft des inneren zurückgeführten Abgases G. Im Ergebnis dessen gelangt Frischluft A in einen äußeren Abschnitt am Umfang der Brenn kammer 5, und das innere zurückgeführte Abgas G gelangt in einen zentralen Abschnitt der Brennkammer 5. Das bedeutet, dass in der Brennkammer die Bildung einer Frischluftschicht und einer Schicht inneren zurückgeführten Abgases erfolgt, wie in 37 gezeigt.
Das innere zurückgeführte Abgas G weist die Eigenschaften hohe Temperatur und niedrige Dichte auf. Die Frischluft A hat die Eigenschaften niedrige Temperatur und hohe Dichte. Deswegen wird eine durch den Wirbelstrom hervorgerufene Zentrifugalkraft größer als die des inneren zurückgeführten Abgases G. Dann wird durch Einspritzen des Kraftstoffs an die vorgesehene Stelle die Kompressions- Selbstentzündung bewirkt. Somit wird durch die Bildung der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht auf eine Weise, dass die Schicht des inneren zurückgeführten Abgases in einen zentralen Abschnitt in der Brennkammer 5 gelangt und die Luftschicht in dem Abschnitt untergebracht wird, der die Schicht des inneren zurückgeführten Abgases umgibt, und indem der Kraftstoff an die vorgesehene Stelle eingespritzt wird, die Kompressions- Selbstentzündung störungsfrei ausgeführt.
In den oben erörterten Ausführungsbeispielen entspricht die Grenzzone zwischen der Schicht zurückgeführten Abgases und der Luftschicht einem Gebiet, in dem der Temperaturgradient in der Brennkammer 5 groß ist. Aus diesem Grunde werden, auch wenn die Schicht zurückgeführten Abgases nicht gebildet wird, durch Einspritzen des Kraftstoffs in das Gebiet der Luftschicht mit dem großen Temperaturgradienten in der Brennkammer 5 die Vorteile erzielt, die denen der oben erörterten Ausführungsbeispiele entsprechen.
Der Motor 1 nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist so gestaltet, dass eine Gasschicht hoher Temperatur und eine Gasschicht niedriger Temperatur in der Brennkammer 5 gebildet werden und dass Kraftstoff in beide Schichten eingespritzt wird. Demgemäss erhöht der in die Gasschicht hoher Temperatur eingespritzte Kraftstoff infolge des Verdichtungsvorgangs beim Verdichtungshub ihre Temperatur und bewirkt verlässlich die Selbstentzündung. Während dieser Selbstentzündung in der Gasschicht hoher Temperatur ist der zu verbrennende Kraftstoff ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs, und daher verläuft die Verbrennung schonend, ohne übermäßig heftig zu werden. Auf der anderen Seite wird der in die Gasschicht niedriger Temperatur eingespritzte Kraftstoff, wenn er auch ihre Temperatur nur ungenügend erhöht, infolge der durch die Verbrennung in der Gasschicht hoher Temperatur verursachtentemperatur- und Druckerhöhung verlässlich entzündet.
Weiterhin ist der Motor 1 nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen so gestaltet, dass in der Brennkammer 5 eine Gasschicht hoher Temperatur und eine Gasschicht niedriger Temperatur gebildet werden und dass der Kraftstoff in die Grenzzone zwischen der Gasschicht hoher Temperatur und der Gasschicht niedriger Temperatur eingespritzt wird. Dementsprechend liegt in der Grenzzone zwischen der Gasschicht hoher Temperatur und der Gasschicht niedriger Temperatur ein solcher Temperaturgradient vor, dass die Temperatur von der Seite der Gasschicht hoher Temperatur zur Seite der Gasschicht niedriger Temperatur hin abnimmt. Nachdem in der Grenzzone auf der Seite der Gasschicht hoher Temperatur die Selbstentzündung hervorgerufen worden ist, schreitet die Selbstentzündung nacheinander entsprechend dem Temperaturgradienten zur niedrigen Temperatur hin fort. Daher erfolgt dadurch die Verbrennung schonend.

Claims

Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor, der aufweist: eine Schichtbildungsvorrichtung, die Gas in einer Brennkammer des Motors schichtet; einen Kraftstoffeinspritzer, der Kraftstoff direkt in die Brennkammer einspritzt; und eine Steuerung, die mit der Schichtbildungsvorrichtung und dem Einspritzerverbunden ist, wobei die Steuerung die Schichtbildungsvorrichtung steuert, um eine Hochtemperatur- Gasschicht eines Hochtemperaturgases und eine Niedertemperatur- Gasschicht eines Niedertemperaturgases in der Brennkammer zu bilden, wobei die Steuerung den Kraftstoffeinspritzer steuert, um den Kraftstoff sowohl in die Hochtemperatur- Gasschicht, als auch in die Niedertemperatur- Gasschicht einzuspritzen.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Steuerung den Kraftstoffeinspritzer steuert, um den Kraftstoff in Richtung zu einer Grenzzone zwischen der Hochtemperatur- Gasschicht und der Niedertemperatur-Gasschicht einzuspritzen.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Hochtemperatur- Gasschicht eine Schicht ist, die hauptsächlich Verbrennungsgas enthält, und die Niedertemperatur- Gasschicht eine Schicht ist, die hauptsächlich Frischluft enthält.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, der außerdem aufweist zwei Einlassöffnungen, verbunden mit der Brennkammer, und einen Abgasrückführungskanal, der eine der Einlassöffnungen und eine Auslassöffnung, verbunden mit der Brennkammer, verbindet, um Abgas in die Einlassöffnung zurückzuführen.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 4, der außerdem zwei Einlassventile, jeweils installiert in den zwei Einlassöffnungen, aufweist, wo bei ein Ventilöffnungszeitpunkt eines der zwei Einlassventile von einem Ventilöffnungszeitpunkt des anderen der zwei Einlassventile verschieden ist.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 5, wobei die Steuerung eine Überlappungszeitdauer festlegt, wenn eine Ventilöffnungszeitdauer des Auslassventiles mit einer Ventilöffnungszeitdauer des Einlassventiles überlappt ist, durch Festlegen eines Ventilschließzeitpunktes eines in der Auslassöffnung installierten Auslassventiles zu einem Zeitpunkt während des Einlasshubs des Motors, nachdem der Kolben durch einen oberen Totpunkt hindurchgeht, wobei während der Überlappungszeitdauer die Niedertemperatur- Gasschichterzeugt wird, durch Zuführen von Luft durch die Einlassöffnung in die Brennkammer, und die Hochtemperatur- Gasschicht erzeugt wird durch direktes Rückführen des Abgases von dem Abgaskanal in die Brennkammer.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, der außerdem aufweist eine Einlassöffnung, die durch eine Trennwand in zwei Kanäle getrennt ist, wobei einer der abgetrennten Kanäle mit einem Abgasrückführungskanal, verbunden mit einer Auslassöffnung, verbunden mit der Brennkammer, verbunden ist, um Abgas zu dem einen abgetrennten Kanal zurückzuführen.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ein Verhältnis der Hochtemperatur- Gasschicht zu der Niedertemperatur-Gasschicht entsprechend der Erhöhung einer Motorlast vermindert.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ein Verhältnis der Hochtemperatur- Gasschicht zu der Niedertemperatur-Gasschicht entsprechend der Erhöhung einer Motordrehzahl erhöht.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Steuerung einen Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt des Kraftstoffeinspritzers entsprechend der Veränderung eines Verhältnisses zwischen der Hochtemperatur- Gasschicht und der Niedertemperatur- Gasschicht verändert.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Schichtbildungsvorrichtung zumindest eines von einem Abgasrückführungsventil, einem Einlassventil, einem Auslassventil, einem Strömungssteuerungsventil und einem Öffnungsgrad eines Wirbelsteuerungsventils enthält.
Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor nach Anspruch 1, wobei die Schichtbildungsvorrichtung einen Aufbau von zwei mit der Brennkammer verbundenen Einlassöffnungen enthält.
Verfahren zum Steuern eines Kompressions- Selbstzündungs- Benzinmotor, das aufweist: Schichtbilden von Gas in einer Brennkammer des Motors in eine Hochtemperatur-Gasschicht und eine Niedertemperatur- Gasschicht; und Einspritzen von Kraftstoff in sowohl die Hochtemperatur- Gasschicht, als auch die Niedertemperatur- Gasschicht.