-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Erfindungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Verbesserungen an einem funkengezündeten Verbrennungsmotor mit
Zylinderdirekteinspritzung und insbesondere ein Steuersystem zum
variablen Steuern der Verwirbelungsstärke, die in einem Zylinder
des Motors erzeugt wird.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Bislang wurden funkengezündete Verbrennungsmotoren
mit Zylinderdirekteinspritzung vorgeschlagen und in der Praxis zur
Anwendung gebracht, bei denen Kraftstoff direkt in jeden Zylinder
des Motors eingespritzt wird. Ein typischer Motor dieser Art ist
in der vorläufigen
japanischen Patentschrift Nr. 2-125911 offen gelegt. Dieser Motor
ist wie folgt aufgebaut: Jeder Kolben weist an seiner Krone einen Hohlraum
auf. Eine Zündkerze
wird an einem Zylinderkopf montiert und so angebracht, dass sie
dem Randabschnitt des Hohlraums gegenüberliegt. Eine Kraftstoffeinspritzdüse ist so
angeordnet, dass sie in den Zylinder hineinragt und direkt Kraftstoff
in den Zylinder einspritzt und zudem verhindert, dass eingespritzter
Kraftstoff direkt auf die Zündkerze
spritzt.
-
Darüber hinaus ist dieser Motor
mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Verwirbelungsstärke eines
Luft/Kraftstoff-Gemisches versehen, das in dem Zylinder entsteht.
In einem geringen Lastbereich des Motors wird die Verwirbelungsstärke durch
die Verwirbelungsstärken-Steuervorrichtung
erhöht, während in
der letzteren Hälfte
des Verdichtungshubs Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingespritzt
wird, wodurch sich ein brennbares Gemisch um die Zündkerze
herum ansammelt. Das brennbare Gemisch wird verbrannt, so dass die
Verbrennung der Schichtladung im Zylinder ertolgt. Bei hoher Last
des Motors wird die Verwirbelungsstärke verringert, während im
Ansaughub Kraftstoff eingespritzt wird, wodurch der Kraftstoff und
die Luft bereits vermischt werden. Dadurch entsteht in der gesamten
Verbrennungskammer ein homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch und es
wird eine homogene Ladungsverbrennung im Zylinder gewährleistet.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es wurde festgestellt, dass sich
bei Änderung
der Verwirbelungsstärke
in einer Verbrennungszone mit Schichtladung, in der die Verbrennung
der Schichtladung erfolgt, der Verbrennungszustand im Zylinder verändert, wodurch
auch die Fahreigenschaften des Motors beeinträchtig werden. Deshalb ist es
erforderlich, die Verwirbelungsstärke allmählich zu ändern, so dass kein ruckartiger
Wechsel entsteht, wenn sich die Verbrennungsbedingungen verändern.
-
Bei dem oben erörterten konventionellen Motor
wird jedoch die Verwirbelungsstärke
entsprechend der Motorlast geändert,
die wiederum weitgehend schrittweise verändert wird, zum Beispiel wenn in
der Verbrennungszone mit Schichtladung die Beschleunigung und Verlangsamung
abrupt wiederholt werden. Dementsprechend erfolgt auch die Änderung
der Verwirbelung (d. h. die Änderung
der Verbrennungsbedingungen) abrupt, wodurch sich die Fahreigenschaften
des Motors verschlechtern. Wenn andererseits während einer plötzlichen
Beschleunigung bzw. Verlangsamung nur die Verwirbelungsstärke in der
Verbrennungszone mit Schichtladung allmählich geändert wird, entsteht die Gefahr,
dass die Motorlast und die Verwirbelungsstärke nicht aufeinander abgestimmt
werden.
-
Hierbei wird davon ausgegangen, dass
der Motorbetrieb in die Verbrennungszone mit Schichtladung und eine
Verbrennungszone mit homogener Ladung unterteilt ist, in der die
Verbrennung der homogenen Ladung erfolgt, wobei die Verbrennungszone
für die
homogene Ladung weiterhin in eine Verbrennungszone für eine homogene
magere Ladung und in eine Verbrennungszone mit homogener stöchiometrischer
Ladung (mit einer Verbrennungszone für eine homogene Ladung bei
hoher Leistungsabgabe) aufgeteilt ist. In einem Prozess, in dem
der Motorbetrieb von der Verbrennungszone mit Schichtladung über die
Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung zu der Verbrennungszone
mit der homogenen stöchiometrischen
Ladung wechselt, ist es notwendig, dass die Verwirbelungsstärke in der
Verbrennungszone mit Schichtladung allmählich verringert wird, in der
Verbrennungszone mit der homogenen mageren Ladung sofort verringert
wird und erneut sofort abgesenkt wird, nachdem die Verbrennungszone mit
der homogenen stöchiometrischen
Ladung erreicht ist. Dadurch wird die Verwirbelungsstärke im Zylinder
unvermeidlich weitgehend immer dann geändert, wenn sich die Verbrennungsbedingungen
im Zylinder ändern.
Selbst wenn sich bei einer Veränderung
der Motorlast die Ver wirbelungsstärke entsprechend der Motorlast
in einem Prozess ändert,
in dem der Motorbetrieb von der Verbrennungszone mit Schichtladung über die
Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung bis zu der Verbrennungszone mit
homogener stöchiometrischer
Ladung wechselt, erfolgt die Änderung
der Verwirbelungsstärke
abrupt, wodurch sich die Fahreigenschaften des Motors verschlechtern.
-
Angesichts dessen besteht eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines verbesserten funkengezündeten Verbrennungsmotors mit
Zylinderdirekteinspritzung, der wirksam die Nachteile konventioneller
Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritz-Funkenzündung überwindet.
-
Eine andere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Schaffung eines verbesserten funkengezündeten Verbrennungsmotors
mit Zylinderdirekteinspritzung, wobei die Verbrennungsbedingung
in jedem Zylinder auch dann nicht abrupt geändert wird, wenn eine abrupte
Beschleunigung und Verlangsamung des Motors auftritt.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Schaffung eines Verbrennungsmotors mit verbesserter
Direkteinspritz-Funkenzündung,
wobei die Stärke
der in jedem Zylinder zu erzeugenden Verwirbelung entsprechend der
Motordrehzahl variabel gesteuert wird und keine abrupte Änderung
herbeiführt.
-
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
betrifft, wie in 16 abgebildet,
einen funkengezündete
Verbrennungsmotor mit Zylinderdirekteinspritzung, der einen Abschnitt 41 aufweist,
mit dem die Verwirbelungsstärke
in einem Zylinder des Motors gesteuert wird. Ein Abschnitt 42 ist
vorgesehen, um entsprechend einem Betriebszustand des Motors eine
Verbrennungszone mit Schichtladung zu erkennen. Darüber hinaus
ist ein Abschnitt 43 vorhanden, um den Steuerabschnitt
für die
Verwirbelungsstärke
so zu regeln, dass die Verwirbelungsstärke in der Verbrennungszone
mit Schichtladung, die von dem Erkennungsabschnitt erkannt wurde,
entsprechend einer Motordrehzahl verändert wird.
-
Ein anderer Aspekt der Endung betrifft
einen funkengezündeten
Verbrennungsmotor mit Zylinderdirekteinspritzung, der ein Verwirbelungs-Steuerventil
aufweist, das beweglich in einem Durchlass angeordnet ist, der mit
einem Zylinder des Motors verbunden ist, wobei das Verwirbelungs-Steuerventil
ein Verwirbelungsverhältnis
in dem Zylinder reguliert. Es ist ein Sensor vorhanden, der einen
Motorbetriebszustand erfasst, der für eine Verbrennungszone mit Schichtladung
steht. Weiterhin ist eine Steuerung vorgesehen, die das Verwirbelungs-Steuerventil
so steuert, dass es das Verwirbelungsverhältnis entsprechend einer Motordrehzahl
des Motors in der Verbrennungszone mit Schichtladung, die von dem Sensor
erfasst wird, ändert.
-
Erfindungsgemäß wird die Verwirbelungsstärke in der
gesamten Verbrennungszone mit Schichtladung entsprechend der Motordrehzahl,
die sich kaum abrupt ändern
kann, verändert,
und nicht entsprechend der Motorlast, die sich abrupt ändern kann.
Wenn in der Verbrennungszone mit Schichtladung eine abrupte Beschleunigung
bzw. Verlangsamung des Motors erfolgt, kann sich daher der Verbrennungszustand
in einem Zylinder nicht abrupt ändern,
wodurch die Beeinflussung der Fahreigenschaften verringert wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein fragmentarischer, schematischer Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines funkengezündeten
Verbrennungsmotors mit Zylinderdirekteinspritzung;
-
2 ist
eine fragmentarische, schematische Draufsicht auf den Motor aus 1;
-
3 ist
eine schematische Darstellung des Motors aus 1 mit einem Steuersystem für den Motor;
-
4 ist
eine grafische Darstellung, die eine Vielzahl von Betriebszonen
des Motors darstellt, in denen die verschiedenen vorgegebenen Verbrennungsbedingungen
in einem Zylinder auftreten;
-
5 ist
eine Grafik, die die Kennlinie des Verwirbelungsverhältnisses
in Bezug auf die Motordrehzahl in einer Verbrennungszone mit Schichtladung
bei einem Motor aus 1 zeigt;
-
6 ist
eine Grafik, die die Kennlinie der Verbrennungsstabilität im Zylinder
in Bezug auf das Verwirbelungsverhältnis in einem Bereich niedriger Motordrehzahl
in der Verbrennungszone mit Schichtladung bei dem Motor aus 1 zeigt;
-
7 ist
eine Grafik, die 6 ähnlich ist,
jedoch die Kennlinie der Verbrennungsstabilität in Bezug auf das Verwirbelungsverhältnis in
einem Bereich mittlerer Motordrehzahl in der Verbrennungszone mit
Schichtladung bei dem Motor aus 1 zeigt;
-
8 ist
eine Grafik, die die Kennlinie des Verwirbelungsverhältnisses
in Bezug auf den Öffnungsgrad
eines Verwirbelungs-Steuerventils zeigt, das in dem Motor aus 1 verwendet wird;
-
9 ist
eine Grafik, die die Kennlinie des Öffnungsgrades des Verwirbelungs-Steuerventils in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl bei dem Motor aus 1 zeigt;
-
10 ist
eine Grafik, die die Kennlinie des Öffnungsgrades des Verwirbelungs-Steuerventils in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl bei dem Motor aus 1 zeigt;
-
11 ist
eine Grafik, die die erste Kennlinie des Öffnungsgrades des Verwirbelungs-Steuerventils in
Abhängigkeit
von der Motorlast bei dem Motor aus 1 zeigt;
-
12 ist
eine Grafik, die 11 ähnlich ist, jedoch
die zweite Kennlinie des Öffnungsgrades
des Verwirbelungs-Steuerventils in Bezug auf die Motorlast bei dem
Motor aus 1 zeigt;
-
13 ist
eine Grafik, die 5 ähnlich ist, jedoch
die Kennlinie des Verwirbelungsverhältnisses in Bezug auf die Motordrehzahl
in einer Verbrennungszone mit Schichtladung bei einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen funkengezündeten Verbrennungsmotors
mit Zylinderdirekteinspritzung zeigt;
-
14 ist
eine Grafik, die die Kennlinie des Öffnungsgrades des Verwirbelungs-Steuerventils in Bezug
auf die Motordrehzahl bei dem Motor aus 13 zeigt;
-
15 ist
eine Grafik, die die Kennlinie des Öffnungsgrades des Verwirbelungs-Steuerventils in Bezug
auf die Motordrehzahl bei dem Motor aus 13 zeigt; und
-
16 ist
ein Blockdiagramm, das die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung
darstellt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
In den 1, 2 und 3 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen funkengezündeten Verbrennungsmotors
mit Zylinderdirekteinspritzung mit dem Bezugszeichen E dargestellt.
Der Motor E nach dieser Ausführungsform
ist für
ein Kraftfahrzeug bestimmt und umfasst einen Zylinderblock 1 mit einer
Vielzahl von Zylindern 2, wenngleich nur ein Zylinder 2 des
Motors abgebildet ist. In jedem Zylinder ist ein Kolben 3 beweglich
angeordnet. An der Oberseite des Zylinderblocks 1 ist ein
Zylinderkopf 4 befestigt. Zwischen dem Kolben 3 und
dem Zylinderkopf 4 ist eine Verbrennungskammer 5 mit
Pultdach ausgebildet.
-
Im Zylinderkopf 4 befinden
sich zwei Ansaugöffnungen 7, 8 und
zwei Auslassöffnungen
E1 und E2. Die Ansaugöffnungen 7, 8 sind
weitgehend zu einer vertikalen Ebene (nicht abgebildet) geneigt, welche
die Achsen O der Zylinder 2 enthält, wodurch verhindert wird,
dass ein Ansaugverteiler (nicht abgebildet) an einer zu hohen Position
zu dem Motor E angeordnet wird. Die Ansaugöffnungen 7, 8 sind über die
Ventilsitze 7a, 8a zu der Verbrennungskammer 5 hin
offen. Es sind Ansaugventile 9, 10 beweglich vorgesehen,
so dass sie auf den Ventilsitzen 7a, 8a aufgenommen
werden können.
In gleicher Weise sind die Auslassöffnungen E1, E2 über die
Ventilsitze S1, S2 zu der Verbrennungskammer 5 hin offen.
Die Auslassventile 11, 12 sind beweglich angeordnet,
so dass sie auf den Ventilsitzen S1, S2 aufgenommen werden können.
-
Eine Zündkerze 6 und eine
Kraftstoffeinspritzdüse 13 sind
so in dem Zylinderkopf 4 angebracht, dass sie in die Verbrennungskammer 5 hineinragen.
Die Zündkerze 6 ist
so vorgesehen, dass ihre Achse leicht von der Achse O des Zylinders 2 beabstandet
ist. Die vordere Spitze der Kraftstoffeinspritzdüse 13 befindet sich
in der Nähe
des Randes der Verbrennungskammer 5, wie in 1 abgebildet, und zwischen
zwei Ansaugventilen 9, 10, wie aus der Ansicht
von oben in 2 ersichtlich
wird.
-
Wie in 1 hat
der Kolben 3 eine dachförmige
Oberseite mit zwei geneigten Flächen 15, 16, die über eine
Firstlinie 14 aneinander angrenzen. An der Oberseite des
Kolbens 3 ist ein allgemein scheibenförmiger, kreisförmiger Hohlraum 17 derart
ausgebildet, dass er in Bezug auf die Achse O des Zylinders 2 exzentrisch
in Richtung der Kraftstoffeinspritzdüse 13 angeordnet ist,
wie die Ansicht von oben deutlich macht. Konkret hat der Hohlraum 17 eine
flache Bodenwand 18, die senkrecht zur Achse O des Zylinders 2 verläuft. Eine
allgemein ringförmige
Seitenwandfläche 19 erstreckt
sich vom Rand der Bodenfläche 18 nach
oben und reicht bis zur Oberseite des Kolbens 3. Somit
wird der Hohlraum 17 von der Bodenwandfläche 18 und
der Seitenwandfläche 19 begrenzt.
Die Seitenwandfläche 19 hat
einen vorgegebenen Neigungswinkel zu der vertikalen Ebene, die die
Achsen O des Zylinders 2 enthält, und zwar auf einer anderen
vertikalen Ebene C (in 2),
die senkrecht zu der oben erwähnten
vertikalen Ebene (mit den Achsen O) verläuft, wie in 1 dargestellt. Weiterhin wird der Hohlraum 17 gebildet,
indem ein zentraler Abschnitt der Firstlinie 14 zwischen
den geneigten Flächen 15, 16 der
Oberfläche
des Kolbens 3 derart herausgeschnitten wird, dass sich
der aus der Kraftstoffeinspritzdüse 13 gesprühte Kraftstoff um
die Zündkerze 6 herum
in einer Motorbetriebszone sammeln kann, in der die Verbrennung
der Schichtladung erfolgt.
-
Die Form des Kolbens 3 und
der Verbrennungskammer 5 ist in Bezug auf die vertikale
Ebene C mit den Achsen O der Zylinder symmetrisch, wie in 2 abgebildet. Ebenso sind
die Ansaugöffnungen 7, 8 im
Allgemeinen symmetrisch zu der vertikalen Ebene C ausgebildet, wobei
die Ansaugöffnung 7 einen
größeren Neigungswinkel
zu der vertikalen Ebene C hat als die Ansaugöffnung 8, wenn man
dies wie in 2 von oben
betrachtet. Dementsprechend wird die Ansaugluft gleichmäßig in beiden
Ansaugöffnungen 7, 8 verteilt
und strömt
anschließend
zur Ausbildung eines Ansaug-Luftstroms in den Zylinder 2 hinein. Über eine
geneigte Wandfläche 5a,
die einen Teil der oberen Wand der Verbrennungskammer 5 bildet, und über eine
Innenwandfläche
des Zylinders 2, die an die geneigte Wandfläche 5a angrenzt,
gelangt der Ansaug-Luftstrom nach unten, wodurch ein sogenannter
Schleuderstrom erzeugt wird, der sich im Zylinder 2 dreht.
-
Die Kraftstoffeinspritzdüse 13 hat
eine Achse, die in den Hohlraum 17 hinein gerichtet werden kann
und nach unten geneigt ist, um zu verhindern, dass von der Kraftstoffeinspritzdüse 13 eingespritzter oder
eingesprühter
Kraftstoff direkt auf die Zündkerze 6 auf trifft,
wie in 1 abgebildet.
Der aus der Kraftstoffeinspritzdüse 13 eingespritzte
Kraftstoff nimmt die Form eines Sprühkegels an, dessen Sprühwinkel auf
einen Wert innerhalb eines vorgegebenen Bereiches eingestellt ist,
bei dem sich fast der gesamte versprühte Kraftstoff innerhalb des
Hohlraums 17 befindet, wenn nach dem Öffnen der Kraftstoffeinspritzdüse 13 in
der letzteren Hälfte
des Verdichtungshubs (wenn der Kolben 3 hochfährt) Kraftstoff
in die Motorbetriebszone eingespritzt wird, in der die Verbrennung
der Schichtladung erfolgt. In einer Motorbetriebszone, in der die
Verbrennung einer homogenen Ladung ausgeführt wird, findet die Kraftstoffeinspritzung
von der Kraftstoffeinspritzdüse 13 im
Ansaughub statt (wenn der Kolben 3 nach unten fährt). Somit
werden die Zeitpunkte für
die Kraftstoffeinspritzung (an denen die Kraftstoffeinspritzdüse 13 Kraftstoff
einspritzt) des Motors E entsprechend den Verbrennungszuständen, wie
beispielsweise Verbrennung der Schichtladung und Verbrennung der
homogenen Ladung, gesteuert.
-
Wie aus 3 zu erkennen ist, ist eine Steuereinheit
bzw. eine Steuerung 31 als Teil eines Steuersystems S vorgesehen,
welche die Kraftstoffeinspritzzeiten entsprechend den Verbrennungszuständen steuert
sowie die Zeiten für
die Funkenbildung (an denen die Zündkerze 6 ihre Funken
erzeugt) und eine Kraftstoffeinspritzmenge (die aus der Kraftstoffeinspritzdüse 13 eingespritzt
wird). Zu der Steuereinheit 31 gelangen ein Ansaugluft-Mengensignal (von
einer Luftdurchfluss-Messeinrichtung 32), welches für die Menge
an Ansaugluft steht, die dem Motor E zuzuführen ist, ein Kühlmittel-Temperatursignal (von
einem Kühlmittel-Temperatursensor 33),
welches die Temperatur des Motorkühlmittels angibt, ein Motordrehzahlsignal
(von einem Kurbelwellen-Winkelsensor 34), welches die Motordrehzahl
des Motors E angibt, und ein Gaspedal-Positionssignal (von einem
Gaspedal-Positionssensor 35), welches den Betätigungsumfang
eines Gaspedals angibt. Die Steuereinheit 31 ist so konfiguriert,
dass sie beurteilt, welcher Verbrennungszustand (d. h. welche Motorbetriebszone)
für den
aktuellen Motorbetrieb entsprechend dem Ansaugluft-Mengensignal,
dem Kühlmittel-Temperatursignal,
dem Motordrehzahlsignal und dem Gaspedal-Positionssignal erforderlich
ist. Die Steuereinrichtung 31 ist weiterhin so konfiguriert, dass
sie die Kraftstoffeinspritzmenge und den Zündzeitpunkt entsprechend den
festgelegten Verbrennungsbedingungen berechnet und Steuersignale ausgibt,
welche die Kraftstoffeinspritzmenge und den Zündzeitpunkt an die Kraftstoffeinspritzdüse 13 und die
Zündkerze 6 anzeigen.
-
Bei der vorliegenden Ausführungsform
werden die Motorbetriebszonen für
die jeweiligen Verbrennungszustände
wie in 4 eingestellt.
Jede Motorbetriebszone wird entsprechend der Motordrehzahl, die
von dem Kurbelwinkelsensor 34 erfasst wird, und entspre chend
der Motorlast, die über
die Ansaugluftmenge bestimmt wird, welche von der Luftstrom-Messeinrichtung 32 erfasst
wird, dem Betätigungsumfang
des Gaspedals, der von dem Gaspedal-Positionssensor 35 erfasst
wird, und dergleichen eingestellt und erfasst. Die Verbrennungszone mit
Schichtladung bzw. die Motorbetriebszone R1 (in der die Verbrennung
mit Schichtladung erfolgt) liegt innerhalb eines Bereiches mit niedriger
und mittlerer Motordrehzahl, der sich von einer geringen Motordrehzahl
bis zu einer mittleren Motordrehzahl des Motors erstreckt, und innerhalb
eines unteren und mittleren Motorlastbereiches, der sich von einer
unteren Motorlast bist zu einer mittleren Motorlast des Motors erstreckt.
Denn bei Einwirkung einer großen Menge
Ansaugluft und bei hoher Motordrehzahl werden die Luftturbulenzen
im Zylinder sehr stark, weshalb sich um die Zündkerze 6 herum kein brennbares Luft/Kraftstoff-Gemisch
ansammeln kann, so dass sich bei Motorbetrieb im hohen Motordrehzahlbereich
die Verbrennung verschlechtert, wenn im Verdichtungshub Kraftstoff
eingespritzt wird. Das heißt, für den Motorbetrieb
im hohen Motordrehzahlbereich eignet sich die homogene Ladungsverbrennung,
bei der die Kraftstoffeinspritzung im Ansaughub stattfindet, wohingegen
die Verbrennungszone mit Schichtladung auf den unteren und mittleren
Drehzahlbereich begrenzt ist.
-
Eine homogene Ladungsverbrennungszone bzw.
eine homogene Motorbetriebszone R2, R3 (in der die Verbrennung der
Schichtladung erfolgt) liegt in einem mittleren und hohen Motordrehzahlbereich und
innerhalb eines mittleren und hohen Motorlastbereiches, wie in 4 abgebildet. Bei der homogenen
Ladungsverbrennung wird im Ansaughub eingespritzter Kraftstoff im
Zylinder gleichmäßig vermischt und
anschließend
verbrannt. Die Verbrennungszone R3, R2 mit homogener Ladung umfasst
eine Verbrennungs- oder Motorbetriebszone R2 mit homogener magerer
Ladung, in der der Motorbetrieb in einem Bereich eines mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses stattfindet,
wobei das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen
20 : 1 und 25 : 1 liegt, und eine Verbrennungs- bzw. Motorbetriebszone
R3 mit homogener stöchiometrischer
Ladung, in der der Motorbetrieb in einem Bereich eines stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Gemisches um ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis herum
erfolgt. In der Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung hat
die Kraftstoffökonomie
Vorrang vor der Motorausgangsleistung, wohingegen die Motorausgangsleistung
in der Verbrennungszone mit stöchiometrischer
homogener Ladung einen größeren Stellenwert
hat als die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffeinsatzes. Konkret
enthält die
Verbrennungszone R3 mit homogener stöchiometrischer Ladung eine
Verbrennungszone mit homogener Ladung bei hoher Leistungsabgabe,
die in der Nähe
der maximalen Motordrehzahl liegt. In dieser Verbrennungszone mit
homoge ner Ladung und hoher Leistungsabgabe erfolgt der Motorbetrieb
bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
das höher
als das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
ist.
-
Wie aus 2 deutlich wird, ist ein Vennrirbelungs-Drosselventil 23 drehbar
in einem Zweigkanal 21 eines Ansaugverteilers angeordnet,
der mit der Ansaugöffnung 7 verbunden
ist. Ein anderer Zweigkanal 22 des Ansaugverteilers ist
mit der Ansaugöffnung 8 verbunden.
Das Verwirbelungs-Steuerventil 23 wird von einer Betätigungseinrichtung 24 angetrieben,
bei der es sich wie in 3 um
einen Schrittmotor handelt. Wenn sich der Öffnungsgrad des Verwirbelungs-Steuerventils 23 verkleinert
und den Durchflussbereich des Zweigkanals 21 schmaler werden
lässt,
nimmt die Menge an Ansaugluft, die durch den Zweigkanal 22 zum
Zylinder 2 strömt,
in Bezug auf die Ansaugluftmenge, die durch den Zweigkanal 21 in
den Zylinder 2 strömt,
zu, wodurch eine Verwirbelung des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Zylinder 2 entsteht,
wie durch Pfeil A in 2 angegeben.
Dementsprechend enthalten die im Zylinder 2 erzeugten Drehströme eine
Verwirbelungskomponente, die sich um die Achse des Zylinders 5 dreht, und
eine Schleuderkomponente, die sich um eine Achse (nicht abgebildet)
dreht, die senkrecht zur Achse O des Zylinders 2 verläuft. Speziell
in der Verbrennungszone mit Schichtladung wird ein Verwirbelungsverhältnis vorzugsweise
auf einen Wert innerhalb eines Bereiches von 1,5 bis 3,0 eingestellt,
oder auf einen Wert, der nicht unter etwa 3 liegt. Das Verwirbelungsverhältnis wird
vorzugsweise auf einen Wert eingestellt, der nicht unter dem 1,5
fachen eines Schleuderverhältnisses
liegt. Unter dem Verwirbelungsverhältnis ist die Anzahl von Drehungen
des Wirbels während
einer Zeitspanne zu verstehen, in der die Kurbelwelle des Motors
E eine Drehung vollzieht. Das Schleuderverhältnis ist die Anzahl von Trommeldrehungen
während
einer Zeitspanne, in der die Kurbelwelle eine Drehung vollzieht.
-
Es wird nunmehr davon ausgegangen,
dass sich bei Veränderung
der Verwirbelungsstärke
in der Verbrennungszone mit Schichtladung die Verbrennungsbedingungen
so ändern,
dass die Fahreigenschaften des Motors stark beeinträchtig werden. Dementsprechend
ist es am günstigsten,
die Verwirbelungsstärke
allmählich
zu ändern,
um so einen zu ruckartigen Wechsel zu umgehen, der bei dem Wechsel
der Verbrennungsbedingungen auftritt. Bei konventionellen Verbrennungsmotoren
mit Zylinderdirekteinspritzfunkenzündung ändert sich die Verwirbelungsstärke entsprechend
der Motorlast, weshalb eine Veränderung
der Verwirbelungsstärke
(d. h. eine Änderung
der Verbrennungsbedingungen) häufig und
abrupt auftritt, wenn es während
der Verbrennung mit Schichtladung wiederholt eine abrupte Beschleunigung
und Verlangsamung gibt, wodurch sich die Fahreigenschaften des Motors
verschlechtern. Wenn solche konventionellen Motoren zusätzlich die Verbrennungszone
mit Schichtladung (R1), die Verbrennungszone mit homogener magerer
Ladung (R2) und die Verbrennungszone mit homogener stöchiometrischer
Ladung (R3), einschließlich
der Verbrennungszone mit homogener Ladung bei hoher Leistungsabgabe,
(wie in 4) aufweisen,
ist die Verwirbelungsstärke
wie folgt zu steuern: In einem Prozess, in dem Motorbetrieb von
der Verbrennungszone mit Schichtladung (R1) über die Verbrennungszone mit
homogener magerer Ladung (R2) zu der Verbrennungszone mit homogener
stöchiometrischer Ladung
(R3) wechselt, nimmt die Verwirbelungsstärke in der Verbrennungszone
mit Schichtladung (R1) allmählich
ab, erhöht
sich sofort in der Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung
(R2) und nimmt erneut in der Verbrennungszone mit homogener stöchiometrischer
Ladung (R3) ab. Somit ändert sich
die Verwirbelungsstärke
sehr, wenn ein Wechsel der Verbrennungsbedingungen stattfindet.
Sogar in einem Prozess, in dem der Motorbetrieb bei gleichzeitiger Änderung
der Motorlast von der Verbrennungszone mit Schichtladung (R1) über die
Verbrennungszone mit homogener stöchiometrischer Ladung (R3)
zu der Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung (R2) wechselt, ändert sich
die Verwirbelungsstärke
erheblich, wodurch sich die Fahreigenschaften des Motors verschlechtern,
wenn sich die Verwirbelungsstärke
entsprechend der Motorlast ändert.
-
Um die obigen Probleme zu bewältigen,
wird die Verwirbelungsstärke
bei dem Motor E nach der oben erörterten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
so gesteuert, dass sie in Übereinstimmung
mit der Motordrehzahl des Motors E veränderbar ist, wobei sich die
Motordrehzahl nicht abrupt ändert.
Konkret wird der Öffnungsgrad
des Verwirbelungs-Steuerventils 23 derart
gesteuert, dass die Verwirbelungsstärke in einem niedrigen Drehzahlbereich
des Motors erhöht
wird und die Verwirbelungsstärke
reduziert wird, wenn die Motordrehzahl in der Verbrennungszone mit
Schichtladung R1 wie in 5 zunimmt.
In einem Prozess, in dem der Motorbetrieb von der Verbrennungszone
mit Schichtladung R1 über
die Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung zu der Verbrennungszone
mit homogener stöchiometrischer
Ladung R3 bei gleichzeitigem Anstieg der Motordrehzahl wechselt,
erfolgt des Weiteren die Änderung
der Verwirbelungsstärke
zwischen den einzelnen Verbrennungszonen in Übereinstimmung mit der Motordrehzahl
des Motors E.
-
Nachstehend wird erörtert, warum
die Verwirbelungsstärke
in dem niedrigen Motordrehzahlbereich erhöht wird und warum sie verringert
wird, wenn die Motordrehzahl zunimmt. Während der Verbrennung der Schichtladung
wird ein relativ reichhaltiges Luft/Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze 6 herum angesammelt
und verbrannt. Während
der Verbrennung mit Schichtladung im niedrigen Motordrehzahlbereich
ist die Verwirbelung schwach, weshalb es recht lange dauert, bis
das Luft/Kraftstoff-Gemisch die Zündkerze
6 erreicht,
so das keine stabile Verbrennung gewährleistet wird. Deshalb wird
im niedrigen Motordrehzahlbereich die Verwirbelungsstärke erhöht, um den
eingespritzten Kraftstoff gut mit Luft zu vermischen und das Luft/Kraftstoff-Gemisch
stetig zu einer Position um die Zündkerze 6 herum zu
transportieren. Außerdem
nimmt die Verwirbelungsstärke mit
größer werdender
Motordrehzahl zu. Wenn nun für
einen mittleren Drehzahlbereich die gleiche Stärke wie im niedrigen Motordrehzahlbereich
vorliegt, ist die Verwirbelungsstärke zu groß, so dass Kraftstoff und Luft
zu stark miteinander vermischt werden, wodurch das Luft/Kraftstoff-Gemisch
um die Zündkerze 6 herum
zu mager wird. Deshalb kann keine stabile Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches
im Zylinder gewährleistet
werden. Daher wird die Verwirbelungsstärke im mittleren Motordrehzahlbereich
verringert. Hierbei ist das Verhältnis
zwischen der Verbrennungsstabilität (im Zylinder) und der Verwirbelungsstärke (d.
h. dem Verwirbelungsverhältnis)
in 6 (während der
Verbrennung mit Schichtladung im niedrigen Motordrehzahlbereich)
und in 7 (während der
Verbrennung mit Schichtladung im mittleren Motordrehzahlbereich)
abgebildet, wobei das optimale Verwirbelungsverhältnis gemäß der Motordrehzahl ermittelt
wird. Dadurch wird verhindert, dass sich das Verwirbelungsverhältnis im
niedrigen Motordrehzahlbereich unnötig erhöht und sich das Verwirbelungsverhältnis im
mittleren Motordrehzahlbereich ebenso unnötig verringert, so dass die
Kennlinie des Verwirbelungsverhältnisses
eine Kurve bildet, die in der Verbrennungszone mit Schichtladung über alle Motordrehzahlen
hinweg eine bestimme Breite aufweist, wie in 5 dargestellt ist.
-
In 8 ist
die Beziehung zwischen dem Verwirbelungsverhältnis und dem Öffnungsgrad
des Verwirbelungs-Steuerventils 23 abgebildet. Wenn die Kennlinie
aus 5 durch Verwendung
der Beziehung aus 8 in
ein Verhältnis
zwischen der Motordrehzahl und dem Öffnungsgrad des Verwirbelungs-Steuerventils
umgewandelt wird, entsteht eine Kennlinie gemäß 9.
-
Wenn der Motorbetrieb die Verbrennungszone
mit Schichtladung erreicht hat, funktioniert die Steuereinheit 31 wie
folgt: Es erfolgt eine Suche ausgehend von einer Tabelle entsprechend 9 in Übereinstimmung mit der Motordrehzahl,
um so den Öffnungsgrad
(einen Zielöffnungsgrad)
des Verwirbelungs-Steuerventils 23 zu ermitteln, und anschließend wird
die Betätigungseinrichtung 24 so
angesteuert, dass das Verwirbelungs-Steuerventil 23 diesen Öffnungsgrad
annimmt.
-
Wenn der Motorbetrieb von der Verbrennungszone
mit Schichtladung R1 zu der Verbrennungszone mit homogener magerer
Ladung R2 bei gleichzeitigem Anstieg der Motordrehzahl wie in 4 übergeht, funktioniert die Steuereinheit 31 wie folgt:
Das Verwirbelungs-Steuerventil 23 wird so gesteuert, dass
es seinen geringsten Öffnungs grad
annimmt (bei dem sich das Ventil 23 in einem weitgehend
vollständig
geschlossenen Zustand befindet), wodurch die Verwirbelungsstärke zunimmt.
Wenn daraufhin nach einem weiteren Anstieg der Motordrehzahl der
Motorbetrieb zu der Verbrennungszone mit homogener stöchiometrischer
Ladung wechselt (einschließlich
der Verbrennungszone mit homogener Ladung bei hoher Leistungsabgabe),
sorgt die Steuereinheit 31 dafür, dass das Verwirbelungs-Steuerventil 23 in
seinen vollständig
geöffneten
Zustand versetzt wird, wodurch die Verwirbelung im Zylinder aufgehoben
wird.
-
Nun wird die Funktion des Motors
E nach der oben Ausführungsform
erörtert.
-
Erfolgt der Motorbetrieb entlang
einer Linie a in 4,
hat der Öffnungsgrad
des Verwirbelungs-Steuerventils 23 eine Kennlinie wie in 10, wobei die Motordrehzahl
und der Öffnungsgrad
des Verwirbelungs-Steuerventils 23 zueinander ins Verhältnis gesetzt
wurden. Diese Kennlinie verdeutlicht, dass der Öffnungsgrad des Verwirbelungs-Steuerventils 23 im
niedrigen Motordrehzahlbereich geringer ist und mit zunehmender
Motordrehzahl größer wird.
-
Wenn demgegenüber der Motorbetrieb entlang
einer Linie b1 aus 4 abläuft, ändert sich
die Motordrehzahl nicht, weshalb das Verwirbelungs-Steuerventil 23 in
der Verbrennungszone mit Schichtladung in einem weitgehend vollständig geschlossenen
Zustand wie in 11 verbleibt.
Geht der Motorbetrieb entlang einer Linie b2 aus 4 weiter, wird der Öffnungsgrad des Verwirbelungs-Steuerventils 23 auch
dann auf einem vorgegeben Wert wie in 12 gehalten,
wenn die Motordrehzahl konstant ist.
-
Somit wird der Öffnungsgrad des Verwirbelungs-Steuerventils 23 bei
dem Motor nach der obigen Ausführungsform
in der Verbrennungszone mit Schichtladung entsprechend der Motordrehzahl
gesteuert, die sich nicht abrupt ändern kann, und nicht entsprechend
der Motorlast, die abrupte Änderungen aufweisen
kann. Dadurch kann auch dann verhindert werden, dass sich die Verbrennungsbedingungen
im Zylinder abrupt ändern,
wenn wiederholt eine abrupte Beschleunigung und Verlangsamung in
der Verbrennungszone mit Schichtladung stattfindet, wodurch die
Beeinträchtigung
der Fahreigenschaften des Motors auf ein geringes Niveau abgesenkt
wird.
-
Zudem nimmt die Verwirbelungsstärke in der Verbrennungszone
mit Schichtladung in dem niedrigen Motordrehzahlbereich zu und mit
größer werdender
Motordrehzahl ab. Demzufolge kann die Verbrennung in der Verbrennungszone
mit Schichtladung jederzeit stabil ablaufen, und es lassen sich
bei stabiler Verbrennung gute Fahreigenschaften des Motors selbst
bei abrupter Beschleunigung und Verlangsamung in der Verbrennungszone
mit Schichtladung aufrechterhalten.
-
Wenn der Motorbetrieb bei konstanter
Motorlast von der Verbrennungszone mit Schichtladung über die
Verbrennungszone mit homogener magerer Ladung bis hin zur Verbrennungszone
mit homogener stöchiometrischer
Ladung (einschließlich
der Verbrennungszone mit homogener Ladung bei hoher Leistungsabgabe) übergeht,
wird das Verwirbelungs-Steuerventil 23 in der Verbrennungszone
mit homogener magerer Ladung allgemein vollständig geschlossen und in der
Verbrennungszone mit homogener stöchiometrischer Ladung (einschließlich der
Verbrennungszone mit homogener Ladung bei hoher Leistungsabgabe)
wie in 10 allgemein vollständig geöffnet.
-
Wie oben erörtert, erfolgt der Wechsel
der Verwirbelungsstärke
im Zylinder in den einzelnen Verbrennungszonen, die sehr unterschiedliche
Verbrennungsbedingungen aufweisen, erfindungsgemäß entsprechend der Motordrehzahl,
wenn der Motorbetrieb bei gleichzeitiger Änderung der Motordrehzahl zwischen
den einzelnen Verbrennungszonen wechselt. Dadurch lässt sich
verhindern, dass sich die Verbrennungsbedingungen im Zylinder abrupt ändern, und
zwar auch dann, wenn bei Änderung
der Motordrehzahl die Verbrennungszonen mit den jeweiligen Verbrennungsbedingungen
wechseln.
-
13, 14 und 15 zeigen eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Motors,
der dem Motor der obigen Ausführungsform ähnlich ist. Es
liegt auf der Hand, dass die 13, 14 und 15 den 5, 9 und 10 für
die obige Ausführungsform
entsprechen. Diese Ausführungsform
ist so aufgebaut, dass die Verwirbelungsstärke im Zylinder zweistufig verändert wird,
wobei die Verwirbelungsstärke
in eine erste Stufe für
einen niedrigen Motordrehzahlbereich und in eine zweite Stufe für die anderen
Motordrehzahlbereiche unterteilt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Antriebsweise für
die Betätigungseinrichtung 24 vereinfacht,
wodurch es möglich
wird, die Betätigungseinrichtung 24 ohne
Verwendung eines präzisen
Schrittmotors genau anzusteuern, so dass sich ein kostengünstiges
Steuersystem für
den Motor realisieren lässt.