DE60200744T2

DE60200744T2 - Funkgezündete Brennkraftmaschine mit Direkt-Einspritzung und Turbolader

Info

Publication number: DE60200744T2
Application number: DE60200744T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Umezono; Hiroyasu Uchida; Mikihito Fujii
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: JP2003027978A; JP4432290B2; US20030024499A1; EP1277943A1; EP1277943B1; US6550445B2; DE60200744D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Funkzündungs-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit einem Verdichter bzw. Turbolader, welche mit einem Verdichter bzw. Auflader ausgestattet ist, zum Verdichten von Einlaßluft und welche Kraftstoff schichtet, der direkt in die Brennkammer rund um die Elektroden der Zündkerzen innerhalb der Zylinder eingespritzt wurde, und ihn verbrennt, und insbesondere bezieht sie sich auf das technologische Gebiet einer Verbrennungssteuerung bzw. -regelung in einem bestimmten Fahrbereich an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite.
In einem konventionellen Beispiel dieses Typs einer Funkzündungs-Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, die beispielsweise in der JP 2000-274278 A geoffenbart ist, wird der Verdichter gestoppt, wenn sich die Maschine in einem Zustand einer geschichteten Verbrennung befindet, wogegen eine Strömung innerhalb des Zylinders durch eine Aufladung verstärkt wird, wenn sich die Maschine im Zustand einer homogenen Verbrennung befindet. Dies bedeutet, daß während niedriger Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen und geringen Lasten, bei welchen ein Zustand einer geschichteten Verbrennung angenommen wird, die Aufladung bzw. Verdichtung von Einlaßluft durch den Turbolader gestoppt oder verhindert ist, um einen relativ schwachen Zustand einer Strömung innerhalb des Zylinders zu belassen, wodurch das Luft-Kraftstoffgemisch abgehalten wird, innerhalb der Brennkammer zu diffundieren, und daher eine geeignete Schichtung erhalten wird. Andererseits wird, während hoher Geschwindigkeiten und hohen Belastungen, bei welchen ein Zustand einer homogenen Verbrennung angenommen wird, die Strömung innerhalb des Zylinders verstärkt durch ein Verdichten bzw. Aufladen, um die Einlaßluft mit dem großen Volumen an Kraftstoff adäquat zu mischen, der in die Brennkammer während des Einlaßtakts bzw. -hubs eingespritzt wird, und eine Luft-Kraftstoffmischung zu bilden, die so gleichförmig als möglich ist.
Im allgemeinen wird in einer Maschine bzw. einem Motor mit einem Verdichter bzw. Turbolader lediglich ein Teil des Abgases dem Turbolader zugeführt, wenn ein hoher Abgasstrom und/oder -druck gegeben ist, und der Rest wird in die Luft abgelassen, um den Ladedruck der Einlaßluft aufgrund des Turboladers unter einem Ziel-Wert (maximalen Ladedruck) zu halten. Dies wird auch bei dem obigen konventionellen Beispiel angewandt, wo ein Teil des Abgases an dem Turbolader vorbeigeführt wird und zu dem Auspuffrohr strömt, wenn sich die Maschine in einem Zustand des Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Fahrens befindet. Ein Teil der Energie, die in dem Hochdruck-Abgas enthalten ist, wird zu dieser Zeit verworfen bzw. ungenutzt abgegeben.
Jedoch ist aufgrund der Struktur einer Funkzündungs-Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine, die direkt Kraftstoff in die Brennkammer innerhalb der Zylinder der Maschine einspritzt, die Zeitdauer in einem einzelnen Verbrennungszyklus, während der eine Einspritzung von Kraftstoff möglich ist, auf den Einlaßtakt und den Verdichtungs- bzw. Kompressionstakt bzw. -hub des Zylinders begrenzt. Es kann daher nicht genug Zeit zwischen einer Kraftstoffeinspritzung und Zündung sichergestellt werden, und während eines Hochlast-Betriebs, wo ein größeres Volumen an Kraftstoff einge spritzt wird, ist es schwierig den Kraftstoff ausreichend zu verdampfen und zu zerstäuben, bevor die Zylinder gezündet werden. Als eine Folge davon bäckt sich ein Teil des Kraftstoffs zusammen, und dies führt zur Abgabe von teilchenförmigem Material bzw. Feststoffen (nachfolgend als PM bezeichnet), ähnlich wie bei Dieselmotoren.
Ein größeres Volumen an Kraftstoff wird insbesondere dann eingespritzt, wenn sich die Maschine in einem Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Fahrzustand befindet, wobei jedoch das Zeitintervall, während dem der Kraftstoff eingespritzt werden kann, invers proportional zu dem Anstieg der Drehzahl der Maschine gekürzt wird. Dies verzögert das Ende der Kraftstoffeinspritzung, was weiter die Zeitdauer bzw. Periode zwischen einer Kraftstoffeinspritzung und Zündung verkürzt und eine Verdampfung und Zerstäubung verkompliziert. Auch tritt ein Abfall in der Strömung innerhalb des Zylinders während des Kompressionstakts des Zylinders, verglichen mit dem während des Einlaßtakts auf, und es wird daher schwierig, während des Kompressionstakts den Kraftstoff, der in den Zylinder eingespritzt wird, zu unterstützen, sich mit der Luft zu mischen. Dies behindert auch eine Verdampfung des Kraftstoffs und dessen Zerstäubung.
Zusätzlich wird unter Bedachtnahme auf die bzw. Berücksichtigung der Zuverlässigkeit des Abgassystems bei Funkzündungs-Maschinen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im allgemeinen in einem bestimmten Fahrbereich auf der Hochgeschwindigkeits- oder der Hochlast-Seite gesteuert bzw. geregelt, so daß es reicher ist als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, um die Abgastemperatur davon abzuhalten, aufgrund der latenten Wärme von überschüssigem Kraftstoff anzusteigen. Daher wird, selbst wenn die Einlaßluft durch den Verdichter aufgeladen wird, um die Strömung innerhalb des Zylinders zu verstärken wenn die Maschine in diesem bestimmten Fahrbereich, wie in dem oben stehenden konventionellen Beispiel befindet, der resultierende Effekt durch den Effekt des großen Volumens an Kraftstoff übertroffen, das zugeführt wird, wodurch das obenstehende Problem der PM sogar noch deutlicher sichtbar gemacht wird.
DE 100 16 858 A1 offenbart eine Regel -bzw. Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, die einen Verdichter bzw. Turbolader umfaßt.
Die vorliegende Erfindung wurde erreicht im Lichte der obigen Probleme. Es ist ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung, den Umstand bzw. die Tatsache auszunutzen, daß Funkzündungs-Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschinen, die mit einem Turbolader ausgerüstet sind, üblicherweise einen Teil der Abgasenergie während eines Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Motorbetriebs verwerfen, und eine Lösung wurde angenommen, um zum Beispiel den Auflade- bzw. Ladedruck oder dgl. insbesondere in einem bestimmten Fahrbereich an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite zu steuern bzw. zu regeln, eine maximale Arbeitsleistung der Maschine und Zuverlässigkeit des Abgassystems sicherzustellen, während auch eine Reduktion der PM im Abgas erreicht bzw. erzielt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um das obenstehende Ziel zu erreichen, ist eine Lösung, die von der vorliegenden Erfindung präsentiert wird, den Teil an Abgasenergie zu sammeln, der herkömmlich in dem bestimmten Fahrbereich an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite verworfen wird, und diesen effektiv zu nutzen, um die Stärke der Strömung innerhalb des Zylinders zu maximieren.
Genauer ist, wie dies zur Illustration in der 1 gezeigt ist, es eine Prämisse eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung, daß eine Funkzündungstyp-4-Takt-Brennkraftmaschine 1 mit Direkteinspritzung mit einem Verdichter bzw. Turbolader 40, um Einlaßluft für den Zylinder aufzuladen bzw. zu verdichten, und einem Kraftstoffeinspritzventil 18 für ein direktes Einspritzen und Zuführen von Kraftstoff zu einer Brennkammer 6 innerhalb des Zylinders versehen ist, wobei der Kraftstoff während des Einlaßtakts des Zylinders 2 durch das Kraftstoffeinspritzventil 18 in zumindest einem Auflade- bzw. Verdichtungsbereich auf einer Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite eingespritzt wird, um einen Zustand einer homogenen Verbrennung zu erreichen.
Diese Konfiguration ist auch versehen mit Strömungs-Verstärkungsmitteln 30 zum Beschränken der Strömung an Einlaßluft in den Zylinder, um die Strömung innerhalb des Zylinders zu verstärken, Ladedruck-Einstellmitteln 42 zum Halten des Ladedrucks der Einlaßluft aufgrund des Verdichters 40 unter einem Ziel-Ladedruck, Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelmitteln bzw. -Steuermitteln 50b zum Steuern bzw. Regeln eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F in dem Zylinder, um A/F ≤ 13 in einem bestimmten Fahrbereich zu werden, der an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite des Verdichter- bzw. Turbolader-Bereichs aufgebaut ist, Strömungs-Regel- bzw. -Steuermitteln 50c zum Erhöhen des Betrags bzw. Ausmaßes einer Beschränkung der Einlaßluft, die durch die Strömungs-Verstärkungsmittel 30 verursacht ist, um relativ die Strömung in dem Zylinder in dem bestimmten Fahrbereich verglichen mit jener in einem Bereich zu verstärken, der benachbart der Niederlastseite des bestimmten Fahrbereichs ist, selbst wenn die Drehzahl der Maschine bzw. des Motors die gleiche ist, und Ladedruck-Regel- bzw. -Steuermitteln 50d zum Steuern bzw. Regeln der Ladedruck-Einstellmittel 42, um relativ den Ziel-Ladedruck in dem bestimmten Fahrbereich verglichen mit jenem in einem Bereich zu erhöhen, der einer Niedrigdrehzahl- bzw. Niedriggeschwindigkeits-Seite des bestimmten Fahrbereichs benachbart ist.
Entsprechend dieser Konfiguration wird zuerst, wenn sich die Maschine 1 in einem vorbestimmten Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Fahrbereich (bestimmten Fahrbereich) befindet, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des Zylinders 2 der Maschine 1 durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelmittel 50b angereichert, um A/F ≤ 13 zu werden, und die Temperatur des Abgases wird davon abgehalten, aufgrund der latenten Wärme des übergroßen Volumens an Kraftstoff verglichen mit dem Volumen an Luft anzusteigen. Auch werden die Ladedruck-Einstellmittel 42 durch die Ladedruck-Regelmittel 50d gesteuert, um den Ziel-Ladedruck zu erhöhen, und die Strömungs-Verstärkungsmittel 30 werden durch die Strömungs-Regelmittel 50c gesteuert, um den Betrag an Beschränkung der Einlaßluft zu erhöhen, so daß die Kombination dieser Aktionen bzw. Vorgänge die Strömung innerhalb des Zylinders so viel als möglich verstärken und eine Verdampfung und Zerstäubung von Kraftstoff fördern bzw. unterstützen.
D. h., in dem bestimmten Fahrbereich auf der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite wird die Abgasenergie, die konventionell verworfen wurde, verwendet, um die Einlaßluft mit dem Turbolader bzw. Verdichter 40 weiter aufzuladen, und diese Einlaßluft kann dann beschränkt werden, um die Stärke der Strömung in den Zylindern zu maximieren. Ein Ergebnis davon ist, daß ein großes Volumen von eingespritztem Kraftstoff ausreichend verdampft und zerstäubt werden kann, die PM innerhalb des Abgases reduziert werden können, und ein Anstieg in der Temperatur des Abgases aufgrund der latenten Wärme des großen Volumens an Kraftstoff effektiv verhindert werden kann. Der Abfall an Einlaßeffektivität, da die Einlaßluft beschränkt wird, wird kompensiert durch den Anstieg im Ladedruck, und daher sinkt bzw. fällt die maximale Arbeitsleistung der Maschine 1 nicht.
Entsprechend der Maschine eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung erhöhen die Ladedruck-Steuer- bzw. -Regelmittel den Ziel-Ladedruck, um den Abfall in der Einlaß- bzw. Aufnahmeeffizienz zu kompensieren, welcher bewirkt wird, wenn die Strömungs-Steuermittel die Strömungs-Verstärkungsmittel regeln bzw. steuern, um die Menge bzw. das Ausmaß einer Beschränkung an der Einlaßluft zu erhöhen.
Daher wird, wenn die Maschine in dem Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Bereich ist und der Betrag einer Beschränkung der Einlaßluft durch die Strömungs-Verstärkungsmittel erhöht wurde, was bedingt, daß die Einlaßeffektivität bzw. -effizienz der Zylinder abfällt, der Ladedruck entsprechend erhöht, um den Abfall der Effektivität des Einlasses der Zylinder zu kompensieren. Folglich kann eine maximale Arbeitsleistung der Maschine sicher bzw. zuverlässig beibehalten werden und Fluktuationen in der Arbeitsleistung der Maschine werden von einem Auftreten abgehalten, wenn der Fahrzustand der Maschine sich zwischen dem bestimmten Fahrbereich und anderen Fahrbereichen verschiebt.
Entsprechend einer Maschine eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung sind die Strömungs-Regelmittel so kon figuriert, daß sie die Menge einer Beschränkung an der Einlaßluft aufgrund der Strömungs-Verstärkungsmittel wenigstens in dem Aufladebereich abseits von dem bestimmten Bereich minimieren.
Daher ist zumindest in dem Aufladebereich außerhalb des bestimmten Fahrbereichs der Abfall der Einlaßeffektivität, der die Beschränkung der Einlaßluft begleitet, minimiert und eine Verbesserung der Effizienz des Kraftstoffs wird durch die Reduktion der Pumpverluste erreicht. Es ist zu beachten, daß eine ausreichende Strömung innerhalb der Zylinder aufgrund einer Aufladung erreicht werden kann, selbst wenn eine besondere Bemühung nicht unternommen wird, die Einlaßluft außerhalb des bestimmten Fahrbereichs zu beschränken, und daher der Ausstoß an PM nicht zum Problem wird.
Entsprechend der Maschine eines vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung sind die Strömungs-Verstärkungsmittel mit einem Strömungs-Regel- bzw. -Steuerventil, welches in einem Einlaßdurchtritt zu dem Zylinder angeordnet ist, und einer Betätigungseinrichtung bzw. einem Stellglied zum Einstellen des Öffnungsgrads des Strömungs-Steuerventils versehen, und die Strömungs-Regelmittel sind so konfiguriert, daß sie den Öffnungsgrad des Strömungs-Steuerventils durch eine Betätigung des Stellglieds regeln bzw. steuern.
Daher ist den Strömungs-Verstärkungsmitteln eine bestimmte Konfiguration gegeben und das Strömungs-Steuerventil wird durch die Strömungs-Regelmittel geschlossen, um die Einlaßluft zu beschränken und daher zuverlässig durch die Strömung innerhalb der Zylinder zu verstärken.
Entsprechend einem fünften Aspekt der Erfindung wird in der Maschine entsprechend dem vierten Aspekt der Erfindung der Grad der Öffnung des Strömungs-Steuerventils reduziert, um eine Taumelströmung zu verstärken, welche als die Strömung in dem Zylinder dient, und das Kraftstoffeinspritzventil ist gegenüberliegend zu der Taumelströmung angeordnet, welche durch die Verbrennungskammer in dem Zylinder während des Kompressionshubs des Zylinders strömt. Auch sind Kraftstoffeinspritz-Regel- bzw. -Steuermittel vorgesehen, welche in einem vorbestimmten Fahrbereich an der Niedriggeschwindigkeits-Niedriglast-Seite Kraftstoff zu der Wirbel- bzw. Taumelströmung während des Kompressionshubs des Zylinders durch das Kraftstoffeinspritzventil einspritzen, so daß der Kraftstoff, welcher durch das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, ein verbrennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Zündungsperiode des Zylinders wird und nahe der Elektrode der Zündkerze verbleibt, und die Strömungs-Steuermittel sind so konfiguriert, daß sie das Strömungs-Steuerventil in dem vorbestimmten Fahrbereich und in dem bestimmten bzw. spezifischen Fahrbereich schließen.
Entsprechend dieser Konfiguration wird, wenn sich die Maschine in einem vorbestimmten Fahrbereich an der Niedriggeschwindigkeits-Niedriglast-Seite befindet, das Strömungs-Steuerventil durch die Strömungs-Regelmittel geschlossen, um den Taumel- bzw. Wirbelstrom innerhalb des Zylinders zu verstärken, und der Kraftstoff, der in Richtung zu diesem Wirbelstrom hin zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eingespritzt wird, wird durch den Taumelstrom verlangsamt, und in der Zündperiode des Zylinders um die Elektrode der Zündkerze geschichtet. D. h., in dem Niedriggeschwindigkeits-Bereich der Maschine, in dem eine geringe Geschwindigkeit der Einlaßluft herrscht, wurde der Taumelstrom ursprünglich verstärkt, um ihn mit der Durchdringung des Kraftstoffsprühstrahls im Gleichgewicht zu halten, um eine geeignete Schichtung des Luft-Kraftstoffgemischs zu erhalten.
Jedoch kann, wenn die Maschine in dem bestimmten Fahrbereich auf der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite ist, der Taumelstrom innerhalb des Zylinders zuverlässig durch ein Schließen des Strömungs-Steuerventils unter Verwendung der Strömungs-Regelmittel verstärkt werden. Dies bedeutet, daß das Strömungs-Steuerventil, das für ein Erreichen einer geeigneten Schichtverbrennung zu Zeiten von Niedriggeschwindigkeit und Niedriglast notwendig ist, auch effektiv zu Zeiten von Hochgeschwindigkeit und Hochlast genutzt werden kann, so daß der Effekt des vierten Aspekts der Erfindung adäquat ohne eine Erhöhung der Kosten oder einer Verkomplizierung des Aufbaus erhalten werden kann.
Weiters ist sie auch mit einem Strömungs-Steuerventil, das in einer Einlaß-Passage eines Zylinders angeordnet ist, und einem Überdruck- bzw. Ablaßventil versehen, um einen Teil des Abgases aus der Brennkammer zu der stromabwärtigen Seite des Turboladers vorbeizuleiten, um den Ladedruck durch Einlaßluft unterhalb des Ziel-Ladedrucks zu halten. Auch ist der Controller so konfiguriert, daß er in einem bestimmten Fahrbereich, der an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite innerhalb des Verdichtungs- bzw. Aufladebereichs eingerichtet ist, das Volumen des Kraftstoffs, der durch das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, steuert, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F in dem Zylinder A/F ≤ 13 wird, und auch den Grad der Öffnung des Strömungs-Steuerventils steuert, um die Strömung im Zylinder relativ verglichen mit jenem in einem Fahrbereich zu verstärken, der der Niedriglast-Seite des bestimmten Fahrbereichs be nachbart ist, selbst wenn die Drehzahl der Maschine die gleiche ist, und steuert den Grad der Öffnung des Entlastungs- bzw. Ablaßventils, um den Ziel-Ladedruck relativ verglichen mit jenem in einem Fahrbereich zu erhöhen, der der Niedriggeschwindigkeits-Seite des bestimmten Fahrbereichs benachbart ist.
Diese Konfiguration erreicht denselben Effekt wie der erste Aspekt der Erfindung.
Diese Konfiguration erreicht denselben Effekt wie der zweite Aspekt der Erfindung.
Wie hierin oben erklärt wurde, wird gemäß der Funkzündungs-Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine mit Verdichter bzw. Turbolader nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn Kraftstoff während des Einlaßtakts des Zylinders durch das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, um einen Zustand einer homogenen Verbrennung zumindest im Auflade- bzw. Verdichtungsbereich an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite zu erhalten, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Zylinder der Maschine durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelmittel in einem bestimmten Fahrbereich im Verdichtungsbereich angereichert, um einen exzessiven bzw. übermäßigen Anstieg der Temperatur des Abgases zu verhindern, während die Einlaßluft weiter durch den Turbolader aufgeladen wird und zur Verstärkung der Strömung innerhalb des Zylinders auf einen maximalen Pegel beschränkt wird und derart eine maximale Arbeitsleistung der Maschine sicherzustellen, während eine adäquate Verdampfung und Zerstäubung der großen Menge an Kraftstoff erfolgt, um die PM im Abgas zu reduzieren.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird es durch ein Erhöhen des Ladedrucks in dem bestimmten Fahrbereich, um den Abfall in der Einlaßeffizienz aufgrund der Beschränkung der Einlaßluft zu kompensieren, möglich, die maximale Arbeitsleistung der Maschine bzw. Motorausgangsleistung aufrecht zu erhalten und Fluktuationen in der Arbeitsleistung der Maschine zu verhindern.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird es durch ein Minimieren des Betrages einer Beschränkung der Einlaßluft zumindest in dem Verdichtungsbereich außerhalb des bestimmten Fahrbereichs möglich, Pumpverluste in dem Auflade- bzw. Verdichtungsbereich zu reduzieren und die Effektivität des Kraftstoffverbrauches zu verbessern.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist es möglich, zuverlässig die Strömung innerhalb des Zylinders durch ein Schließen des Strömungs-Steuerventils zu verstärken, das in der Einlaß-Passsage zu dem Zylinder angeordnet ist, um die Einlaßluft zu beschränken.
Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung kann in einer so genannten Luftführungs-Direkteinspritz-Brennkraftmaschine, die ein Strömungs-Steuerventil erfordert, um den Taumel- bzw. Wirbelstrom während einer geschichteten Verbrennung zu verstärken, das Strömungs-Steuerventil effektiv dazu verwendet werden, um adäquat den Effekt der vierten Ausführungsform ohne einen begleitenden Anstieg der Kosten oder einer komplizierteren Struktur zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Übersichts-Strukturdiagramm der Funkzündungs-Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine mit Turbolader gemäß mit der Ausführungsform.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Anordnung auf der Oberfläche des Kolbens, die Einlaßöffnung, die Zündkerze und den Injektor bzw. die Einspritzeinrichtung zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Steuerungs-Plans bzw. einer Steuerkarte zeigt, der die Fahr- bzw. Antriebsmodi der Maschine festlegt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das schematisch das Timing der Kraftstoff-Einspritzung der Einspritzeinrichtung zeigt.
6 ist ein Flußdiagramm, das den grundlegenden Steuervorgang der Maschine zeigt.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Karte zeigt, in der der Wert des Ziel-Ladedrucks und der Wert des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das für die Drehzahl der Maschine geeignet ist, festgelegt und aufgezeichnet sind.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer TSCV-Karte zeigt, in der die Ziel-Beladung und die TSCV-Öffnung, die für die Drehzahl der Maschine geeignet ist, festgelegt und aufgezeichnet sind.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Tabelle zeigt, die den geeigneten maximalen Ladedruck für den Grad der Öffnung des TSCV festlegt.
10 ist ein Diagramm, das den Taumel- bzw. Wirbelstrom zeigt, der in der Brennkammer während des Einlaßtakts bzw. -hubs des Zylinders erzeugt wird.
11 ist ein Diagramm, das zeigt, wie der Kraftstoff-Sprühstrahl eingespritzt wird, um mit dem Taumelstrom während der Einspritz-Periode des Zylinders zu kollidieren.
12 ist ein erläuterndes Diagramm, das zeigt, wie das Luft-Kraftstoffgemisch nahe der Elektrode der Zündkerze während der Zündperiode des Zylinders verbleibt.
13 ist ein Diagramm, das den Taumelstrom, der in der Brennkammer erzeugt wird, und den Kraftstoff-Sprühstrahl von der Einspritzeinrichtung während des Einlaßtakts des Zylinders zeigt.
14 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Experiments im Vergleich mit einem konventionellen Beispiel und einem vergleichenden Beispiel unter Verwendung des Turbo-Ladedrucks, das Volumen des PM-Ausstoßes, und die Arbeitsleistung der Maschine in dem bestimmten Bereich auf der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hiernach werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
2 zeigt die gesamte Konfiguration einer Funkzündungs-Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine 1 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Maschine bzw. der Motor weist einen Zylinderblock 3 auf, in dem eine Vielzahl von Zylindern 2, 2 ... (nur einer ist dargestellt) in einer Reihe angeordnet sind, ein Zylinderkopf 4 ist an dem Zylinderblock 3 angeordnet, ein Kolben 5 ist in jedem Zylinder 2 montiert, so daß er sich auf und ab bewegen kann, und eine Brennkammer 6 ist in den Zylindern 2 zwischen der Oberseite des Kolbens 5 und der Bodenfläche des Zylinderkopfes 4 unterteilt und ausgebildet. Obwohl nicht in den Zeichnungen gezeigt, ist auch ein Wassermantel an dem seitlichen Wandabschnitt des Zylinderblocks 3 vorgesehen, der die Zylinder 2, 2 ... umschließt, ein Kurbelgehäuse 7 ist in dem unteren Seitenabschnitt des Zylinderblocks 3 gebildet, so daß es in Verbindung mit den Zylindern 2, 2 ... steht, und eine Kurbelwelle 8 ist innerhalb des Kurbelgehäuses 7 angeordnet. Ein elektromagnetischer Kurbelwinkel-Sensor 9 zum Erfassen des Drehwinkels der Kurbelwelle 8 ist innerhalb des Kurbelgehäuses 7 angeordnet und entspricht einem Ende der Kurbelwelle 8.
3 zeigt eine Vergrößerung eines der Zylinder 2. Zwei geneigte Oberflächen sind im Deckenbereich der Verbrennungs- bzw. Brennkammer 6 ausgebildet und stützen sich aneinander, um eine dachähnliche Form zu bilden. Es gibt zwei Einlaßstutzen bzw. -öffnungen 10 und zwei Auslaßstutzen bzw. -öffnungen 11, die in den geneigten Flächen öffnen bzw. münden, und Einlaßventile 12, 12 und Auslaßventile 13, 13 sind an den Rändern dieser Öffnungen angeordnet. Die zwei Einlaßöffnungen 10, 10 erstrecken sich von der Verbrennungskammer 6 in einer geraden Linie schräg nach oben und öffnen unabhängig voneinander an einer Seitenfläche der Maschine 1 (rechten Seitenoberfläche in 2), während die zwei Auslaßöffnungen 11, 11 ineinander an einem Zwischenbereich konvergieren und sich im wesentlichen horizontal erstrecken, um an der anderen Seitenoberfläche der Maschine 1 (linken Seitenoberfläche in 2) zu öffnen.
Die Einlaßventile 12 und die Auslaßventile 13 werden in einem vorbestimmten Zeitablauf für jeden Zylinder 2 durch die Kurbelwelle 8 geöffnet und geschlossen, die zwei Nockenwellen 14, 14 (nur in 2 gezeigt), die im Zylinderkopf 4 angeordnet sind, über einen Synchronriemen bzw. Zahnriemen drehend antreibt.
Ein Betätigungsmechanismus 15 eines variablen Ventils, der in der Fachwelt gut bekannt ist, ist an der Nockenwelle 14 an der Einlaßseite festgelegt und ändert kontinuierlich seine Drehphase im Hinblick auf die Kurbelwelle 8 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs und ändert auch den Zeitpunkt, zu dem die Einlaßventile 12 geöffnet und geschlossen werden.
Eine Zündkerze 16 ist oberhalb der Verbrennungskammer 6 jedes Zylinders 2 angeordnet und ist von den vier Einlaß- und Auslaßventilen 12 und 13 umgeben. Die Elektrode an dem Ende der Zündkerze 16 ist um einen vorbestimmten Abstand aus der Deckenfläche der Brennkammer 6 vorragend positioniert (siehe 12), so daß sie zuverlässig gegen ein Luft-Kraftstoffgemisch in einem im wesentlichen zentralen Bereich der Brennkammer 6 zünden kann, wenn sich die Maschine 1 in einem Zustand einer geschichteten Verbrennung befindet. Weiters ist ein Zündkreis 17 (nur in 2 dargestellt), mit dem Basisendabschnitt der Zündkerze 16 verbunden und stellt Elektrizität der Zündkerze 16 zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt für jeden Zylinder 2 zur Verfügung.
Außerdem ist ein zitronenförmiger Hohlraum 5a in dem im wesentlichen zentralen Bereich der Oberfläche des Kolbens 5, der dem Bodenbereich der Brennkammer 6 entspricht, von der Einlaßseite zur Auslaßseite ausgebildet. Obwohl es später in größerem Detail beschrieben werden wird, strömt der Taumel- bzw. Wirbelstrom T, der während des Einlaßtakts bzw. -hubs des Zylinders 2 erzeugt wird, glatt entlang des Hohlraums 5a und wird bis zur Mitte während des Kompressionstakts bzw. -hubs des Zylinders 2 gehalten und strömt stabil zu einem Injektor bzw. zu einer Einspritzeinrichtung 18, so daß er den Kraftstoff-Sprühstrahl von der Einspritzeinrichtung 18 einhüllt (siehe 11).
Die Einspritzeinrichtung (Kraftstoffeinspritzventil) 18 ist an dem Rand bzw. der Kante der Brennkammer 6 an der Einlaßseite und unter den zwei Einlaßöffnungen 10, 10 angeordnet, so daß sie dazwischen eingeschlossen bzw. eingebettet ist. Der Injektor 18 ist ein Drall- bzw. Wirbelinjektor, wie er im Stand der Technik gut bekannt ist, der Kraftstoff in einem rotierenden Strom aus einem Düsenloch einsprüht, das in seinem Ende ausgebildet ist, um Kraftstoff in einer hohlen Kegelform entlang der Richtung ihrer Mittelachse und unter einem Winkel einzuspritzen, so daß zu dem Zeitpunkt einer Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder 2 der Kraftstoff-Sprühstrahl im wesentlichen dem Taumelstrom T entgegengerichtet ist und mit diesem kollidiert, welcher entlang des Hohlraums 5a in der Deckfläche des Kolbens 5 strömt (siehe 11). Es ist zu beachten, daß das Kraftstoffeinspritzventil nicht auf einen Drall-Typ-Injektor begrenzt ist, der oben erwähnt ist und eine Vielzahl von anderen Injektoren bzw. Einspritzeinrichtungen, beinhaltend Schlitz-Typ-Einspritzeinrichtungen, eine Multi-Einspritzloch-Typ-Einspritzeinrichtung, und eine Einspritzeinrichtung, die ein Piezoelement verwendet, kann auch verwendet werden.
Gemäß der Anordnung der Zündkerze 16 und der Einspritzeinrichtung 18 wird, wenn die Maschine 1 in einem Zustand von Niedriggeschwindigkeiten und Niedriglasten betrieben wird, das Verhalten des Kraftstoff-Sprühstrahls, der von der Einspritzeinrichtung 18 während des Kompressionstakts bzw. -hubs des Zylinders 2 eingespritzt wird, durch den Taumelstrom T gesteuert bzw. geregelt und wird geeignet nahe der Elektrode der Zündkerze 16 geschichtet, um einen vorteilhaften Zustand einer geschichteten Verbrennung zu erhalten. D. h., die Maschine 1 ist eine so genannte Luft geführte Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine, in der der Kraftstoff-Sprühstrahl durch die Strömung innerhalb des Zylinders geschichtet wird.
Wie oben erwähnt, sind die Einspritzeinrichtungen 18, 18 ... für die Zylinder 2 mit einer Kraftstoff-Verteilleitung 19 verbunden, die durch alle Zylinder 2, 2 ... geteilt wird, und Hochdruck-Kraftstoff, der von einem Kraftstoff-Versorgungssystem 20 bereitgestellt wird, wird auf jeden der Zylinder über den Weg der Verteilleitung 19 verteilt. Obwohl nicht gezeigt, ist das Kraftstoff-Versorgungssystem 20 mit einer Kraftstoff-Pumpe und einem Kraftstoff-Druckregler versehen, und beide liefern Kraftstoff aus dem Kraftstoff tank zu der Kraftstoff-Verteilungsleitung 19 und stellen den Druck des Kraftstoffs ein, um dem Fahr- bzw. Antriebszustand der Maschine bzw. des Motors 1 zu entsprechen. Die Kraftstoff-Verteilungsleitung 19 ist auch mit einem Kraftstoff-Drucksensor 21 versehen, um den Druck des Kraftstoffs darin zu erfassen.
Wie in 2 gezeigt, ist ein Einlaßdurchtritt 23, welcher in Verbindung mit den Einlaßöffnungen 10, 10 der Zylinder 2 steht, an eine Seitenoberfläche der Maschine 1 angeschlossen. Der Einlaßdurchtritt 23 liefert Einlaßluft, die durch einen Luftfilter gefiltert worden ist, der außerhalb der Zeichnung angeordnet ist, zu den Brennkammern 6 in der Maschine 1, und ist der Reihe nach von seiner stromaufwärtigen Seite zu seiner stromabwärtigen Seite mit einem Heißdraht-Typ-Luftstrom-Sensor 24, der die Masse an Einlaßluft in die Maschine 1 detektiert bzw. erfaßt, einem Kompressor 25, der von einer Turbine 37 angetrieben ist, die später beschrieben werden wird, und der die Einlaßluft verdichtet, einem Zwischenkühler 26, der die Einlaßluft kühlt, die durch den Kompressor 25 verdichtet worden ist, einem elektrischen Drosselventil 27, das von einem Butterfly-Ventil gebildet ist und die Einlaßpassage 23 beschränkt, und einem Ausgleichstank bzw. -behälter 28 versehen. Das elektrische Drosselventil 27 ist nicht mechanisch mit dem Gaspedal außerhalb der Zeichnung gekoppelt und ist durch einen Elektromotor angetrieben, der nicht in der Zeichnung gezeigt ist, so daß es zu einer Öffnung geöffnet und geschlossen wird, die der Betätigung des Gaspedals angepaßt ist (Gaspedal-Öffnen).
Die Einlaßpassage bzw. der Einlaßdurchtritt 23 an der stromabwärtigen Seite des Ausgleichstanks 28 zweigt in un abhängige Zweige für jeden Zylinder 2 ab und der abströmseitige Endbereich eines jeden dieser unabhängigen Zweige ist weiter in zwei, jeweils in Verbindung mit einer Einlaßöffnung 10, 10 aufgespaltet. Wie in 3 gezeigt ist, sind Strömungs-Regel- bzw. -Steuerventile 30, 30 (Taumelwirbel-Steuerventil; nachfolgend als TSCV abgekürzt) zum Einstellen der Stärke des Taumel- bzw. Wirbelstroms T in der Brennkammer 6 und des Wirbels bzw. der Verwirbelung an der stromaufwärtigen Seite der zwei Einlaßstutzen bzw. -öffnungen 10, 10 vorgesehen und werden durch eine Betätigungseinrichtung bzw. ein Stellglied, wie einen Schrittmotor 31 geschaltet. Die TSCVs 30 sind kreisförmige Butterfly-Ventile, in welchen der Abschnitt unter einer Ventilwelle 30a weggeschnitten ist, und welche, selbst wenn sie vollständig geschlossen sind, es Einlaßluft ermöglichen, durch den weggeschnittenen Bereich zu zirkulieren und einen starken Wirbel- bzw. Taumelstrom T in den Brennkammern 6 zu erzeugen. Andererseits ist, wenn die TSCVs 30 offen sind, Einlaßluft fähig, nicht nur durch den weggeschnittenen Bereich zu zirkulieren, welches zunehmend die Stärke des Wirbelstroms T vermindert.
Es ist zu beachten, daß die Form der Einlaßöffnungen 10 und der TSCVs 30 nicht auf die obigen beschränkt ist, und zum Beispiel können die TSCVs 30 Butterfly-Ventile sein, die in einem Bereich über der Ventilwelle weggeschnitten sind. Die Einlaßöffnungen können auch ein so genannter gemeinsamer Anschluß bzw. Stutzen sein, in denen zwei Stutzen an der stromaufwärtigen Seite zusammenlaufen, in welchem Fall das TSCV ein Butterfly-Ventil sein kann, dessen Gestalt mit der Querschnittsform des gemeinsamen Stutzens korrespondiert und von dem ein Bereich weggeschnitten ist.
Wie in 2 gezeigt, ist ein Abgasdurchtritt 33 für ein Ausbringen von verbranntem Gas (Abgas) aus den Brennkammern 6 mit der anderen Seitenoberfläche der Maschine 1 verbunden.
Das stromaufwärtige Ende der Abgaspassage bzw. des Abgasdurchtritts 33 ist durch einen Abgassammler bzw. -verteiler bzw. -krümmer 34 konfiguriert, der zu jedem Zylinder 2 abzweigt und in Verbindung mit den Abgasstutzen bzw. -öffnungen 11 steht. Ein linearer O₂ Sensor 35 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Abgas ist an dem Bereich angeordnet, wo der Abgassammler 34 konvergiert. Der lineare O₂ Sensor 35 wird verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf der Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgas zu erfassen, und stellt einen linearen Ausgang für eine Sauerstoffkonzentration in einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Bereich bereit, welcher das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis einschließt bzw. beihaltet.
Eine Turbine 37, die durch den Abgasstrom gedreht wird, und ein Abgasrohr 36 sind an den Abgasdurchtritt 33 stromabwärts der Stelle angeschlossen, wo der Abgassammler 34 konvergiert. Ein Drei-Weg Katalysator 38, der zum Reinigen von HC, CO, und NO_x aus dem Abgas im wesentlichen nahe dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis dient, und ein sogenannter Mager-NO_x-Katalysator 39, der zum Reinigen von NO_x aus einem Abgas fähig ist, das magerer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, sind in dieser Ordnung bzw. Reihenfolge von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite des Abgasrohrs 36 angeordnet.
Zusammen mit dem Kompressor 25 des Einlaßdurchtritts 23 bildet die Turbine 37 einen Turbolader 40. Wenn die Turbine 37 durch den Strom des Abgases angetrieben wird, rotiert der Kompressor 25 zusammen mit der Turbine 37 in einer einzigen Einheit, um die Einlaßluft zu komprimieren und aufzuladen bzw. zu verdichten. Der Turbolader 40 ist mit einer Ladedruck-Regelventilleitung 41, die Abgas von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite des Abgasrohrs 36 unter Umgehung der Turbine 37 führt, und mit einem Ladedruck-Regelventil (Ablaßventil) 42 zur Einstellung des Volumens des Abgases versehen, das durch die Ladedruck-Regelventilleitung 41 geführt wird. Obwohl nicht dargestellt, stellt das Ladedruck-Regelventil 42 den Öffnungsgrad der Spule durch das Gleichgewicht zwischen dem Ladedruck, der von der Einlaßpassage 23 über die Pilot-Leitung abgenommen ist, der Vorspannung der Spulenfeder und der Antriebskraft ein, die von der elektromagnetischen Spule erzeugt wird, um den Ladedruck des Einlaßdurchtritts 23 bei oder unter einem voreingestellten maximalen Ladedruck (Ziel-Ladedruck) zu halten. Das Ladedruck-Regelventil 42 kann auch linear den maximalen Ladedruck durch Ändern der Antriebskraft der elektromagnetischen Spule ändern und einstellen. Das Ladedruck-Regelventil 42 stellt Ladedruck-Einstellmittel zum Halten des Ladedrucks der Einlaßluft aufgrund des Turboladers 40 an oder unter dem maximalen Ladedruck dar.
Das Bezugszeichen 43, das in 2 aufscheint, ist ein Lambda O₂ Sensor, der an der stromabwärtigen Seite des Drei-Wege Katalysators 38 angeordnet ist und zum Bewerten des Zustands einer Verschlechterung des Drei-Wege Katalysators 38 dient. Auch ist, obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, das stromaufwärtige Ende einer EGR-Leitung zum Rückführen eines Teils des Abgases zur Lufteinlaß-Seite verzweigt und mit einer Stelle an der Abgaspassage 33 verbunden, die höher stromaufwärts liegt als die Turbine 37.
Das stromabwärtige Ende der EGR-Leitung ist mit dem Ausgleichstank 28 verbunden, nahe dem ein elektrisches EGR-Ventil angeordnet ist, das zum Einstellen des Öffnungsgrades der EGR-Leitung und des Volumens eines durch diese zurückgeleiteten Abgases geeignet ist.
Steuerung des Verbrennungs-Zustands der Maschine
Der Betätigungsmechanismus 15 des variablen Ventils, der Zündkreis 17, der Injektor 18, das Kraftstoff-Versorgungssystem 20, das elektrische Drosselventil 27 und die TSVCs 30 unter anderen werden durch eine Maschinen-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung 50 betätigt und gesteuert (nachfolgend als ECU bezeichnet). Weiters werden Ausgangssignale von zumindest dem Kurbelwinkel-Sensor 9, dem Kraftstoff-Drucksensor 21 und dem Luftstrom-Sensor 24 beispielsweise der ECU 50 eingegeben. Signale, welche von einem Wasser-Temperatursensor 47 ausgegeben werden, der zu dem Wassermantel des Zylinderblocks 3 gerichtet ist und die Temperatur des Kühlmittels (Wassertemperatur der Maschine) detektiert, und außerdem Signale, welche von einem Gaspedal-Öffnungs-Sensor 48, der den Öffnungsgrad des Gaspedals erfaßt, und von einem Drehzahl-Sensor 49 ausgegeben werden, der die Drehzahl der Maschine 1 (die Drehzahl der Kurbelwelle 8) detektiert, werden der ECU 50 eingegeben.
Basierend auf den Signalen, die von diesen Sensoren ausgegeben werden, steuert die ECU 50 zum Beispiel den Zeitpunkt der Schaltbetätigung der Einlaß- und der Auslaßventile 12 und 13, den Zündzeitpunkt der Zündkerze 16, das Volumen der Kraftstoff-Einspritzung, den Zeitpunkt der Einspritzung und den Einspritzdruck durch die Einspritzeinrichtung 18, das Volumen der Einlaßluft, das durch das Drosselventil 27 ein gestellt wird, und die Stärke des Taumelstroms T, die durch die TSCVs 30 eingestellt wird, um jeder dieser Fahrbedingungen der Maschine 1 zu entsprechen.
Noch genauer, wie dies in 4 illustriert ist, ist in einer warmen Maschine 1 ein vorbestimmter Fahr- bzw. Antriebsbereich (I) an der Niedriggeschwindigkeits-Niedriglast-Seite bestimmt als ein Bereich mit Schichtverbrennung. Wie dies schematisch durch "a" in 5 gezeigt ist, wird in dem Bereich mit Schichtverbrennung (I) Kraftstoff durch den Injektor 18 während des Kompressionstakts der Zylinder 2 eingespritzt, um einen Zustand von geschichteter Verbrennung zu erhalten, bei der das Luft-Kraftstoffgemisch nahe der Elektrode der Zündkerze 16 ungleich in Schichten verbrannt wird. Auch in diesem Bereich (I) ist das Drosselventil 27 relativ weit geöffnet, um Pumpverluste zu reduzieren, und das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer 6 zu dieser Zeit ist signifikant magerer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. (A/F ≈ 14,7).
Der Bereich anders als der Bereich (I) der geschichteten Verbrennung ist bekannt als ein Bereich einer homogenen Verbrennung. Wie dies schematisch durch "b" in 5 gezeigt ist, wird Kraftstoff durch den Injektor 18 während des Einlaßtakts des Zylinders 2 eingespritzt, um ein gleichförmiges Luft-Kraftstoffgemisch in der Brennkammer 6 zu bilden, das dann verbrannt wird. Der größte Teil des Bereichs der homogenen Verbrennung ist ein λ = 1 Bereich (II), in dem das Volumen des eingespritzten Kraftstoffs und der Öffnungsgrad der Drossel beispielsweise so gesteuert sind, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches in den Zylindern 2 im wesentlichen das theoretische Luft- Kraftstoff-Verhältnis ist. Auch in dem Niedriggeschwindigkeits-Maximallast und Hochgeschwindigkeits-Hochlast angereicherten Bereich (III) ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entweder ein sogenanntes Leistungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F ≈ 13) oder reicher als das Leistungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, um so eine große Arbeitsleistung zu erhalten, um der Hochlast zu entsprechen.
Besonders in dem Fahrbereich (hiernach als der bestimmte Bereich bezeichnet) an der Hochgeschwindigkeits-Seite (zum Beispiel 4000 U/min oder mehr) des angereicherten Bereichs (III), wird, je höher die Geschwindigkeit oder je höher die Last ist, desto reicher das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, so daß die Abgastemperatur davon abgehalten wird, aufgrund der latenten Wärme des Überschusses an Kraftstoff zu steigen (siehe 7). Dieser besondere Aspekt ist ein Charakteristikum der vorliegenden Erfindung. Außerdem wird der maximale Ladedruck des Turboladers 40 in dem bestimmten Bereich erhöht, um eine gute Verbrennung des großen Volumens an Kraftstoff zu erreichen, das eingespritzt und zugeführt wird, wie dies später beschrieben werden wird, und die TSCVs 30 werden bzw. sind geschlossen, um die Stärke des Taumel- bzw. Wirbelstroms T zu maximieren.
Obwohl nicht explizit dargestellt, überschreitet in dem Antriebsbereich, der sich von der Hochgeschwindigkeitsseite (zum Beispiel 1500 U/min oder mehr) des Bereichs (I) mit geschichteter Verbrennung zu dem λ = 1 Bereich (II) und dem angereicherten Bereich (III) spannt, das Volumen des Abgases einen bestimmten Pegel und die Einlaßluft ist wesentlich durch den Turbolader 40 aufgeladen. Hiernach wird die ser Bereich auch als der Auflade- bzw. Verdichtungsbereich bezeichnet.
Der Vorgang der Steuerung bzw. Regelung durch die ECU 50 wird im Detail unten beschrieben. Wie durch das Flußdiagramm der 6 gezeigt, werden zuerst in dem Schritt SA1 nach dem Start beispielsweise Signale, die von dem Kurbelwinkel-Sensor 9, dem Luftstrom-Sensor 24, dem Wassertemperatur-Sensor 47, dem Gaspedal-Öffnungs-Sensor 48 und dem Drehzahl-Sensor 49 ausgegeben werden, der ECU 50 eingegeben. Danach berechnet in einem Schritt SA2 die ECU 50 die Ziellast Pe der Maschine 1 basierend auf der Drehzahl ne der Maschine, die durch einen Drehzahlsensor 52 erfaßt wird, und dem Öffnungsgrad des Gaspedals, der durch einen Gaspedal-Öffnungs-Sensor 51 erfaßt wird. Basierend auf der Ziellast Pe, die berechnet wurde, und der Drehzahl ne, liest die ECU 50 den Antriebsmodus der Maschine 1 aus einem Steuerplan bzw. einer Steuerkarte, wie er (sie) beispielsweise in 4 dargestellt ist, und bestimmt dadurch den Antriebsmodus.
Es ist zu beachten, daß die optimalen Werte des Ziellast-Werts Pe entsprechend dem Öffnungsgrad des Gaspedals und der Drehzahl ne der Maschine experimentell im voraus gefunden und als ein Plan bzw. eine Karte aufgezeichnet wurden. Dieser Plan ist elektronisch in dem Speicher der ECU 50 gespeichert und die Werte entsprechend dem momentanen bzw. gegenwärtigen Öffnungsgrad des Gaspedals und der Drehzahl ne der Maschine werden aus dem Plan ausgelesen.
Danach werden in jedem der folgenden Schritte beginnend vom Schritt SA3, die Regel- bzw. Steuer-Parameter für jeden Fahr- bzw. Antriebsmodus, der im Schritt SA2 festgelegt wurde, berechnet und basierend auf den Ergebnissen dieser Berechnung werden zum Beispiel der Zündkreis 17, der Injektor 18, das Drosselventil 27 und die TSCVs 30 betrieben. Dies bedeutet, daß im Schritt SA3, wenn bestimmt wurde, daß die Maschine 1 nicht im Modus der geschichteten Verbrennung ist, der Vorgang zu dem Schritt SA7 gelangt, der später beschrieben werden wird. Jedoch gelangt, wenn bestimmt wird, daß die Maschine 1 im Modus der geschichteten Verbrennung ist, der Vorgang zu den Schritten SA4 bis SA6, und die Steuerung bzw. Regelung für den Modus der geschichteten Verbrennung wird ausgeführt.
Noch genauer wird, wenn die Maschine 1 im Modus der geschichteten Verbrennung ist, dann zuerst im Schritt SA4 das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F der Maschine 1 basierend auf der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine berechnet, welche im Schritt SA2 gefunden wurde. D. h. die optimalen Werte für das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F entsprechend der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine werden im voraus durch Experimente gefunden und als ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Plan aufgezeichnet, so wie das in 7 gezeigte Beispiel. Dieser Plan ist elektronisch im Speicher der ECU 50 gespeichert. Danach wird der Wert entsprechend der momentanen Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine aus dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Plan basierend auf der momentanen Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine ausgelesen.
Danach werden im Schritt SA5 zum Beispiel der Injektor bzw. die Einspritzeinrichtung 18 und das Drosselventil 27 gesteuert, um die Maschine 1 in eine Zustand einer geschichteten Verbrennung zu bringen. D. h., das Ziel-Kraftstoff-Einspritzvolumen wird basierend auf dem Ziel-Luft-Kraft stoff-Verhältnis A/F, das im Schritt SA4 gefunden wurde, und der Ladeeffizienz ce berechnet. Dann wird das Öffnungsintervall des Injektors 18 (die Pulsweite) basierend auf diesem Ziel-Volumen der Kraftstoffeinspritzung und dem momentanen Kraftstoffdruck berechnet. Hier kann die Ladeeffizienz ce basierend zum Beispiel auf dem Ausgang von dem Luftstrom-Sensor 24 und der Drehzahl ne der Maschine berechnet werden.
Auch der Zeitpunkt einer Einleitung eines Öffnens des Injektors 18 (Kraftstoff-Einspritz-Zeitpunkt) und der Zeitpunkt des Funkens durch die Zündkerze 13 (Zündzeitpunkt) werden beispielsweise basierend auf der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine berechnet. Außerdem wird der Ziel-Öffnungsgrad des Drosselventils 27 basierend auf dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F und der Drehzahl ne berechnet, und der Ziel-Kraftstoffdruck, wird auf der Basis der Drehzahl ne der Maschine berechnet. Danach werden Signale, die als Betriebskommandos bzw. -befehle dienen, von der ECU 50 zum Beispiel an den Zündkreis 17, den Injektor 18, das Kraftstoff-Zufuhr- bzw. -Versorgungssystem 20 und das Drosselventil 27 ausgegeben.
Es ist zu beachten, daß es beim Berechnen der verschiedenen Regel- bzw. Steuer-Parameter möglich ist, einen Plan bzw. eine Karte zu erstellen, in dem(r) die optimalen Werte für die verschiedenen Steuer-Parameter zu Bedingungs- bzw. Zustands- bzw. Konditionsparametern korreliert sind, die die Fahr- bzw. Antriebs-Bedingungen der Maschine 1 darstellen, wie die Ziellast Pe, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, und die Drehzahl ne, und danach experimentell festgelegt und aufgezeichnet werden. Dieser Plan kann elektronisch in dem Speicher der ECU 50 gespeichert werden und aus diesem Plan ist es möglich, die Werte für die verschiedenen Steuer-Parameter auszulesen, die den momentanen Antriebs-Bedingungen der Maschine 1 entsprechen. Es soll der Ziel-Kraftstoffdruck als ein Beispiel genommen werden. Unter Beachtung, daß sich die Stärke des Wirbelstroms T in der Brennkammer 6 mit der Drehzahl ne der Maschine ändert, kann der Kraftstoffdruck erhöht werden, um dieser Drehzahl ne der Maschine zu entsprechen und dadurch die Durchdringung des Kraftstoff-Sprühstrahls in Übereinstimmung mit dem Anstieg des Geschwindigkeit des Wirbelstroms zu erhöhen, das den Anstieg der Drehzahl ne der Maschine begleitet.
Danach wird im Schritt SA6 der Ziel-Öffnungsgrad der TSCVs 30 (TSCV-Öffnung) auf der Basis der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine berechnet. Noch genauer wird der optimale Wert der TSCV-Öffnung entsprechend der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine durch ein Experiment im voraus gefunden und als ein TSCV-Plan ähnlich dem Beispiel aufgezeichnet, das in 8 gezeigt ist. Dieser Plan wird elektronisch im Speicher der ECU 50 gespeichert und der Wert für die TSCV-Öffnung, der der momentanen Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine entspricht, wird aus dem Plan ausgelesen. Entsprechend dem TSCV-Plan werden die TSCVs im wesentlichen vollständig geschlossen im Bereich (I) der geschichteten Verbrennung und daher kann, wie es ursprünglich der Fall war, die Einlaßluft beschränkt werden, den Wirbelstrom T zu verstärken und ihn im Gleichgewicht mit dem Kraftstoff-Sprühstrahl, selbst in dem Niedriggeschwindigkeits-Bereich der Maschine 1 zu halten, wo eine Strömungsgeschwindigkeit der Einlaßluft niedrig ist. Danach wird ein Kommandosignal von der ECU 50 zu den TSCVs 30 ausgegeben und der Vorgang kehrt zurück.
Um das Obige anders wiederzugeben, wird im Modus einer geschichteten Verbrennung zuerst ein vorläufiges Volumen einer Kraftstoffeinspritzung, mit dem die erforderliche Arbeitsleistung erreicht werden kann, bestimmt und dann verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen, der Grad der Öffnung des Drosselventils wird gesteuert, um die Masse der Einlaßluft zu erhalten, die für dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis benötigt wird, und letztlich wird das Volumen des eingespritzten Kraftstoffs in Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Volumen der Einlaßluft gesteuert bzw. geregelt. Daher kann eine ausgezeichnete Antreibbarkeit bzw. Fahrleistung und Kraftstoff-Ökonomie erhalten werden, ohne Kompromisse beim Zustand des Abgases eingehen zu müssen.
Andererseits wird, wenn im Schritt SA3 bestimmt wird, daß die Maschine nicht im Modus der geschichteten Verbrennung ist und das Verfahren zu dem Schritt SA7 fortschreitet bzw. gelangt, dann bestimmt, ob die Maschine im angereicherten Modus ist. Wenn bestimmt wird, dies zu bejahen, so schreitet das Verfahren zu Schritt SA11 fort, welcher später beschrieben werden wird, und wenn bestimmt wird, dies zu verneinen, dann ist die Maschine im λ = 1 Modus und das Verfahren schreitet zu Schritt SA8 fort, wo das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F der Maschine 1 als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis genommen wird. Dann werden im Schritt SA9, wie im Schritt SA5, das Ziel-Volumen der Kraftstoffeinspritzung und die Pulsweite des Injektors 18 berechnet, der Ziel-Kraftstoffdruck wird auf der Basis der Drehzahl ne der Maschine berechnet, der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und der Zündzeitpunkt werden auf der Basis der Ladeeffizienz ce und der Motordrehzahl ne berechnet, und die Ziel-Öffnung des Drosselventils 27 wird auf der Basis des Öffnungsgrads des Gaspedals berechnet. Signale, die als Betriebs- bzw. Betätigungskommandos dienen, werden dann von der ECU 50 zum Beispiel an den Zündkreis 17, den Injektor 18, das Kraftstoff-Versorgungssystem 20 und das Drosselventil 27 ausgegeben.
Anschließend wird im Schritt SA10, wie auch im Schritt SA6, die TSCV-Öffnung aus dem TSCV-Plan basierend auf der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine ausgelesen, ein Signal, das als ein Betätigungsbefehl dient, wird an die TSCVs 30 ausgegeben und dann kehrt der Vorgang zurück. In Übereinstimmung mit diesem Plan bzw. dieser Karte sind die TSCVs im λ = 1 Bereich (II) im wesentlichen vollständig offen, wodurch der Abfall in der Effizienz des Lufteinlasses minimiert wird und Pumpverluste reduziert werden, so daß eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs im λ = 1 Bereich (II) erzielt werden kann.
Um das Obige anders auszudrücken, ist im λ = 1 Modus die zugrunde liegende Prämisse bzw. Voraussetzung, das Luft-Kraftstoffgemisch im wesentlichen auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bringen. Zu diesem Zweck wird der Öffnungsgrad der Drossel so gesteuert, daß die erforderliche Ausgabe, das heißt das erforderliche Volumen des Luft-Kraftstoffgemisches erhalten wird und das Volumen einer Kraftstoffeinspritzung gesteuert bzw. geregelt wird, um mit der tatsächlichen Menge an Einlaßluft übereinzustimmen, so daß genügend Kraft bzw. Leistung und eine Fahrbarkeit erzielt werden, während das Abgas im wesentlichen vollständig durch den Drei-Wege Katalysator 38 gereinigt wird.
Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch die Art, wie die Steuerung im angereicherten Modus ausgeführt wird, wie dies unten erläutert werden wird. Im Schritt SA7 wird, wenn bestimmt wird, daß die Maschine im angereicherten Modus ist und das Verfahren zu Schritt SA11 fortschreitet, zuerst im Schritt SA11, wie auch im Schritt SA4 das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F der Maschine 1 aus dem Plan für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine ausgelesen. Hier ist in Übereinstimmung mit dem Plan für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F an der Niedriggeschwindigkeits-Seite (4000 U/min oder weniger in der Zeichnung) des angereicherten Bereichs (III) das sogenannte Leistungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F ≈ 13), wo die höchste Arbeitsleistung während einer homogenen Verbrennung erhalten werden kann.
Andererseits wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F in dem bestimmten Bereich an der Hochgeschwindigkeits-Seite (in der Zeichnung der Bereich mit mehr als 4000 U/min) des angereicherten Bereichs (III) innerhalb eines Bereichs von A/F ≈ 10 bis 13 aufgebaut, so daß, je höher die Geschwindigkeit oder je höher die Last ist, desto reicher der Wert ist. Daher ist, wenn die Maschine 1 in dem bestimmten Bereich arbeitet, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des Luft-Kraftstoffgemisches innerhalb der Zylinder 2 A/F ≤ 13, so daß eine genügend hohe Arbeitsleistung erzielt wird, um der hohen Last zu entsprechen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird graduell bzw. zunehmend geändert, so daß es reicher wird, wenn bzw. da die Geschwindigkeit und/oder die Last ansteigt. Dies erhöht das Verhältnis des Volumens des in die Einlaßluft eingespritzten Kraftstoffs und daher wird die Temperatur des Abgases abgehalten, aufgrund der laten ten Wärme des großen Volumens des Kraftstoffs zu steigen, der eingespritzt und zugeführt wird.
Danach wird im Schritt SA12 das Ziel-Volumen der Kraftstoffeinspritzung basierend auf dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F und der Ladeeffizienz ce berechnet und dann wird die Pulsweite des Injektors 18 auf der Basis des Ziel-Volumens der Kraftstoffeinspritzung und des momentanen Kraftstoffdrucks berechnet. Auch der Ziel-Kraftstoffdruck wird auf der Basis der Drehzahl ne der Maschine berechnet, der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung und der Zündzeitpunkt werden auf der Basis der Ladeeffizienz ce und der Drehzahl ne der Maschine berechnet und die Ziel-Öffnung des Drosselventils 27 wird auf der Basis des Öffnungsgrads des Gaspedals berechnet. Signale, die als Betriebssignale dienen, werden dann von der ECU 50 zum Beispiel an den Zündkreis 17, den Injektor 18, das Kraftstoff-Versorgungssystem 20 und das Drosselventil 27 ausgegeben.
Danach wird im Schritt SA13, wie auch in den Schritten SA6 und SA10, der Öffnungsgrad der TSCVs aus dem TSCV-Plan auf der Basis der Ziellast Pe und der Drehzahl ne der Maschine ausgelesen und ein Signal wird an die TSCVs 30 ausgegeben, um deren Aktion bzw. Betätigung zu steuern. Dieser TSCV-Plan legt fest, daß an der Niedriggeschwindigkeits-Seite des angereicherten Bereichs (III) die TSCVs 30 im wesentlichen halb geschlossen sind, während in der Hochgeschwindigkeits-Seite (bestimmter Bereich) des angereicherten Bereichs (III) die TSCVs irgendwo von im wesentlichen vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen sind, wobei der Öffnungsgrad kleiner wird, je mehr die Maschine an der Hochgeschwindigkeits-Seite und Hochlast-Seite ist. Dies bedeutet, daß der Öffnungsgrad der TSCVs in dem bestimmten Bereich so gesteuert ist, daß der Betrag bzw. das Ausmaß einer Beschränkung der Einlaßluft relativ groß ist verglichen mit dem λ = 1 Bereich, der der Niederlastseite des bestimmten Bereichs benachbart ist, selbst wenn die Drehzahl ne der Maschine die gleiche ist.
Danach wird im Schritt SA14 die Einstellung für den maximalen Ladedruck des Turbolader 40 geändert. Genauer ist, wie in dem Beispiel in 9 gezeigt, ein Ladedruck-Plan elektronisch in der ECU 50 gespeichert. Die Tabelle für den Ladedruck legt den Grad der Öffnung des Ladedruck-Regelventils 42 fest, so daß sich der maximale Ladedruck graduell erhöht, wenn der Öffnungsgrad der TSCVs in einem Bereich absinkt, der sich von vollständig geschlossen bis vollständig geöffnet spannt bzw. erstreckt. Anders gesagt, wird zuerst, wenn die TSCVs 30 geschlossen sind, um das Ausmaß einer Beschränkung der Einlaßluft zu erhöhen, der maximale Ladedruck, der geeignet bzw. fähig ist, den sich ergebenden Abfall der Effizienz des Luft-Einlasses zu kompensieren und die Ladungseffizienz des Zylinders 2 zu erhalten, gefunden, und der Grad der Öffnung des Ladedruck-Regelventils 42, um diesen maximalen Ladedruck zu erreichen, wird experimentell gefunden und wie in der Tabelle für den Ladedruck festgelegt bzw. aufgebaut. Danach wird der maximale Ladedruck aus der Tabelle für den Ladedruck basierend auf dem Öffnungsgrad der TSCVs ausgelesen, der im Schritt SA13 gefunden wurde, und ein Steuersignal wird zu dem elektromagnetischen Solenoid des Ladedruck-Regelventils 42 ausgegeben, so daß es in einem Ausmaß geöffnet wird, das mit diesem maximalen Ladedruck übereinstimmt. Das Verfahren schreitet mit der Rückkehr fort.
Daher ist der maximale Ladedruck der Einlaßluft aufgrund des Turboladers 40 in dem bestimmten Bereich höher als im λ = 1 Bereich, der der Niedriggeschwindigkeits-Seite des bestimmten Bereichs benachbart ist. Auch werden die TSCVs 30 und das Ladedruck-Regelventil 42 des Turboladers 40 gesteuert, wenn der Antriebs-Zustand der Maschine 1 sich zwischen dem bestimmten Bereich und anderen Bereichen bzw. Regionen ändert, zu welcher Zeit keine abrupten Wechsel in der Ladeeffizienz des Zylinders 2 vorliegen, und Fluktuationen der Arbeitsleistung der Maschine gehindert werden.
Um das Obige anders zu formulieren, wird, wenn sich die Maschine 1 in dem angereicherten Bereich (III) befindet, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das sogenannte Leistungs- bzw. Kraft-Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, um eine hohe Arbeitsleistung zu erhalten, während die Verbrennung im wesentlichen in der gleichen Weise wie im λ = 1 Modus gesteuert wird. In dem bestimmten Bereich wird an der Hochgeschwindigkeits-Seite des angereicherten Bereichs das Luft-Kraftstoff-Verhältnis weiter angereichert, um die Abgastemperatur von einem Ansteigen abzuhalten und um das sehr große Volumen an Kraftstoff, das zu diesem Zweck eingespritzt wird, ausreichend zu verdampfen und zu zerstäuben, und eine gute Verbrennung des Kraftstoffs zu erzielen, der Ladedruck der Einlaßluft wird durch den Turbolader 40 erhöht und die TSCVs 30 sind bzw. werden geschlossen, um daher die Einlaßluft zu beschränken, was den Effekt hat, die Stärke des Wirbelstroms T in den Verbrennungs- bzw. Brennkammern 6 zu maximieren.
Es ist zu beachten, daß im Schritt SA14 des Flußdiagramms der maximale Ladedruck des Turboladers 40 festgelegt wurde, um mit dem Grad der Öffnung der TSCVs zu korrelieren, wie dies in 9 gezeigt ist. Jedoch gibt es für dieses keine Beschränkung, und um dieselben Charakteristika zu erreichen wie in 9, ist es auch möglich, zum Beispiel den maximalen Ladedruck mit der Ziellast Pe oder mit der Drehzahl ne der Maschine zu korrelieren und dies als einen Plan einzutragen und aufzuzeichnen, der verwendet werden kann, um den Grad der Öffnung des Ladedruck-Regelventils 42 zu steuern.
Da es individuelle Differenzen bzw. Unterschiede im Ausmaß gibt, um das die TSCVs 30 die Einlaßluft beschränken, ist es möglich, den Plan für den Ladedruck (siehe 9) basierend auf dem Ergebnis eines Studiums der Korrelation zwischen dem Öffnungsgrad der TSCVs und der tatsächlichen Ladeeffizienz ce zum Beispiel während eines regulären Betriebs bzw. Fahrens im Modus der geschichteten Verbrennung anzupassen, wie oben beschrieben. Außerdem muß der maximale Ladedruck nicht notwendigerweise in Übereinstimmung mit der Änderung der Öffnung der TSCVs geändert werden, um die Einlaßeffizienz beizubehalten, und es ist möglich, einfach den maximalen Ladedruck in dem bestimmten Bereich zu erhöhen.
In dem in 6 gezeigten Flußdiagramm werden die Kraftstoff-Einspritz-Steuermittel 50a durch Schritt SA5 konfiguriert, die in dem Niedriggeschwindigkeits-Niederlast Bereich (I) mit geschichteter Verbrennung Kraftstoff vom Injektor 18 in Richtung des Wirbelstroms T während des Kompressionstakts des Zylinders 2 einspritzen, so daß der durch die Einspritzeinrichtung 18 eingespritzte Kraftstoff zu einem brennbaren Luft-Kraftstoffgemisch im Zündzeitpunkt des Zylinders 2 wird und sich nahe der Elektrode der Zündkerze 16 befindet.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuermittel 50b werden durch den Schritt SA11 konfiguriert und steuern das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F in den Zylindern 2, so daß A/F ≤ 13 in dem bestimmten Bereich ist, welcher an der Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Seite des angereicherten Bereichs (III) festgelegt bzw. aufgebaut wird.
Strömungs-Regel- bzw. -Steuermittel 50c werden im Schritt SA13 konfiguriert und erhöhen den Betrag, um den die Einlaßluft durch die TSCVs 30 beschränkt wird, so daß der Wirbelstrom T relativ stärker in dem bestimmten Bereich als im λ = 1 Bereich (II) ist, der der Niederlast-Seite des bestimmten Bereichs benachbart ist, selbst wenn die Drehzahl ne der Maschine dieselbe ist.
Außerdem werden Ladedruck-Regel- bzw. -Steuermittel 50d durch Schritt SA14 konfiguriert und steuern den Öffnungsgrad des Ladedruck-Regelventils 42 des Turboladers 40, so daß der Ziel-Ladedruck (maximale Ladedruck) zum Halten eines konstanten Ladedrucks höher in dem bestimmten Bereich als im λ = 1 Bereich (II) ist, der der Niedriggeschwindigkeits-Seite des bestimmten Bereichs benachbart ist.
Fahrbetrieb der Maschine 1
Hiernach wird der Fahrbetrieb der Maschine bzw. des Motors 1 gemäß dieser Ausführungsform im Detail beschrieben.
Zuerst erzeugt, wenn die Maschine 1 im Bereich (I) mit geschichteter Verbrennung ist, die Einlaßluft, die in die Brennkammer 6 von den Einlaßstutzen bzw. -öffnungen 10, 10 während des Einlaßtakts des Zylinders 2 strömt, einen Wirbelstrom T, wie dies in 10 gezeigt ist. Der Taumel- bzw. Wirbelstrom T, wie in 11 gezeigt, ist gesichert bis zum letzten Teil des Kompressionstakts des Zylinders 2 und strömt in Richtung des Injektors 18 entlang des Hohlraums 5a in der oberen Fläche des Kolbens 5. Zu dieser Zeit wird der Wirbelstrom T graduell zerstört und wird kompakt, wenn der Kolben 5 sich während des Kompressionstakts hebt. Obwohl die Geschwindigkeit des Wirbelstroms T vermindert wird, wird er nicht bis zum letzten Teil des Kompressionstakts des Zylinders 2 eliminiert, da ein geeignet gestalteter Raum zwischen dem Deckenbereich der Schirmdach-Typ-Brennkammer 6 und dem Hohlraum 5a in der oberen Fläche des Kolbens 5 belassen wird.
Dann kollidiert, wie in 11 gezeigt ist, der größere Teil des Kraftstoff-Sprühstrahls, der durch den Injektor 18 eingespritzt wird, im wesentlichen frontal mit einem Punkt, wo die Strömung des Wirbelstroms T, die entlang des Hohlraums 5a in der oberen Fläche des Kolbens 5 strömt, stark ist. Dies fördert die Verdampfung und die Zerstäubung der Kraftstofftropfen und unterstützt die Gemischbildung des Kraftstoffs mit der umgebenden Luft, und der Kraftstoff-Sprühstrahl stößt bzw. drückt den Wirbelstrom T zur Seite, da bzw. wenn er sich weiter bewegt, und während er graduell bzw. zunehmend in seiner Geschwindigkeit vermindert wird und ein brennbares Luft-Kraftstoffgemisch in der Funken- bzw. Zündperiode des Zylinders 2 wird, wie dies durch die diagonalen Linien illustriert ist, die in 12 hinzugefügt sind, und nahe der Elektrode der Zündkerze 16 verbleibt. Durch Versorgen der Zündkerze 16 mit Elektrizität in diesem Zustand wird die Lage bzw. Schicht des brennbaren Luft-Kraftstoffgemisches gezündet.
D. h., im Niedriggeschwindigkeits-Niedriglast Bereich (I) mit geschichteter Verbrennung ist die Durchdringung des Kraftstoff-Sprühstrahls durch den Injektor 18 so eingestellt, daß sie der Geschwindigkeit des entgegengerichteten Wirbelstroms T entspricht, und der Kraftstoff wird zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eingespritzt, der vom Zündzeitpunkt des Zylinders 2 zurückgezählt wird, so daß die Durchdringung des Kraftstoff-Sprühstrahls und der Wirbelstrom im Gleichgewicht sind und das Luft-Kraftstoffgemisch geeignet und stabil um die Elektrode der Zündkerze 16 geschichtet ist, wodurch eine gute geschichtete Verbrennung erhalten wird.
Andererseits wird, wenn die Maschine 1 in dem λ = 1 Bereich (II) oder in dem angereicherten Bereich (III) ist, ein Wirbelstrom T erzeugt und es wird Kraftstoff durch den Injektor 18 während des Einlaßtakts des Zylinders 2 eingespritzt. Dieser eingespritzte Sprühstrahl dispergiert relativ weit in der Niederdruck-Brennkammer 6 im Vergleich mit demjenigen während des Kompressionstakts, und dispergiert aufgrund des Anstiegs des Volumens der Brennkammer 6, da bzw. wenn sich der Kolben 5 abwärts bewegt. Gleichzeitig wird der Kraftstoff-Sprühstrahl ausreichend mit der Einlaßluft durch den Wirbelstrom T gemischt und wird ausreichend verdampft und zerstäubt, so daß ein im wesentlichen gleichförmiges brennbares Luft-Kraftstoffgemisch in der gesamten Brennkammer 6 gebildet wird. Dann wächst, wenn Elektrizität zu der Elektrode der Zündkerze 16 im nachfolgenden Zündzeitpunkt geliefert wird, der Flammenkern, der nahe der Zündkerze erzeugt wird, rasch an und ein guter Zustand einer homogenen Verbrennung wird erreicht.
Insbesondere wird in dem bestimmten Bereich an der Hochgeschwindigkeits-Seite des angereicherten Bereichs (III) das Ladedruck-Regelventil 42 gesteuert, um den maximalen Ladedruck des Turboladers 40 zu erhöhen, so daß ein maximales Aufladen durchgeführt werden kann, um die Masse an Einlaßluft in die Zylinder 2 zu erhöhen, und ein großes Volumen an Kraftstoff kann von dem Injektor 18 eingespritzt werden, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des Luft-Kraftstoffgemisches in den Zylindern 2 A/F ≤ 13 wird. Zu dieser Zeit wird die Zeitspanne, während der Kraftstoff eingespritzt werden kann, aufgrund des Anstiegs in der Drehzahl ne der Maschine verkürzt, wodurch das Ende der Kraftstoffeinspritzung retardiert bzw. verzögert wird. Dies resultiert in sehr nachteiligen Bedingungen für die Verdampfung und die Zerstäubung des Kraftstoffs. Jedoch hat, selbst wenn ein maximales Aufladen durchgeführt wird, wie dies oben beschrieben ist, ein Schließen der TSCVs 30 zum Beschränken des Lufteinlasses den Effekt einer größtmöglichen Verstärkung des Wirbelstroms T in der Brennkammer 6 aufgrund der kombinierten Aktion bzw. Wirkung zwischen diesem und dem hohen Ladedruck, und daher wird des große Volumen an eingespritztem Kraftstoff ausreichend verdampft und zerstäubt, so daß PM, die zusammen mit der Verbrennung erzeugt werden, ausreichend verhindert bzw. gehemmt werden können.
Außerdem wird, wie oben erklärt, der maximale Ladedruck des Turboladers 40 erhöht, um den Abfall an Einlaßeffizienz zu kompensieren, der durch ein Schließen der TSCVs 30 verursacht wird, und daher wird die maximale Arbeitsleistung der Maschine 1 beibehalten und Fluktuationen in der Arbeitsleistung treten nicht auf, selbst wenn sich der Antriebszu stand der Maschine 1 zwischen dem bestimmten Bereich und anderen Bereichen ändert.
14 zeigt die Ergebnisse eines Experiments, in dem drei Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschinen mit Verdichter, die ähnlich jener der vorliegenden Ausführungsform sind, verwendet werden, um zum Beispiel den Betrag an PM im Abgas und die Arbeitsleistung der Maschine zu vergleichen. In dem bestimmten Hochgeschwindigkeits-Hochlast-Bereich wird bei einer der Maschinen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches einfach angereichert, wie dies auch herkömmlich durchgeführt wurde (konventionelles Beispiel); bei einer anderen Maschine wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F des Luft-Kraftstoffgemisches geringfügig magerer als A/F = 10,5 eingestellt, um das Volumen einer Kraftstoffeinspritzung zu dieser Zeit zu reduzieren und die Bildung von PM zu hemmen (Vergleichsbeispiel), und in der Maschine, die oben detailliert beschrieben ist, wird der Ladedruck auf den maximalen Pegel erhöht und eine besondere Bemühung wird unternommen, um die Einlaßluft zu begrenzen (Arbeitsbeispiel).
Aus dieser Zeichnung ist zu verstehen, daß mit der Maschine des konventionellen Beispiels eine genügend hohe Arbeitsleistung erzielt wird, aber daß auch ein großes Volumen an PM-Ausstoß vorliegt. Auch ist zu verstehen, daß mit der Maschine des Vergleichbeispiels das Volumen an PM-Ausstoß signifikant durch das geringfügige Abmagern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F reduziert ist, aber daß es auch einen damit zusammentreffenden Abfall der Arbeitsleistung gibt. Es ist zu beachten, daß diese Maschine zum Vergleich dient und daß der Grund, weshalb der Ladedruck geringfügig vermindert wurde, ein Verhindern eines exzessiven Anstiegs der Abgastemperatur ist, jedoch könnte eine verminderte Arbeitsleistung nicht vermieden werden, selbst wenn der Ladedruck gleich war wie bei dem konventionellen Beispiel.
Verglichen mit dem konventionellen und Vergleichbeispiel, wird in dem Arbeitsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben erwähnt, der maximale Ladedruck des Turboladers 40 erhöht und der sich ergebende Anstieg an Lufteinlaß wird durch die TSCVs 30 beschränkt, um den Taumel- bzw. Wirbelstrom so viel als möglich zu verstärken. Als ein Ergebnis kann eine Verdampfung und Zerstäubung des Kraftstoffs ausreichend gefördert werden, so daß eine signifikante Reduktion im Volumen eines PM-Ausstoßes vorliegt, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Außerdem kompensiert zur selben Zeit ein Schließen der TSCVs den Abfall an Einlaßeffizienz durch ein Erhöhen des Ladedrucks, und daher kann eine hohe Arbeitsleistung gleich jener des konventionellen Beispiels erhalten werden, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist.
Daher wird gemäß der Funkenzündungs-Direkteinspritzung-Brennkraftmaschine 1 mit Verdichter gemäß dieser Ausführungsform, wenn die Maschine 1 in dem bestimmten Bereich an der Hoch-Seite des angereicherten Bereichs (III) ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches in den Zylinders 2 um so reicher gemacht, je mehr die Maschine an der Hochgeschwindigkeits- oder Hochlast-Seite ist, um die Abgastemperatur davon abzuhalten, aufgrund der latenten Wärme des Kraftstoffs zu steigen, und daher kann die Zuverlässigkeit des Abgassystems gesichert werden.
Zu dieser Zeit kann Energie des Abgases, die konventionell verworfen wurde, verwendet werden, um die Einlaßluft weiter durch den Turbolader 40 aufzuladen bzw. zu verdichten, und durch ein Beschränken dieser Einlaßluft kann der Wirbelstrom T der Brennkammern 6 so viel als möglich verstärkt werden, und daher kann die Verdampfung und die Zerstäubung des großen Volumens an Kraftstoff ausreichend gefördert werden und der PM-Ausstoß reduziert werden.
Ein Schließen der TSCVs 30, um die Einlaßluft auf diese Weise zu beschränken, führt zu einem Abfall in der Effizienz des Lufteinlasses, doch wird der Ladedruck erhöht, so daß die Ladeeffizienz der Zylinder 2 auch unter diesen Bedingungen nicht abfällt und daher die maximale, hohe Arbeitsleistung der Maschine 1 zuverlässig aufrecht erhalten bleibt. Außerdem führt dies nicht zu Fluktuationen der Arbeitsleistung der Maschine, selbst wenn die Fahrbedingungen der Maschine 1 sich zwischen dem bestimmten Bereich und anderen Bereichen verschieben.
Außerdem können, da die Maschine 1 dieser Ausführungsform das Vorsehen von TSCVs 30 erfordert, um eine geeignete luftgeführte geschichtete Verbrennung zu erhalten, und die TSCVs 30 auch verwendet werden können, um die obige Aktion zu erreichen, die obigen Effekte ausreichend erhalten werden, ohne zusätzliche neue Hardware zu erfordern oder zu erhöhten Kosten oder zu einer komplizierteren Struktur zu führen.
Andere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Konfiguration der obigen Ausführungsform beschränkt und kann verschiedene andere Konfigurationen umfassen. Zum Beispiel wurde in dem obigen Ausführungsbeispiel besondere Beachtung dem Taumel- bzw. Wirbelstrom T als Strömung innerhalb der Zylinder geschenkt, und der Wirbelstrom T wurde durch ein Beschränken des Stroms der Einlaßluft in die Zylinder 2 durch die TSCVs 30, die in der Einlaßpassage 23 vorgesehen sind, und den Schrittmotor 31 verstärkt, jedoch besteht keine Beschränkung auf diese, und in einer Maschine, die mit zwei oder mehr Einlaßventilen versehen ist, kann die Einlaßluft in die Zylinder 2 durch ein Bereitstellen und ein Betreiben eines Mechanismus beschränkt werden, der zwangsweise den Betrag des Hubs von zumindest einem dieser Einlaßventile reduziert, oder alternativ durch Bereitstellen eines Mechanismus, der zwangsweise die Öffnung von einem oder zwei der Einlaßventile stoppt, um zum Beispiel die Strömung, wie den Taumelstrom T oder den Wirbelstrom innerhalb des Zylinders zu verstärken.
In dem obigen Ausführungsbeispiel waren die Ladedruck-Einstellmittel durch das Ladedruck-Regelventil 42 zum Einstellen des maximalen Ladedrucks des Turboladers 40 konfiguriert, doch besteht keine Beschränkung auf diese, und es ist zum Beispiel möglich, einen variablen Turbolader zu verwenden, in dem die Effizienz einer Aufladung bzw. Verdichtung durch ein Beschränken des Abgases in die Turbine variiert werden kann, um die Geschwindigkeit des Abgases zu ändern.
Auch ist der Verdichter nicht auf einen Turbolader beschränkt und es kann zum Beispiel ein mechanischer Verdichter, der von der Kurbelwelle 8 der Maschine bzw. des Motors 1, angetrieben ist, oder es kann auch ein Elektromotor verwendet werden, in welchem Fall die Ladedruck-Einstellmittel durch einen Einstellmechanismus konfiguriert sein können, der das Entlastungsventil einstellt, um den Ladedruck ent weichen zu lassen, und die Antriebskraft des Verdichters einstellt.
Außerdem wurde in dem obigen Ausführungsbeispiel die vorliegende Erfindung auf einen sogenannten luftgeführten Typ einer Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine angewandt, doch besteht keine Beschränkung darauf, und die vorliegende Erfindung kann in ähnlicher Weise auf einen sogenannten wandgeführten Typ einer Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine angewandt werden, in der Kraftstoff, der direkt in die Brennkammer durch den Injektor bzw. die Einspritzeinrichtung eingespritzt wird, durch die Wand des Hohlraums in der oberen Fläche des Kolbens geführt wird und rund um die Elektrode der Zündkerze geschichtet wird.

Claims

Funkzündungstyp-4-Takt-Brennkraftmaschine (1) mit Direkteinspritzung, umfassend einen Turbolader (40) zum Aufladen bzw. Verdichten von Einlaßluft in einen Zylinder (2) und einem Kraftstoffeinspritzventil (18) für ein direktes Einspritzen und Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer (6) innerhalb des Zylinders (2), wobei in wenigstens einem Turboladerbereich an einer Hochgeschwindigkeits-Hochdrehzahl- bzw. Hochlast-Seite Kraftstoff während eines Einlaßhubs des Zylinders (2) durch das Kraftstoffeinspritzventil (18) eingespritzt wird, um einen Zustand einer homogenen Verbrennung zu erreichen, wobei die Funkzündungstyp-4-Takt-Brennkraftmaschine (1) mit Direkteinspritzung umfaßt: Fluß- bzw. Strömungs-Verstärkungsmittel (30) zum Ein- bzw. Beschränken des Stroms bzw. der Strömung bzw. des Flusses an Einlaßluft in den Zylinder (2) und Verstärken eines Stroms bzw. einer Strömung bzw. eines Flusses innerhalb des Zylinders (2); Ladedruck-Einstellmittel (42) zum Halten eines Ladedrucks der Einlaßluft aufgrund des Turboladers (40) unter einem Ziel-Ladedruck; gekennzeichnet durch Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regel- bzw. -Steuermittel (50b) zum Regeln bzw. Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses A/F in dem Zylinder (2), sodaß A/F ≤ 13 in einem bestimmten Fahrbereich ist, welcher an der Hochgeschwindigkeits-Hochdrehzahl- bzw. Hochlast-Seite innerhalb des Aufladebereichs aufgebaut ist; Strömungs-Regel- bzw. -Steuermittel (50c) zum Erhöhen des Ausmaßes einer Ein- bzw. Beschränkung der Einlaßluft mit den Strömungs-Verstärkungsmitteln (30), um relativ die Strömung in dem Zylinder (2) in dem bestimmten Fahrbereich im Vergleich zu derjenigen in einem Bereich zu verstärken, welche an einer Niederlastseite des bestimmten Fahrbereichs benachbart ist, selbst wenn eine Motordrehzahl dieselbe ist; und Ladedruck-Regel- bzw. -Steuermittel (50d) zum Regeln bzw. Steuern der Ladedruck-Einstellmittel (42), um relativ den Ziel-Ladedruck in dem bestimmten Fahrbereich im Vergleich zu demjenigen in einem Bereich zu erhöhen, welcher eine Niedrigdrehzahl- bzw. Niedriggeschwindigkeits-Seite des bestimmten Fahrbereichs benachbart ist.
Funkzündungstyp-Brennkraftmaschine (1) mit Direkteinspritzung mit Turbolader (40) nach Anspruch 1, wobei die Ladedruck-Regel- bzw. -Steuermittel (50d) den Ziel-Ladedruck erhöhen, um einen Abfall in einer Einlaß- bzw. Aufnahmeeffizienz zu kompensieren, welcher bewirkt wird, wenn die Strömungs-Steuermittel (50c) die Strömungs-Verstärkungsmittel (30) regeln bzw. steuern, um die Menge bzw. das Ausmaß einer Ein- bzw. Beschränkung an der Einlaßluft zu erhöhen.
Funkzündungstyp-Brennkraftmaschine (1) mit Direkteinspritzung mit Turbolader (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungs-Steuermittel (50c) so konfiguriert sind, daß sie die Menge einer Beschränkung an der Einlaßluft aufgrund der Strömungs-Verstärkungsmittel (30) wenigstens in dem Aufladebereich abseits bzw. benachbart von dem bestimmten Bereich minimieren.
Funkzündungstyp-Brennkraftmaschine (1) mit Direkteinspritzung mit Turbolader (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strömungs-Verstärkungsmittel (30) mit einem Strömungs-Regel- bzw. -Steuerventil (30), welches in einem Einlaßdurchtritt zu dem Zylinder (2) angeordnet ist, und einer Betätigungseinrichtung bzw. einem Stellglied zum Einstellen eines Öffnungsgrads des Strömungs-Steuerventils (30) versehen sind; und wobei die Strömungs-Steuermittel (50c) so konfiguriert sind, daß sie den Öffnungsgrad des Strömungs-Steuerventils (30) durch eine Betätigung des Stellglieds regeln bzw. steuern.
Funkzündungstyp-Brennkraftmaschine (1) mit Direkteinspritzung mit Turbolader (40) nach Anspruch 4, wobei der Öffnungsgrad des Strömungs-Steuerventils (30) reduziert wird, um eine Taumelströmung zu verstärken, welche als die Strömung in dem Zylinder (2) dient; das Kraftstoffeinspritzventil (18) gegenüberliegend zu der Taumelströmung angeordnet ist, welche durch die Verbrennungskammer (6) in dem Zylinder (2) während eines Kompressionshubs des Zylinders (2) strömt; Kraftstoffeinspritz-Regel- bzw. -Steuermittel (50a) vorgesehen sind, welche in einem vorbestimmten Fahrbereich an der Niedriggeschwindigkeits-Niedriglast-Seite Kraftstoff zu der Taumelströmung während des Kompressionshubs des Zylinders (2) mit dem Kraftstoffeinspritzventil (18) einspritzen, so daß der Kraftstoff, welcher durch das Kraftstoffeinspritzventil (18) eingespritzt wird, ein verbrennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch in einer Zündungsperiode des Zylinders (2) wird und nahe der Elektrode der Zündkerze verbleibt; und die Strömungs-Steuermittel (50c) so konfiguriert sind, daß sie das Strömungs-Steuerventil (30) in dem vorbestimmten Fahrbereich und in dem bestimmten bzw. spezifischen Fahrbereich schließen.