-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung eine Kraftmaschine eines Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Einlassluft hierfür.
-
Hintergrund der Erfindung
-
In
den letzten Jahren haben Kraftmaschinen des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
(homogene Kompressionszündung (homogeneous charge compression
ignition bzw. HCCI)) Aufmerksamkeit erregt, die mit einer hohen
Effizienz arbeiten und geringe Mengen von NOx ausstoßen.
Da eine Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung (HCCI-Verbrennung)
einen Betrieb mit einem magereren Gemisch als eine Funkenzündungsverbrennung (SI-Verbrennung)
ermöglicht, weist sie den Vorteil einer erhöhten
Wärmeeffizienz und einer verringerten maximalen Verbrennungstemperatur
auf. Die Steuerung eines Zündzeitpunkts ist jedoch schwierig,
wobei trotz der Verwendung einer Zündzeitsteuerung, die
eine interne AGR (Abgasrückführung bzw. EGR) usw.
verwendet, der Betriebsbereich, der eine stabile Verbrennung sicherstellt,
weiterhin begrenzt ist. Folglich ist eine Kraftmaschine vorgeschlagen
worden, die zwischen einer HCCI-Verbrennung und einer SI-Verbrennung
entsprechend einem zugehörigen Betriebsbereich umschaltet.
Ein Beispiel einer derartigen Kraftmaschine ist in der Patentdruckschrift
1 offenbart. Verschiedene Bedingungen einer HCCI-Verbrennung und
einer SI-Verbrennung unterscheiden sich, wie beispielsweise die
Menge von AGR-Gas sowie die des Gemisches, die in der Verbrennungskammer
erforderlich ist. Beispielsweise muss, wenn von der SI-Verbrennung
zu der HCCI-Verbrennung umgeschaltet wird, die Menge von Gas in
der Verbrennungskammer, das aus dem Gemisch und dem AGR-Gas zusammengesetzt
ist (nachstehend als „im Zylinder befindliches Gas" bezeichnet),
vergrößert werden. Demgegenüber reicht
der Betriebsbereich, der eine stabile Ausführung der HCCI-Verbrennung ermöglicht,
von einer Zwischenumdrehungs-Zwischenlast-Seite zu einer Niedrigumdrehungs-Niedriglast-Seite.
Dementsprechend neigt das Drosselventil in dem Einlassdurchgang
zu der Zeit eines Umschaltens der Verbrennung dazu, sich zu schließen, wobei
der Druck in einem Raum von einem Bereich stromabwärts
von dem Drosselventil zu einer Einlassöffnung, die dicht
bei jeder Verbrennungskammer angeordnet ist, negativ ist. Folglich
ist, auch wenn das Drosselventil so gesteuert wird, dass es bei
einem Umschalten der Verbrennungstypen vollständig offen
ist, die Menge des Gemisches, die der Verbrennungskammer zugeführt
wird, unzureichend, was eine Drehmomentabstufung in der Form eines
Abfalls des Drehmoments verursacht.
-
Zur
Lösung dieser Schwierigkeit schlägt die Patentdruckschrift
1 vor, dass bei einem Umschalten von der SI-Verbrennung zu der HCCI-Verbrennung
in einer Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
mit einem Auflader ein Umschalten zu der HCCI-Verbrennung nur ausgeführt
wird, nachdem die Bedingungen zur Ausführung einer HCCI-Verbrennung
erfüllt sind, indem der Druck und die Temperatur in der
Verbrennungskammer unter Verwendung des Aufladers erhöht
werden.
- Patentdruckschrift 1: JP2004-176688 A
-
Offenbarung der Erfindung
-
Durch die Erfindung zu lösende
Aufgabe
-
Da
jedoch ein Auflader ein unverzichtbares Bauteil der in der Patentdruckschrift
1 offenbarten Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
ist, ist dieser Vorschlag nicht bei einer Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
ohne einen Auflader anwendbar. Somit weist die Patentdruckschrift
1 eine Schwierigkeit bezüglich ihres Unvermögens
auf, eine Lösung bezüglich eines Übermaßes
oder eines Fehlens in der Menge eines Einlassgemisches zu bieten,
das bei einem Umschalten zwischen einer SI-Verbrennung und einer
HCCI-Verbrennung verursacht wird.
-
Die
vorliegende Erfindung ist gemacht worden um die vorstehend genannte
Schwierigkeit zu beheben, wobei es folglich eine Aufgabe ist, eine Kraftmaschine
eines Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps sowie ein Verfahren
zur Steuerung einer Einlassluft hierfür bereitzustellen,
so dass es möglich ist, das Übermaß oder
das Fehlen in der Menge des Einlassgemisches, das bei einem Umschalten
zwischen einer Funkenzündungsverbrennung und einer Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung
verursacht wird, unabhängig von dem Vorhandensein oder
Fehlen eines Aufladers zu bewältigen.
-
Mittel zur Lösung
der Aufgaben
-
Eine
Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps,
die in der Lage ist, zwischen einer Funkenzündungsverbrennung
und einer Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung umzuschalten,
umfasst:
einen Einlasskanal, der mit jeder Verbrennungskammer
in Verbindung steht,
eine Strömungsgeschwindigkeitseinstelleinrichtung, die
in dem Einlassdurchgang bereitgestellt ist, zur Steuerung einer
Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder eines Gemisches,
die/das durch den Einlassdurchgang strömt,
einen Umgehungskanal,
der die Strömungsrateneinstelleinrichtung umgeht, wobei
der Umgehungskanal ein erstes Ende, das mit dem Einlasskanal stromaufwärts
von der Strömungsgeschwindigkeitseinstelleinrichtung verbunden
ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem Einlasskanal stromabwärts
von der Strömungsgeschwindigkeitseinstelleinrichtung verbunden
ist,
eine Umgehungssteuerungseinrichtung, die den Umgehungskanal öffnet
oder absperrt, und
eine Steuerungsvorrichtung, die die Umgehungssteuerungseinrichtung
bei einem Umschalten zwischen der Funkenzündungsverbrennung
und der Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung betätigt,
um den Umgehungskanal zu öffnen oder abzusperren.
-
Ein
Verfahren zur Steuerung einer Einlassluft einer Kraftmaschine eines
Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps, die in der Lage ist,
zwischen einer Funkenzündungsverbrennung und einer Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung
umzuschalten, wobei die Kraftmaschine ein Drosselventil, das in
einem Einlasskanal bereitgestellt ist, einen Umgehungskanal, der
das Drosselventil umgeht, und ein Absperrventil umfasst, das in
dem Umgehungskanal bereitgestellt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass
das
Drosselventil vollständig geöffnet wird und das Absperrventil
geöffnet wird, wenn von der Funkenzündungsverbrennung
zu einer Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung umgeschaltet
wird.
-
Wirkung der Erfindung
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann, indem ein Einlasskanal, der mit jeder
Verbrennungskammer in Verbindung steht, eine Strömungsgeschwindigkeitseinstelleinrichtung
zur Steuerung einer Strömungsgeschwindigkeit von Luft oder
eines Gemisches, die/das durch den Einlasskanal strömt,
ein Umgehungskanal, der die Strömungsgeschwindigkeitseinstelleinrichtung
umgeht, eine Umgehungssteuerungseinrichtung, die den Umgehungskanal öffnet
oder absperrt, und eine Steuerungsvorrichtung, die die Umgehungssteuerungseinrichtung
betätigt, bereitgestellt werden, da verhindert werden kann,
dass die Menge des in die Verbrennungskammer gesaugten Gemisches
unzureichend wird, wenn von der Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung
zu der Funkenzündungsverbrennung umgeschaltet wird, und
verhindert werden kann, dass die Menge des in die Verbrennungskammer gesaugten
Gemisches übermäßig wird, ein Übermaß oder
ein Fehlen in der Menge des Einlassgemisches, das bei einem Umschalten zwischen
der Funkenzündungsverbrennung und der Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung
verursacht wird, unabhängig von dem Vorhandensein oder
Fehlen eines Aufladers bewältigt werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt
ein Diagramm, das den Aufbau einer Kraftmaschine eines Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
2 zeigt
eine Draufsicht, die den Aufbau der Einlassseite der Kraftmaschine
des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps gemäß dem
Ausführungsbeispiel ausführlich zeigt;
-
3 zeigt
eine Abbildung, die die Beziehung zwischen einem Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennungsbereich
und einem Funkenzündungsverbrennungsbereich zeigt;
-
4 zeigt
ein Flussdiagramm zur Beschreibung der Prozedur eines Umschaltens
von der Funkenzündungsverbrennung zu der Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung
in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel;
-
5 zeigt
ein Diagramm, das den Öffnungs-/Schließbetrieb
eines elektromagnetischen Absperrventils, den Öffnungs-/Schließbetrieb
eines Drosselventils und den Zustand, bei dem eine interne AGR ausgeführt
oder gestoppt wird, im zeitlichen Verlauf bei einem Umschalten von
der Funkenzündungsverbrennung zu der Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung
in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiels zeigt;
-
6 zeigt
ein Flussdiagramm zur Beschreibung der Prozedur eines Umschaltens
von der Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennung zu der Funkenzündungsverbrennung
in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel; und
-
7 zeigt
ein Diagramm, das den Öffnungs-/Schließbetrieb
eines elektromagnetischen Absperrventils, den Öffnungs-/Schließbetrieb
eines Drosselventils und den Zustand, bei dem eine interne AGR ausgeführt
oder gestoppt wird, im zeitlichen Verlauf bei einem Umschalten von
der Vorgemisch-Verdichtungszündungstypverbrennung zu der Funkenzündungsverbrennung
in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigt.
-
Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
-
Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
-
Eine
Reihenvierzylinder-Gaskraftmaschine für eine Gaswärmepumpe
(nachstehend als GHP bezeichnet) ist als ein Beispiel der Kraftmaschine
des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps gemäß diesem
Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie es in 1 gezeigt
ist, umfasst die Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel: vier
Zylinder 1 (in 1 ist lediglich ein Zylinder
gezeigt); einen Kolben 2, der in dem Zylinder 1 vertikal
bewegbar ist; eine Verbrennungskammer 3, die über
dem Kolben 2 in dem Zylinder 1 ausgebildet ist
und die durch den Zylinder 1, den Kolben 2 und
einen Zylinderkopf 1a definiert ist; eine Einlassöffnung 4 und
eine Auslassöffnung 5, die in dem Zylinderkopf 1a ausgebildet
sind und mit der Verbrennungskammer 3 verbunden sind; ein
Einlassventil 6 und ein Auslassventil 7, die jeweils
die Einlassöffnung 4 und die Auslassöffnung 5 mit
der Verbrennungskammer 3 in Verbindung bringen oder von
der Verbrennungskammer 3 trennen; und eine Zündkerze 21,
die so angeordnet ist, dass sie in die Verbrennungskammer 3 von
einem oberen Abschnitt des Zylinderkopfes 1a eindringt.
(Nicht gezeigte) Nockenwellen zur Ansteuerung des Einlassventils 6 und
des Auslassventils 7 sind jeweils in bekannten variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 bereitgestellt. Ein
Einlasskanal 10, der die Einlassöffnung 4 umfasst,
ist mit der Verbrennungskammer 3 in Verbindung. Die stromaufwärts
liegende Seite des Einlasskanals 10 ist mit einem Mischer 11,
der ein Gemisch durch Mischen von Luft, die durch den Einlasskanal 10 strömt,
und Erdgas erzeugt, das einen Kraftstoff darstellt und das durch
einen Kraftstoffkanal 15 strömt, und einem Drosselventil 12 versehen,
das eine Strömungsgeschwindigkeitseinstelleinrichtung zur
Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches
ist, das durch den Einlasskanal 10 strömt. Der
Kraftstoffkanal 15, der mit dem Mischer 11 in
Verbindung steht, ist mit einem Kraftstoffströmungsgeschwindigkeitssteuerungsventil 22 versehen.
Das Kraftstoffströmungsgeschwindigkeitssteuerungsventil 22 steuert
die Strömungsgeschwindigkeit von Stadt- oder Gemeindegas,
das einen gasförmigen Kraftstoff darstellt, und arbeit
mit einem Drosselventil 12 zusammen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Gemisches zu steuern. Ein Einlassverteiler 14, der
einen Zwischenbehälter 13 umfasst, ist stromabwärts
von dem Drosselventil 12 bereitgestellt. Nachdem das Gemisch
in den Zwischenbehälter 13 geströmt ist,
wird das Gemisch durch ein jeweiliges von Verzweigungsrohren 14a bis 14d der
Einlassöffnung 4 zugeführt (siehe 2). Des
Weiteren ist der Einlasskanal 10 mit einem Bypasskanal
bzw. Umgehungskanal 16 versehen, der das Drosselventil 12 umgeht,
wobei der Umgehungskanal 16 mit einem schnell reagierenden
elektromagnetischen Absperrventil 17 versehen ist, das
eine Umgehungssteuerungseinrichtung ist. Zusätzlich ist die
Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ebenso mit einer ECU 20 versehen,
die eine Steuerungsvorrichtung ist. Die variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9,
das Drosselventil 12, das elektromagnetische Absperrventil 17,
die Zündkerze 21 und das Kraftstoffströmungsgeschwindigkeitssteuerungsventil 22 sind
elektrisch mit der ECU 20 verbunden.
-
In 2 ist
der Aufbau der Einlassseite der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß dem Ausführungsbeispiel ausführlich
gezeigt. Die Verbrennungskammer 3 besteht aus vier Verbrennungskammern 3a, 3b, 3c und 3d,
die sich in einem jeweiligen der vier Zylinder befinden, und die
Einlassöffnung 4 besteht aus Einlassöffnungen 4a, 4b, 4c und 4d,
die jeweils mit den Verbrennungskammern 3a bis 3d verbunden
sind. Des Weiteren besteht der Einlassverteiler 14 aus
dem Zwischenbehälter 13 und den Verzweigungsrohren 14a, 14b, 14c und 14d,
die jeweils mit dem Zwischenbehälter 13 bei einem
Ende und den Einlassöffnungen 4a bis 4d bei
dem anderen Ende verbunden sind. Ein erstes Ende 18, das
ein Ende des Umgehungskanals 16 ist, ist mit dem Einlasskanal 10 zwischen
dem Mischer 11 und dem Drosselventil 12 verbunden.
Das andere Ende des Umgehungskanals 16 besteht aus vier
zweiten Enden 19a, 19b, 19c und 19d,
in die das andere Ende verzweigt, wobei die zweiten Enden 19a bis 19d jeweils
mit den Einlassöffnungen 4a bis 4d verbunden
sind. In dem Umgehungskanal 16 ist das elektromagnetische
Absperrventil 17 in einer Position bereitgestellt, die
näher an den zweiten Enden 19a bis 19d als
an dem ersten Ende 18 ist.
-
Als
nächstes ist der Betrieb der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.
-
Wenn
die Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel gestartet
wird, werden die Luft, die durch den Einlassdurchgang 10 strömt,
und das Erdgas, das durch den Kraftstoffkanal 15 strömt,
in dem Mischer miteinander vermischt, um das Gemisch zu werden,
wie es in 2 gezeigt ist. Nachdem die Strömungsgeschwindigkeit
des Gemisches durch das Drosselventil 12 eingestellt ist,
strömt das Gemisch durch den Einlasskanal 10 und
in den Zwischenbehälter 13 des Einlassverteilers 14.
Das Gemisch, das in den Zwischenbehälter 13 geströmt
ist, wird zwischen den Verzweigungsrohren 14a bis 14d aufgeteilt
und in die Verbrennungskammern 3a bis 3d durch
die Einlassöffnungen 4a bis 4d gesaugt,
wenn das Einlassventil 6 geöffnet wird. Das Gemisch
in der Verbrennungskammer 3 wird durch den Kolben 2 verdichtet
und zu einer geeigneten Zeit durch die Zündkerze 21 gezündet,
um zu verbrennen. Abgas, das nach der Verbrennung erzeugt wird,
wird zu der Auslassöffnung 5 ausgestoßen,
wenn das Auslassventil 7 geöffnet wird.
-
Im
Allgemeinen wird eine wie vorstehend beschriebene Funkenzündungsverbrennung
(SI-Verbrennung) ausgeführt, wenn die Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gestartet wird. In der Vorgemisch- Verdichtungszündungsverbrennung
(HCCI-Verbrennung) gemäß diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Zündungszeitsteuerung ausgeführt, indem
die Temperatur des Gases in der Verbrennungskammer 3 gesteuert
wird, während ebenso eine nachstehend beschriebene interne
AGR verwendet wird. Somit befindet sich, da die Temperatur der Kraftmaschine
die Zündungssteuerung in großem Umfang beeinflusst,
bis der Aufwärmvorgang abgeschlossen ist, und die Temperatur
der Kraftmaschine stabilisiert ist, die Kraftmaschine in einer Betriebsbedingung,
die es im Wesentlichen schwierig macht, eine HCCI-Verbrennung auszuführen.
Eine in 3 gezeigte Abbildung, die die
Beziehung zwischen einem SI-Verbrennungsbereich und einem Vorgemisch-Verdichtungszündungsverbrennungsbereich
(HCCI-Verbrennungsbereich) darstellt, ist in die ECU 20 eingefügt.
Wenn die Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gestartet wird, befindet sich die Kraftmaschine üblicherweise
nicht unter der Bedingung des HCCI-Verbrennungsbereichs. Anders
ausgedrückt bestimmt, da der Betriebszustand, der durch
eine Kraftmaschinendrehgeschwindigkeit und ein Kraftmaschinendrehmoment ausgedrückt
wird, für die HCCI-Verbrennung nicht geeignet ist, die
ECU 20, dass sich die Kraftmaschine unter den Bedingungen
für eine SI-Verbrennung befindet, wobei sie die Zündkerze 21 betätigt.
Danach empfängt die ECU 20 Signale, die die Drehgeschwindigkeit
der Gaskraftmaschine, das Solldrehmoment usw. anzeigen. Wenn die
ECU 20 bestimmt, dass sich die Kraftmaschine unter den
Bedingungen für eine HCCI-Verbrennung befindet, stoppt
die ECU 20 den Betrieb der Zündkerze 21,
um einen HCCI-Verbrennungsbetrieb auszuführen. In der Abbildung
gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die
in 3 gezeigt ist, ist zur Vereinfachung der Steuerung
ein Übergangsbereich zwischen dem HCCI-Verbrennungsbereich
und dem SI-Verbrennungsbereich bereitgestellt. Der Übergangsbereich ist
so bereitgestellt, dass er die Außengrenze des HCCI-Verbrennungsbereichs
in einem Bereich umgibt, in dem eine HCCI-Verbrennung ausgeführt
werden kann (möglicher HCCI-Verbrennungsbereich). Der Grund
zur Bereitstellung des Übergangsbereichs ist nachstehend beschrieben.
Der mögliche HCCI-Verbrennungsbereich, in dem eine geeignete
Verbrennung und eine geeignete Steuerung ausgeführt werden
können, ohne irgendwelche Schwierigkeiten, wie beispielsweise
eine vorzeitige Zündung oder ein Klopfen, zu verursachen,
auch wenn eine HCCI-Verbrennung ausgeführt wird, ist in
dem Bereich bereitgestellt, in dem eine HCCI-Verbrennung ausgeführt
werden kann. Aus diesem Grund unterscheidet sich der Bereich, in
dem die HCCI-Verbrennung ausgeführt werden kann, in Abhängigkeit
eines jeweiligen Satzes von Bedingungen, die für die Gaskraftmaschine
für die Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
erforderlich sind, wie beispielsweise die Art des Kraftstoffes und
die Eigenschaften der variablen Ventilsteuerungsmechanismen. Die
in 3 gezeigte Abbildung ist nicht mehr als ein Beispiel
gemäß diesem Ausführungsbeispiel.
-
Als
nächstes ist die Prozedur zum Umschalten von der SI-Verbrennung
zu der HCCI-Verbrennung in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf
der Grundlage des Flussdiagramms in 4 beschrieben.
-
In
dem Fall, bei dem eine SI-Verbrennung in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
ausgeführt wird, bestimmt die ECU 20 auf der Grundlage
des Betriebsbereichs der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps und
der zugehörigen Betriebsbedingung periodisch, ob eine HCCI-Verbrennung
ausgeführt werden kann oder nicht. Wenn eine HCCI- Verbrennung
ausgeführt werden kann, schaltet der Betrieb zu einer HCCI-Verbrennung.
Wenn dieser Vorgang gestartet wird, wird zuerst bestimmt, ob die
Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps aufgewärmt
worden ist, um eine HCCI-Verbrennung zu gestatten oder nicht (Schritt
S1). Genauer gesagt wird eine (nicht gezeigte) Erfassungseinrichtung
verwendet, um die Kühlmitteltemperatur und die Öltemperatur der
Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps zu
erfassen. Wenn entweder die Kühlmitteltemperatur oder die Öltemperatur
niedriger als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wird bestimmt, dass
der derzeitige Zustand der Kraftmaschine für eine HCCI-Verbrennung
nicht geeignet ist, wobei der vorstehend genannte Vorgang beendet
wird. Demgegenüber wird, wenn sowohl die Kühlmitteltemperatur als
auch die Öltemperatur der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
höher als der Schwellenwert sind, eine Bestimmung bezüglich des
Betriebsbereichs ausgeführt, um zu bestimmen, ob eine HCCI-Verbrennung
ausgeführt werden kann oder nicht. Genauer gesagt bestimmt
die ECU 20, ob der Betriebszustand innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
liegt oder nicht (Schritt S2), auf der Grundlage der in 3 gezeigten
Abbildung. Wenn bestimmt wird, dass der Betriebszustand nicht innerhalb
des HCCI-Verbrennungsbereichs liegt, wird der vorliegende Vorgang
beendet. Demgegenüber öffnet, wenn bestimmt wird,
dass der Betriebszustand innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs
liegt, die ECU 20 das elektromagnetische Absperrventil 17, um
den Umgehungskanal 16 zu öffnen (Schritt S3). Da
das elektromagnetische Absperrventil 17 ein schnell reagierendes
Elektromagnetventil ist, öffnet es sich unmittelbar nach
einem Empfang eines Signals von der ECU 20. Zur gleichen
Zeit öffnet die ECU 20 das Drosselventil 12 vollständig
(Schritt S4). Da jedoch der Öffnungs-/Schließbetrieb
eines Drosselventils 12 langsamer als der des elektromagnetischen
Absperrventils 17 aufgrund des Unterschieds zwischen ihren
Konstruktionen ist, sieht es danach aus, dass der Öffnungsgrad
des Drosselventils 12 allmählich zunimmt, nachdem
das elektromagnetische Absperrventil 17 geöffnet
ist. Die ECU 20 ändert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Gemisches auf die magere Seite, indem der Öffnungsgrad
des Kraftstoffströmungsgeschwindigkeitssteuerungsventils 22 gleichzeitig
mit einem Öffnen des elektromagnetischen Absperrventils 17 verringert
wird (Schritt S5). Diese Steuerung wird ausgeführt, um
zu verhindern, dass eine Drehmomentabstufung erzeugt wird, nachdem
die Tatsache berücksichtigt ist, dass eine HCCI-Verbrennung
eine höhere Wärmeeffizienz als eine SI-Verbrennung
aufweist. Nachdem die Steuerung bezüglich der Menge und
dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches wie vorstehend
beschrieben ausgeführt ist, steuert die ECU 20 die
variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9,
um der Zeit zum Schließen des Auslassventils 7 in
Bezug auf den oberen Totpunkt vorauszueilen und die Zeit zum Öffnen
des Einlassventils 25 in Bezug auf den oberen Totpunkt
zu verzögern, wodurch die Steuerung eines sogenannten negativen Überlappens
ausgeführt wird (Schritt S6). Das heißt, ein Anteil
des Abgases wird in der Verbrennungskammer 3 zurückbehalten
(interne AGR), indem das Auslassventil 7 im Verlauf eines Auslasshubs
geschlossen wird. Die Prozedur zum Umschalten wird wie vorstehend
beschrieben beendet. Es ist anzumerken, dass 5 den Betrieb
eines Öffnens/Schließens des elektromagnetischen
Absperrventils 17, den Betrieb zum Öffnen/Schließen des
Drosselventils 12 und den Zustand, in dem die interne AGR
ausgeführt oder gestoppt wird, im zeitlichen Verlauf zeigt.
-
Da
das in die Verbrennungskammer gesaugte Gemisch mit dem verbrannten
Hochtemperaturgas gemischt wird, das in der Verbrennungskammer durch
die interne AGR verbleibt, steigt die Temperatur des Gases in der
Verbrennungskammer an. Somit findet, da die Temperatur in der Verbrennungskammer 3 in
der Nähe des oberen Verdichtungstotpunkts ebenso ansteigt,
eine Verdichtungsselbstzündung stabil statt.
-
Herkömmlicherweise
kann das Gemisch, das in die Verbrennungskammer 3 gesaugt
wird, unmittelbar nach einem Umschalten zu der HCCI-Verbrennung
unzureichend werden. Indem eine negative Überlappung für
die interne AGR verwirklicht wird, ändert sich die Zeitdauer,
in der das Gemisch in die Verbrennungskammer in einem Einlasshub
gesaugt werden kann, wobei der variable Ventilsteuerungsmechanismus
im Wesentlichen dazu dient, auch die Menge des Gemisches zu steuern,
das in die Verbrennungskammer gelangt. Da die Menge des sich im
Zylinder befindlichen Gases während einer HCCI-Verbrennung
größer sein muss als während einer SI-Verbrennung,
ist das Drosselventil 12 vollständig geöffnet,
um ein übermäßiges Fehlen in dem Gemisch
zu kompensieren. Da jedoch der HCCI-Verbrennungsbereich zwischen
einem Niedrigumdrehungs-Niedriglast-Bereich und einem Zwischenumdrehungs-Zwischenlast-Bereich
liegt und der Öffnungsgrad des Drosselventils vor einem
Umschalten der Verbrennung niedrig ist, ist der Druck stromabwärts
von dem Drosselventil 12 kleiner oder gleich dem atmosphärischen
Druck (ein negativer Druck). Des Weiteren ist die Bedingung, bei
der der Druck in der Einlassöffnung 4 zeitweise
kleiner oder gleich dem atmosphärischen Druck (ein negativer
Druck) ist, nicht bewältigt, und die Menge des in die Verbrennungskammer 3 gesaugten
Gemisches kann unzureichend werden, da der Betrieb zum Öffnen/Schließen
des Drosselventils 12 aufgrund der Eigenschaften einer Betätigungseinrichtung
langsam ist. Da jedoch das Gemisch durch den Umgehungskanal 16 und
in die Einlassöffnung strömt, ohne durch das Drosselventil 12 eine
Verringerung des Drucks zu erfahren, wird der Zustand des negativen
Drucks in der Einlassöffnung 4 schnell bewältigt,
und es wird verhindert, dass die Menge des in die Verbrennungskammer 3 gesaugten
Gemisches unzureichend wird. Somit wird eine Verringerung des Drehmoments
verhindert.
-
Nach
einem Umschalten von einer SI-Verbrennung zu einer HCCI-Verbrennung
gemäß der vorstehend genannten Prozedur schließt,
wenn eine HCCI-Verbrennung fortgesetzt wird und anschließend
stabilisiert wird, die ECU 20 das elektromagnetische Absperrventil 17,
wenn es erforderlich ist. Danach wird, wenn die Betriebsbedingung
innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs liegt, die HCCI-Verbrennung
fortgesetzt. Wenn der Betriebszustand innerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs schwankt,
kann die HCCI-Verbrennung stabil fortgesetzt werden, indem die variablen
Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9 gesteuert
werden, die Menge der internen AGR zu ändern, oder indem
der Öffnungsgrad des Kraftstoffströmungsgeschwindigkeitssteuerungsventils 22 eingestellt
wird. Wenn die Betriebsbedingung sich zu dem SI-Verbrennungsbereich
verschiebt, schaltet die ECU 20 auf eine SI-Verbrennung
um, um die Zündkerze bei dem oberen Verdichtungstotpunkt
zu betätigen, oder bei einer geeigneten Zeit vor oder nach
dem oberen Verdichtungstotpunkt. Genauer gesagt wird, wenn sich
der Betriebszustand von innerhalb des Übergangsbereichs zu
dem Übergangsbereich innerhalb des möglichen HCCI-Verbrennungsbereichs
verschiebt, ein Umschalten zu der SI-Verbrennung ausgeführt.
Wenn das Umschalten ausgeführt wird, nachdem sich der Betriebszustand
nach außerhalb des möglichen HCCI-Verbrennungsbereichs
verschoben hat, kann die Steuerungsleistung zu spät sein,
um Schwierigkeiten zu verhindern, wie beispielsweise ein Kraftmaschinenabwürgen
usw. Um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden, ist der Übergangsbereich
außerhalb des HCCI-Verbrennungsbereichs innerhalb des möglichen
HCCI-Verbrennungsbereichs bereitgestellt. Somit wird die Breite
des Übergangsbereichs derart bestimmt, dass der Betriebszustand
der Gaskraftmaschine für die GHP sich von dem HCCI-Verbrennungsbereich
zu dem SI-Verbrennungsbereich verschiebt, ohne dass erfasst wird,
dass er sich in dem Übergangsbereich befindet.
-
Als
nächstes ist die Prozedur zum Umschalten von einer HCCI-Verbrennung
zu einer SI-Verbrennung in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
gemäß diesem Ausführungsbeispiels auf
der Grundlage des Flussdiagramms in 6 beschrieben.
-
In
dem Fall, dass eine HCCI-Verbrennung in der Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
ausgeführt wird, bestimmt die ECU 20 auf der Grundlage
des Betriebsbereichs und der Betriebsbedingung periodisch, ob ein
Verschieben zu der SI-Verbrennung ausgeführt werden sollte
oder nicht. Wenn ein Verschieben zu der SI-Verbrennung auf der Grundlage
der Verschiebung des Betriebszustands zu dem Übergangsbereich
wahrscheinlich stattfindet, wird ein Umschalten zu der SI-Verbrennung
ausgeführt. Wenn dieser Vorgang gestartet wird, wird auf
der Grundlage der in 3 gezeigten Abbildung bestimmt,
ob die Betriebsbedingung innerhalb des Übergangsbereichs
liegt oder nicht (Schritt S11). Wenn bestimmt wird, dass die Betriebsbedingung
nicht innerhalb des Übergangsbereichs liegt, wird die HCCI-Verbrennung
fortgesetzt und der vorstehend genannte Vorgang wird beendet. Demgegenüber
verringert, wenn bestimmt wird, dass die Betriebsbedingung innerhalb
des Übergangsbereichs liegt, die ECU 20 den Öffnungsgrad
des Drosselventils 12 auf einen Öffnungsgrad,
der für die Menge des Gemisches zu der Zeit einer SI-Verbrennung
geeignet ist. Das heißt, die ECU 20 etabliert
einen Zustand, bei dem das Drosselventil 12 die Strömungsgeschwindigkeit
des Gemisches auf eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit
im Voraus einstellt (Schritt S12). Die ECU 20 agiert ebenso
als eine Steuerung zur Vergrößerung des Öffnungsgrades des
Kraftstoffströmungsgeschwindigkeitssteuerungsventils 22,
wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die fette Seite
geändert wird, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
für eine SI-Verbrennung geeignet wird (Schritt S13). Nachdem
der Betrieb zur Verringerung des Öffnungsgrades des Drosselventils 12 und
die Änderung in dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
beendet sind, schließt die ECU 20 das elektromagnetische
Absperrventil 17, um den Umgehungskanal 16 abzusperren
(Schritt S14). Zu diesem Zeitpunkt, d. h. wenn sich das elektromagnetische
Absperrventil 17 schließt, bleibt es weiterhin
geschlossen. Nachfolgend steuert die ECU 20 die variablen Ventilsteuerungsmechanismen 8 und 9,
um den Zustand der negativen Überlappung aufzuheben. Anders
ausgedrückt stoppt die ECU 20 die interne AGR und ändert
die Zeitsteuerung der Öffnungs-/Schließventile
und den Zylinderventilhub auf solche für eine SI-Verbrennung
(Schritt S15). Die Prozedur zum Umschalten wird wie vorstehend beschrieben
beendet. In 7 sind im zeitlichen Verlauf
der Betrieb zum Öffnen/Schließen des elektromagnetischen
Absperrventils 17, der Betrieb zum Öffnen/Schließen
des Drosselventils 12 und der Zustand gezeigt, bei dem die
interne AGR ausgeführt oder gestoppt wird.
-
Wenn
zu der SI-Verbrennung mit dem vollständigen Öffnen
des Drosselventils 12 umgeschaltet wird, wird, da die Differenz zwischen
den Drücken in der Einlassöffnung 14 und
der Verbrennungskammer 13 aufgrund des Stopps der internen
AGR zunimmt, das Gemisch, dessen Menge größer
oder gleich der Menge ist, die bei der SI-Verbrennung erforderlich
ist, in die Verbrennungskammer 3 zeitweise gesaugt. Als Ergebnis
kann eine Drehmomentabstufung verursacht werden, um das Drehmoment
zu vergrößern. Da jedoch das elektromagnetische
Absperrventil 17 geschlossen wird, nachdem das Drosselventil 12 auf den
geeigneten Öffnungsgrad eingestellt ist und die interne
AGR gestoppt ist, um zu der SI-Verbrennung umzuschalten, nachdem
der Zustand, der die Menge des Gemisches bei einer SI-Verbrennung
steuert, implementiert ist, wird verhindert, dass die Menge des in
die Verbrennungskammer 3 gesaugten Gemisches zeitweise übermäßig
wird. Als Ergebnis wird ein Anstieg in dem Drehmoment verhindert.
-
Wie
es vorstehend beschrieben ist, strömt, da der Umgehungskanal 16,
der das Drosselventil 12 umgeht, das die Strömungsrate
des Gemisches steuert, und das elektromagnetische Absperrventil,
das in dem Umgehungskanal 16 bereitgestellt ist, bereitgestellt
sind, wobei die ECU 20 das Drosselventil 12 vollständig öffnet
und das elektromagnetische Absperrventil 17 öffnet,
das Gemisch durch den Umgehungskanal 16 und in die Einlassöffnung 14,
ohne dass ein Druck durch das Drosselventil 12 verringert wird,
wobei somit der negative Druck in der Einlassöffnung 14 zeitweise
bewältigt wird und verhindert wird, dass das angesaugte
Gemisch unzureichend wird. Des Weiteren schließt, wenn
von der HCCI-Verbrennung zu der SI-Verbrennung umgeschaltet wird, die
ECU 20 das elektromagnetische Absperrventil 17,
um einen Zustand zu implementieren, der die Menge des Gemisches
bei der SI-Verbrennung steuert, nachdem der Öffnungsgrad
des Drosselventils 12 auf einen geeigneten Grad verringert worden
ist, wobei dann die interne AGR gestoppt wird, um zu der SI-Verbrennung
umzuschalten. Somit kann ein Übermaß der Menge
des angesaugten Gemisches, das zweitweise auftreten kann, verhindert
werden. Das heißt, ein Übermaß oder ein
Fehlen in der Menge des Einlassgemisches, das bei einem Umschalten
zwischen der SI-Verbrennung und der HCCI-Verbrennung verursacht
wird, kann bewältigt werden.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ist der Mischer 11, der ein
Gemisch durch Mischen von Luft und Kraftstoff erzeugt, stromaufwärts
von dem Drosselventil 12 bereitgestellt, wobei das Gemisch
veranlasst wird, durch den Umgehungskanal 16 zu strömen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau begrenzt.
Eine Kraftstoffeinspritzdüse kann stromabwärts
von dem Drosselventil 12 bereitgestellt sein. In diesem
Fall steuert das Drosselventil 12 die Strömungsgeschwindigkeit
von Luft, die durch den Einlasskanal 10 strömt,
wobei Luft, die bezüglich des Drucks durch das Drosselventil 12 nicht
verringert wird, in die Einlassöffnung 4 strömt.
Die Strömungsgeschwindigkeit von Kraftstoff, der aus der Kraftstoffeinspritzdüse
eingespritzt wird, wird auf der Grundlage der Luftströmungsgeschwindigkeit,
die durch eine Einrichtung zur Erfassung der Menge von Luft erfasst
wird, wie beispielsweise ein (nicht gezeigtes) Luftströmungsmessgerät
usw., das in dem Einlasskanal 10 angeordnet ist, so gesteuert,
dass sie das vorbestimmte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird. Eine
Kraftmaschine mit einem derartigen Aufbau kann ebenso die gleiche
Wirkung wie die bereitstellen, die durch das Ausführungsbeispiel
bereitgestellt ist, indem die Strömungsgeschwindigkeit
von Kraftstoff mit der Strömungsgeschwindigkeit von Luft,
die sowohl durch den Einlasskanal 10 als auch den Umgehungskanal 16 strömt,
gesteuert wird.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Absperrventil 17 in
einer Position in dem Umgehungskanal 16 bereitgestellt,
die näher zu den zweiten Enden 19a bis 19d als
zu dem ersten Ende 18 ist. Die Position ist vorzugsweise
so nahe wie möglich bei den Verbrennungskammern 3a bis 3d.
Da das Gemisch direkt vor der Stromaufwärtsseite des elektromagnetischen
Absperrventils 17 in dem Umgehungskanal 16 ankommt,
ohne durch das Drosselventil 12 bezüglich des
Drucks verringert zu werden, kann das Gemisch zu der Nähe
der Verbrennungskammern 3a bis 3d so früh
wie möglich zugeführt werden, nachdem sich das
elektromagnetische Absperrventil 17 geöffnet hat,
ohne durch das Drosselventil 12 bezüglich des
Drucks verringert zu werden, wenn das elektromagnetische Absperrventil 17 so
nahe wie möglich bei den Verbrennungskammern 3a bis 3d bereitgestellt
ist. Dementsprechend können durch dieses Ausführungsbeispiel
bereitgestellte Wirkungen verbessert werden.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel sind die zweiten Enden 19a bis 19d des
Umgehungskanals 16 mit den Einlassöffnungen 4a bis 4d verbunden. Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau begrenzt.
Sie können mit beliebigen anderen Abschnitten verbunden
sein, die stromabwärts von dem Zwischenbehälter 13 liegen.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird Stadt- oder Gemeindegas als Kraftstoff
verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf begrenzt.
Ein beliebiger gasförmiger Kraftstoff, wie beispielsweise
Erdgas, kann verwendet werden.
-
Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kraftmaschine
des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps unter Bezugnahme
auf eine Gaskraftmaschine für eine GHP als ein Beispiel
beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf
begrenzt. Die Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps
kann ebenso eine Dieselkraftmaschine, die leichtes Öl als
einen Kraftstoff verwendet, oder eine Benzinkraftmaschine sein. Die
Kraftmaschine des Vorgemisch-Verdichtungszündungstyps ist
nicht auf die Reihenvierzylinderkraftmaschine begrenzt. Sie kann
ein beliebiger Typ von Kraftmaschine sein.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel öffnet sich das Drosselventil
vollständig und die interne AGR wird bei einer HCCI-Verbrennung
ausgeführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht
auf diesen Aufbau begrenzt. Bei einer HCCI-Verbrennung müssen
aufgrund der Selbstzündung die Temperatur und der Druck
in der Verbrennungskammer höher sein als diejenigen bei
einer SI-Verbrennung in der Nähe des oberen Totpunkts eines
Verdichtungshubs oder direkt vor der Zündung sein. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel werden als Mittel zur Verwirklichung
hiervon lediglich eine Steuerung der vollständigen Öffnung des
Drosselventils und der internen AGR ausgeführt. Wenn beispielsweise
irgendwelche Zündbedingungen, die für eine HCCI-Verbrennung
wie vorstehend beschrieben erforderlich sind, erreicht werden, muss die
vollständige Öffnung des Drosselventils möglicherweise
nicht immer ausgeführt werden, wenn das Drosselventil bei
einem Umschalten von einer SI-Verbrennung zu einer HCCI-Verbrennung
gesteuert wird.
-
Zusammenfassung
-
Ein
Einlasskanal (10), der Einlassöffnungen (4a, 4b, 4c und 4d)
umfasst, die mit Verbrennungskammern (3a, 3b, 3c und 3d)
jeweils verbunden sind, ist mit einem Mischer (11), der
ein Gemisch durch Mischen von Luft und einem Kraftstoff erzeugt,
einem Drosselventil (12), einem Umgehungskanal (16),
der das Drosselventil (12) umgeht, und einem Einlassverteiler
(14) versehen. Das erste Ende (18) des Umgehungskanals
(16) ist mit dem Einlasskanal (10) zwischen dem
Mischer (11) und dem Drosselventil (12) verbunden.
Vier zweite Enden (19a bis 19d) des Umgehungskanals
(16) sind jeweils mit den Einlassöffnungen (4a, 4b, 4c und 4d)
verbunden. Der Umgehungskanal (16) ist mit einem elektromagnetischen Absperrventil
(17) versehen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2004-176688
A [0003]