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HINDERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmaschine und insbesondere
auf eine Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung
(HCCI), die ein Klopfen und Fehlzündungen verhindert und die
einen HCCI-Betrieb
stabil durchführt,
und auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen HCCI-Kraftmaschine.
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Herkömmliche
Kraftmaschinen können
in zwei Bauarten kategorisiert werden, nämlich eine Funkenzündungskraftmaschine
bzw. Ottomotor und eine Dieselkraftmaschine. Die thermische Effizienz des
Ottomotors kann erhöht
werden, indem das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager gemacht wird. Jedoch gibt
es einen Grenzwert für
das Konzentrationsverhältnis,
bei dem sich ein Funke fortpflanzen kann. Somit benötigt eine
Funkenzündungskraftmaschine eine
Einstellung der Luftmenge mit einem Drosselventil. Als ein Ergebnis
ist die thermische Effizienz der Funkenzündungskraftmaschine schlechter
als jene einer Dieselkraftmaschine. Andererseits hat die Dieselkraftmaschine
eine zufriedenstellende thermische Effizienz. Jedoch mischt die
Dieselkraftmaschine Kraftstoff und Luft nicht zufriedenstellend.
Als Ergebnis gibt es eine Neigung, dass NOx infolge einer lokalen
Verbrennung des Kraftstoffs bei hohen Temperaturen erzeugt wird
und ferner gibt es eine Neigung, dass infolge einer lokalen Verfettung
Ruß erzeugt
wird.
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Im
Vergleich zu diesen Kraftmaschinen werden bei der HCCI-Kraftmaschine Luft
und Kraftstoff vorgemischt. Somit ist die Möglichkeit einer lokalen Verbrennung
bei hoher Temperatur oder einer Verfettung gering, und die erzeugte
Menge von NOx und von Ruß ist
gering. Ferner wird in einer Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer
homogenen Ladung die Zündung
durch chemische Veränderungen hervorgerufen.
Somit ist die Abhängigkeit
von dem Konzentrationsverhältnis
geringer als bei einer Funkenzündungskraftmaschine.
Als ein Ergebnis ist die HCCI-Kraftmaschine
in der Lage, das Luft-Kraftstoff-Gemisch beträchtlich mager zu machen, während eine
thermische Effizienz erreicht wird, die beim gleichen Niveau wie
die einer Dieselkraftmaschine liegt. Mit solchen Vorteilen ziehen
die Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung viel
Aufmerksamkeit auf sich. Jedoch würde in einer Kraftmaschine
mit Kompressionszündung
einer homogenen Ladung eine übermäßige Wärme zu einer plötzlichen
Verbrennung führen,
und eine unzureichende Wärme
würde zu
Fehlzündungen
führen.
Somit treten im Vergleich zu anderen Kraftmaschinen Fehlzündungen,
Klopfen und Frühzündungen
mit einer höheren
Wahrscheinlichkeit ein. Dies neigt dazu, den Betriebsbereich der
HCCI-Kraftmaschine einzuengen.
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In
einer HCCI-Kraftmaschine würde
eine drastische Erhöhung
des Konzentrationsverhältnisses
des Gemisches für
die Ausgabeeinstellung eine Kompressionszündung einer homogene Ladung
destabilisieren. Beispielsweise würde eine übermäßige Erhöhung des Konzentrationsverhältnisses
den wirksamen Druck in der Brennkammer allzu sehr erhöhen und
ein Klopfen hervorrufen. Andererseits würde eine übermäßige Verringerung des Konzentrationsverhältnisses
den effektiven Druck in der Brennkammer allzu sehr verringern und
zu einer unvollständigen
Zündung
des Gemisches führen.
Dies verringert die thermische Effizienz. Somit ist es beim Betrieb
einer herkömmlichen
HCCI-Kraftmaschine schwierig, die Ausgabe unter Beibehaltung einer
hohen Effizienz einzustellen. Um dieses Problem zu lösen, schlägt beispielsweise
die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-188488 ein Verfahren
zum Betreiben einer HCCI-Kraftmaschine
vor, das die Ausgabe der Kraftmaschine erhöht. Wenn das Konzentrationsverhältnis des
Gemisches erhöht
wird, während
das Konzentrationsverhältnis
des Gemisches konstant gehalten wird, wird die Temperatur der Frischluft
um einen vorbestimmten Betrag verringert, wann immer ein Beginn
des Klopfens in der Kraftmaschine erfasst wird, um die Kraftmaschinenausgabe zu
erhöhen.
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Die
Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-221075 schlägt eine
HCCI-Kraftmaschine vor, die Folgendes aufweist: eine Konzentrationsverhältniseinstelleinrichtung
zum Einstellen der Menge eines von einer Kraftstoffzuführeinrichtung
zugeführten
Kraftstoffs und zum Einstellen des Konzentrationsverhältnisses
eines vorgemischten Gemischs, eine Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
zum Einstellen der Temperatur der zu der Brennkammer zugeführten Einlassluft
und eine Klopferfassungseinrichtung. Diese HCCI-Kraftmaschine hat zudem eine Ausgabeeinstelleinrichtung
zum Einstellen der Ausgabe durch Anpassen des Konzentrationsverhältnisses
und der Einlasslufttemperatur mit Hilfe der Konzentrationsverhältniseinstelleinrichtung
und der Einlasslufteinstelleinrichtung auf Grundlage des Erfassungsergebnisses
der Klopferfassungseinrichtung.
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Die
vorstehend genannten beiden Beispiele aus dem Stand der Technik
erfassen das Klopfen beim Anpassen der Ausgabe und passen die Temperatur
der Frischluft oder der Einlassluft an, um zu verhindern, dass das
Klopfen kontinuierlich eintritt. Mit anderen Worten können die
beiden Beispiele aus dem Stand der Technik keine Steuerung ausüben, die
das Klopfen verhindert, bevor es eintritt. Dies beeinträchtigt die
Lebensdauer der Kraftmaschine in einer unerwünschenswerten Art und Weise.
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Außerdem kann
sich die Last oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
infolge des einen oder anderen Grunds ändern, wenn der HCCI-Betrieb
unter Bedingungen durchgeführt
wird, die in Übereinstimmung
mit der erforderlichen Last einen stabilen HCCI-Betrieb ermöglichen.
Ein kontinuierlicher HCCI-Betrieb in einem solchen Zustand kann
ein Klopfen oder Fehlzündungen
verursachen. Jedoch berücksichtigen
die beiden Beispiele aus dem Stand der Technik solche Zustände nicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
einer HCCI-Kraftmaschine zu schaffen, das das Auftreten von Klopfen und
von Fehlzündungen
verhindert, wenn die Kraftmaschinenausgabe variiert wird und wenn
sich die Last oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
Folge des einen oder anderen Grunds während dem Betrieb unter vorbestimmten
Bedingungen ändert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine HCCI-Kraftmaschine
zu schaffen, die einen Betrieb mit dem vorstehend genannten Verfahren
ermöglicht.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern
einer Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung,
die eine Brennkammer hat, die einen Kolben aufnimmt, der ein Gemisch
aus Kraftstoff und sauerstoffenthaltendem Gas komprimiert, um das
komprimierte Gemisch zu zünden.
Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird in eine Drehung einer
Ausgabewelle umgewandelt. Eine Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
erwärmt
das eingesogene sauerstoffenthaltende Gas und/oder Gemisch. Das
Verfahren beinhaltet das Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
oder der Kraftmaschinenlast, das Bestimmen, ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder
die Kraftmaschinenlast auf eine solche Art und Weise ändert oder
nicht, dass eine Möglichkeit
des Eintretens eines Klopfens besteht, und zwar unter Verwendung
eines ersten Kennfelds oder einer ersten Beziehungsformel, die mit
Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Kraftmaschinenlast
und die Einlasslufttemperatur einen ersten Bereich definieren, in
dem ein stabiler Betrieb einer Kompressionszündung einer homogenen Ladung
ermöglicht
ist, Steuern der Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung auf Grundlage
des ersten Kennfelds oder der ersten Beziehungsformel, um die Einlasslufttemperatur
abzusenken, wenn eine Möglichkeit
des eintretenden Klopfens besteht, Bestimmen, ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder
die Kraftmaschinenlast auf so eine Art und Weise ändert oder
nicht, dass eine Möglichkeit
einer eintretenden Fehlzündung
besteht, indem das erste Kennfeld oder die erste Beziehungsformel
verwendet wird, und Steuern der Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
auf Grundlage des ersten Kennfelds oder der ersten Beziehungsformel,
um die Einlasslufttemperatur zu erhöhen, wenn eine Möglichkeit
einer eintretenden Fehlzündung
besteht.
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Ein
weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine
Kraftmaschine mit Kompressionszündung
einer homogenen Ladung, die eine Brennkammer hat, die einen Kolben
aufnimmt, der ein Gemisch aus Kraftstoff und sauerstoffenthaltendem
Gas einsaugt und komprimiert, um das komprimierte Gemisch zu zünden. Eine
Erkennungseinheit bestimmt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder
die Kraftmaschinenlast. Eine Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
erhöht
die Temperatur des eingesogenen Sauerstoff enthaltenden Gases und/oder
des Gemischs. Eine Speichervorrichtung speichert ein erstes Kennfeld
oder eine erste Beziehungsformel, die mit Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder
die Kraftmaschinenlast und die Einlasslufttemperatur einen ersten
Bereich definieren, in dem ein stabiler Betrieb einer Kompressionszündung einer
homogenen Ladung ermöglicht
ist. Eine Steuereinheit ist an der Erkennungseinheit, der Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
und der Speichervorrichtung angeschlossen, um die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
so zu steuern, dass die Einlasslufttemperatur verringert wird, wenn
die Einlasslufttemperatur, die dem durch die Erkennungseinheit bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder
der Kraftmaschinenlast entspricht, größer als ein oberer Grenzwert
des ersten Bereichs wird, und um die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
so zu steuern, dass die Einlasslufttemperatur erhöht wird,
wenn die Einlasslufttemperatur geringer als ein unterer Grenzwert
des ersten Bereichs wird.
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Weitere
Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachstehenden Beschreibung unter Berücksichtigung der beiliegenden
Zeichnungen ersichtlich, die mittels Beispiel die Prinzipien der
Erfindung veranschaulichen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung kann zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen am besten
unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsbeispiele
zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden, in
denen:
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1 ein
schematisches Schaubild ist, das eine HCCI-Kraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
Schaubild eines Kennfelds zeigt, das den HCCIbetriebsfähigen Bereich
mit Bezug auf die Drehzahl und die Last der HCCI-Kraftmaschine definiert;
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3 ein
Schaubild eines Kennfelds zeigt, das den HCCIbetriebsfähigen Bereich
mit Bezug auf die Einlasslufttemperatur und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)
definiert;
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4 ein
Schaubild eines Kennfelds zeigt, das den HCCIbetriebsfähigen Bereich
mit Bezug auf die Kühlwassertemperatur
und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
der HCCI-Kraftmaschine definiert, wenn die Einlasslufttemperatur
während
dem HCCI-Betrieb 140°C,
160°C und
180°C beträgt; und
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5 ein
Ablaufdiagramm zeigt, das eine Betriebssteuerung der in 1 gezeigten
HCCI-Kraftmaschine veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nun
wird unter Bezugnahme auf 1 bis 5 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer ortsfesten HCCI-Kraftmaschine 10 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein
schematisches Schaubild, das die HCCI- Kraftmaschine 10 zeigt. 2 ist
ein Schaubild eines Kennfelds, das den HCCI-Betriebsbereich mit
Bezug auf die Drehzahl und die Last der HCCI-Kraftmaschine 10 definiert. 3 ist
ein Schaubild eines Kennfelds, das den HCCI-Betriebsbereich mit Bezug auf die Einlasslufttemperatur und
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
(A/F) definiert. 4 ist ein Schaubild eines Kennfelds,
das den HCCI-Betriebsbereich mit Bezug auf die Kühlmitteltemperatur und das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis der
HCCI-Kraftmaschine 10 zeigt, wenn die Einlasslufttemperatur
während
dem HCCI-Betrieb 140°C,
160°C bzw.
180°C beträgt. 5 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Betriebssteuerung der HCCI-Kraftmaschine 10 veranschaulicht.
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Wie
in 1 gezeigt ist, hat die HCCI-Kraftmaschine 10 einen
Kraftmaschinenkörper 11 und
ein Steuergerät 12,
das die Kraftmaschine 10 elektronisch steuert.
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Der
Kraftmaschinenkörper 11 hat
einen Zylinderblock 13, der eine Vielzahl von Zylindern 13a aufnimmt
(in 1 ist lediglich einer gezeigt), und einen Zylinderkopf 14.
In jedem Zylinder 13a bewegt sich ein Kolben 15 hin
und her. In jedem Zylinder 13a ist zwischen dem Kolben 15 und
dem Zylinderkopf 14 eine Brennkammer 16 definiert.
Der Kolben 15 wird durch die Kraft angetrieben, die durch
Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 16 nach
dem Einlasstakt und dem Verdichtungstakt erzeugt wird, so dass er
sich in dem Zylinderkopf 13a hin- und herbewegt. Das Hin-
und Herbewegen des Kolbens 15 wird über eine Verbindungsstange 16 in eine
Drehung einer Kurbelwelle 18 umgewandelt, die als eine
Ausgabewelle arbeitet, um die Ausgabe des Kraftmaschinenkörpers 11 zu
erzeugen. Der Kraftmaschinenkörper 11 ist
eine viertaktige Brennkraftmaschine.
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Für jeden
Zylinder 13a sind in dem Zylinderkopf 14 ein Einlassventil 20 zum Öffnen und
Schließen
einer Einlassöffnung 19 und
ein Auslassventil 22 zum Öffnen und Schließen einer
Auslassöffnung 21 angeordnet.
Variable Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 variieren
die Öffnungs-
und Schließzeitgebung
des Einlassventils 20 bzw. des Auslassventils 22.
Das Einlassventil 20 und das Auslassventil 22 werden
durch die variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 unabhängig voneinander
geöffnet und
geschlossen. Die variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 sind
beispielsweise durch elektromagnetische Antriebselemente oder durch
hydraulische Stellglieder ausgebildet. Ferner ist an dem Zylinderkopf 14 für jeden
Zylinder 13a eine Zündkerze 42 angeordnet,
die als eine Zündeinrichtung
dient. Die Zündkerze 42 hat
einen Zündabschnitt,
der der entsprechenden Brennkammer 16 ausgesetzt ist.
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Ein
Einlassdurchlass 25, der sich zu den Einlassöffnungen 19 erstreckt
und ein Auslassdurchlass 26, der sich von den Auslassöffnungen 21 erstreckt, sind
an dem Zylinderkopf 14 angeschlossen. In dem Einlassdurchlass 25 ist
eine Kraftstoffeinspritzdüse 27 angeordnet.
Die Kraftstoffeinspritzdüse 27 ist über ein
Rohr 28 an einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank angeschlossen.
Ein elektromagnetisches Steuerventil 29 zum Steuern der
Menge des zugeführten
Kraftstoffs ist in dem Rohr 28 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel
wird als der Kraftstoff Naturgas verwendet. Ferner sind in dem Einlassdurchlass 25 stromaufwärts der
Kraftstoffeinspritzdüse 27 ein
Luftreiniger 30 und ein Drosselventil 31 angeordnet.
Das Drosselventil 31 wird durch einen Drosselmotor 32 (Elektromotor)
elektrisch betätigt.
Ein Einstellen des Öffnungsbetrags
des Drosselventils 31 stellt die Strömungsrate der in die Brennkammern 16 eingesogenen
Einlassluft ein.
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Ein
Wärmetauscher 33,
der als eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Einlassluft dient,
ist in dem Einlassdurchlass 25 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel
tauscht der Wärmetauscher 33 die
Wärme zwischen
dem Abgas und der Einlassluft aus. Der Auslassdurchlass 26 zweigt
in zwei Durchlässe
ab. Ein Abzweigungsdurchlass 26a ist an dem Wärmetauscher 33 angeschlossen.
Das durch den Abzweigungsdurchlass 26a strömende Abgas tauscht
Wärme mit
der Einlassluft aus und wird dann durch ein (nicht gezeigtes) Rohr
zur Atmosphäre
ausgelassen. Das durch den anderen Abzweigungsdurchlass 26b strömende Abgas
wird direkt zu der Atmosphäre
ausgelassen. Ein elektromagnetisches Dreiwegeventil 34 ist
in dem abgezweigten Abschnitt des Auslassdurchlasses 26 angeordnet,
um den Prozentsatz des zu dem Abzweigungsdurchlass 26a strömenden Abgases
innerhalb eines Bereichs von 0 bis 100 einzustellen. Das heißt, das
Dreiwegeventil 34 stellt den Betrag des Abgases auf einen
ersten Zustand ein, in dem das gesamte Gas von dem Auslassdurchlass 26 von
dem Abzweigungsdurchlass 26b ausgelassen wird, ohne dass
es den Abzweigungsdurchlass 26a und den Wärmetauscher 33 passiert.
Das Dreiwegeventil 34 stellt zudem die Abgasmenge auf einen
zweiten Zustand ein, in dem das gesamte Abgas zu dem Abzweigungsdurchlass 26b strömt, um in
die Atmosphäre
ausgelassen zu werden. Ferner stellt das Dreiwegeventil 34 die
Menge des durch den Abzweigungsdurchlass 26a strömenden Abgases
auf jede Menge zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand
ein. Das Dreiwegeventil 34 kann ein Druckanpassungsventil
(spool valve) sein. Der Wärmetauscher 33 und
das Dreiwegeventil 34 bilden eine Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
zum Einstellen der Temperatur der Einlassluft.
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Der
Temperatursensor 35, der die Temperatur in dem Einlassdurchlass 25 erfasst,
und ein Luftmassenmesser 36, der die Strömungsrate
der Einlassluft erfasst, sind in dem Einlassdurchlass 25 zwischen
dem Wärmetauscher 33 und
der Kraftstoffeinspritzdüse 27 angeordnet.
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Das
Steuergerät 12,
das den Betrieb der HCCI-Kraftmaschine 10 steuert, steuert
die variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24,
das elektromagnetische Steuerventil 29, den Drosselmotor 32,
das Dreiwegeventil 34 und die Zündkerzen 42 so, dass
die durch eine Ausgabestelleinrichtung 37 eingestellte
erforderliche Last und Drehzahl der Kraftmaschine 10 erfüllt sind.
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Das
Steuergerät 12 hat
einen Mikrocomputer 38. Der Mikrocomputer hat einen Speicher 39 (ROM und
RAM), der als eine Speichervorrichtung dient. Der Temperatursensor 35,
der Luftmassenmesser 36, ein Kühlmitteltemperatursensor 40 zum
Erfassen der Kühlmitteltemperatur
in dem Kraftmaschinenkörper 11 und
ein Drehzahlsensor 41 zum Erfassen der Kraftmaschinendrehzahl
oder der Drehzahl der Kurbelwelle 18 sind alle mit einem
Eingabeabschnitt (Eingabeschnittstelle) des Steuergeräts 12 verbunden.
Die variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24,
das elektronische Steuerventil 29, der Drosselmotor 32 und
das Dreiwegeventil 34 sind elektrisch an einem Ausgabeabschnitt
(Ausgabeschnittstelle) des Steuergeräts 12 angeschlossen.
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Auf
Grundlage der von den Sensoren 35, 40 und 41 und
dem Messgerät 36 ausgegebenen
Erfassungssignalen bestimmt das Steuergerät 12 den Betriebszustand
der HCCI-Kraftmaschine 10 und steuert die variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24,
das elektromagnetische Steuerventil 29, den Drosselmotor 32 und
das Dreiwegeventil 34 und die Zündkerze 42 so, dass
die Kraftmaschine 10 auf einen vorbestimmten Betriebszustand
eingestellt wird. Das Steuergerät 12 berechnet
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
auf Grundlage des Erfassungssignals des Luftmassenmessers 36 und
des Öffnungsbetrags
des elektromagnetischen Steuerventils 29. Der Luftmassenmesser 36 und
das Steuergerät 12 bilden eine
Lastentsprechungswerterkennungseinrichtung zum Erkennen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
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Der
Speicher 39 speichert Kennfelder oder Formeln, die zum
Bestimmen von Befehlswerten (Steuerwerten) zum Steuern der HCCI-Kraftmaschine 10 auf
Grundlage des Betriebszustands der Kraftmaschine 10 verwendet
werden, die das Steuergerät 12 aus
den Erfassungssignalen des Temperatursensors 35, des Luftstrommessers 36,
des Kühlmitteltemperatursensors 40 und
des Drehzahlsensors 41 erkennt. Die Kennfelder und Formeln
beinhalten Kennfelder und Formeln, die beispielsweise zum Bestimmen
der Kraftstoffeinspritzmenge, des Drosselventilöffnungsbetrags und der Zündzeitgebung
verwendet werden.
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Der
Speicher 39 speichert HCCI-Betriebskennfelder M1, M2 und
M3 (siehe 2 bis 4). Unter
Bezugnahme auf 2 zeigt das Kennfeld M1 den
HCCI-betriebsfähigen
Bereich mit Bezug auf die Last und die Drehzahl der Kurbelwelle 18.
Unter Bezugnahme auf 3 zeigt das Kennfeld M2 den
HCCIbetriebsfähigen
Bereich mit Bezug auf die Einlasslufttemperatur und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F).
Unter Bezugnahme auf 4 zeigt das Kennfeld M3 den
HCCI-betriebsfähigen
Bereich mit Bezug auf die Kühlmitteltemperatur
und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
wenn die Einlasslufttemperatur 140°C, 160°C bzw. 180°C beträgt. Aus dem Kennfeld M3, das
die Beziehung zwischen der Kühlmitteltemperatur
und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis für vorbestimmte
Temperaturen zeigt, ist ersichtlich, dass Fehlzündungen dazu neigen aufzutreten,
wenn die Kühlmitteltemperatur
niedrig ist und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
hoch ist, und dass ein Klopfen dazu neigt aufzutreten, wenn die
Kühlmitteltemperatur hoch
ist und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
niedrig ist. Zusätzlich
zu den HCCI-Betriebskennfeldern speichert der Speicher 39 ein
Funkenzündungsbetriebskennfeld
(nicht gezeigt).
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Das
Kennfeld M2 ist für
jeder Solldrehzahl bereitgestellt. Das heißt, mehrere Ebenen von Kennfeldern
M2 sind in Übereinstimmung
mit Solldrehzahlen vorgesehen. Das Kennfeld M2 hat den Bereich A1,
der die Einlasslufttemperatur und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigt
und in dem der HCCI-Betrieb
ermöglicht
ist. Die Grenze des Bereichs A1 ist unter Berücksichtigung eines Sicherheitsspielraums
eingestellt. Der Bereich, in dem der HCCI-Betrieb möglich ist,
wurde durch Experimente bestätigt,
wie dies durch die strichpunktierten Linien angezeigt ist. Dieser
Bereich ist größer als
der Bereich A1, der in 3 durch durchgezogene Linien
gezeigt ist. Jedoch wird der Bereich A1 als Basis für die später beschriebene
Steuerung verwendet, wobei ein Sicherheitsspielraum berücksichtigt
ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Sicherheitsspielraum auf 10% der Weite W der Einlasslufttemperatur
in dem durch die strichpunktierten Linien gezeigten Bereich eingestellt.
Wenn die Werte der dem maximalen A/F-Wert entsprechenden Einlasstemperatur
in diesem Bereich liegen, beispielsweise von 120 bis 220°C, beträgt die Weite
W der Einlasslufttemperatur W circa 100°C. Somit ist der Sicherheitsspielraum
ca. auf 10°C
für den
oberen Grenzwert und für
den unteren Grenzwert eingestellt.
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Auf
Grundlage des Kennfelds M1 bestimmt das Steuergerät 12,
ob der HCCI-Betrieb in Übereinstimmung
mit der angeforderten Last und Drehzahl ermöglicht ist. Auf Grundlage des
Kennfelds M2 bestimmt das Steuergerät 12, ob sich das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
derart ändert,
dass ein Klopfen verursacht werden kann und ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart ändert, dass
Fehlzündungen verursacht
werden können.
Der Ausdruck „sich
derart ändern,
dass Klopfen verursacht wird",
bezieht sich darauf, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so ändert, dass
der obere Grenzwert des Bereichs A1 in dem Kennfeld M2 von 3 überschritten
wird (d.h., das plötzlich
abnehmende Luft-Kraftstoff-Verhältnis lässt die
gegenwärtige
Einlasslufttemperatur höher
werden als den oberen Grenzwert des Bereichs A1). Der Ausdruck „sich derart ändert, dass Fehlzündungen
verursacht werden können" bezieht sich darauf,
dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so ändert, dass der untere Grenzwert
des Bereichs A1 in dem Kennfeld M2 aus 3 überschritten
wird (d.h., das plötzlich
ansteigende Luft-Kraftstoff-Verhältnis
lässt die
gegenwärtige
Einlasslufttemperatur niedriger als den unteren Grenzwert des Bereichs
A1 werden).
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Um
zu verhindern, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen Wert eingestellt
ist, bei dem das Klopfen dazu neigt aufzutreten, erkennt das Steuergerät 12 das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis und steuert
die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung, also den Wärmetauscher 33 und
das Dreiwegeventil 34 auf Grundlage des Kennfelds M2 so,
dass die Einlasstemperatur verringert wird. Um ferner zu verhindern,
dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf
einen Wert eingestellt ist, bei dem Fehlzündungen dazu neigen aufzutreten,
erkennt das Steuergerät 12 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
steuert die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung auf Grundlage des Kennfelds
M2 so, dass die Einlasstemperatur erhöht wird.
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Nun
wird der Betrieb der HCCI-Kraftmaschine 10 beschrieben.
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Das
Steuergerät 12 bestimmt
den Betriebszustand des Kraftmaschinenkörpers 11 aus Erfassungssignalen
des Kühlmitteltemperatursensors 40, des
Drehzahlsensors 41 und weiteren Sensoren. Ferner bestimmt
das Steuergerät 12 in
einem Zustand, in dem die durch die Ausgabestelleinrichtung 37 eingestellte
erforderliche Drehzahl und Last erfüllt sind, ob der HCCI-Betrieb
möglich
ist. Dann berechnet das Steuergerät 12 die Solldrehzahl
und -last zum Durchführen
des HCCI-Betriebs oder des Funkenzündungsbetriebs in Übereinstimmung
mit dem Bestimmungsergebnis. Wenn der HCCI-Betrieb durchgeführt wird, steuert das Steuergerät 12 das elektromagnetische
Steuerventil 29, den Drosselmotor 32 und das Dreiwegeventil 34,
um einen Verbrennungszustand zu erhalten (d.h., ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
einen erwärmten
Zustand der Einlassluft), der zum Erreichen der Solldrehzahl und -last
geeignet ist. Ferner steuert das Steuergerät 12 dann, wenn der
Funkenzündungsbetrieb
durchgeführt
wird, das elektromagnetische Steuerventil 29, den Drosselmotor 32,
das Dreiwegeventil 34 und die Zündkerzen 42, um einen
Verbrennungszustand (d.h., ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
einen erwärmten
Zustand der Einlassluft) zu erhalten, der zum Erreichen der Solldrehzahl
und -last geeignet ist. Beim Betreiben der HCCI-Kraftmaschine 10 gibt
das Steuergerät 12 dem
HCCI-Betrieb den
Vorrang. Wenn sich jedoch die erforderliche Last und Kraftmaschinendrehzahl
nicht in dem HCCI-Betriebsbereich
befinden, führt
das Steuergerät 12 den
Funkenzündungsbetrieb
durch. Ferner führt
das Steuergerät 12 den
Funkenzündungsbetrieb
durch, bis die HCCI-Kraftmaschine 10 aufgewärmt ist.
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Der
Betrieb der HCCI-Kraftmaschine 10 wird in Übereinstimmung
mit dem Ablaufdiagramm von 5 durchgeführt. Zunächst wird
in Schritt S1 die Kraftmaschine 10 einem Aufwärmbetrieb unterzogen. Das Steuergerät 12 gibt
Befehlssignale zu dem elektromagnetischen Steuerventil 29 und
dem Drosselmotor 32 aus, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen,
das die Aufwärmbetriebsbedingungen
erfüllt,
und zwar auf Grundlage des Funkenzündungsbetriebskennfelds (SI-Grundkennfeld),
welches in dem Speicher 39 gespeichert ist. Ferner gibt
das Steuergerät 12 Signale
zu den variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 und
zu den Zündkerzen 42 aus,
so dass die Ventilzeitgebung und die Zündzeitgebung auf geeignete
Weise eingestellt sind, um eine Funkenzündung zum Erfüllen der
Aufwärmbedingungen
durchzuführen.
Ferner gibt das Steuergerät 12 ein
Befehlssignal zu dem Dreiwegeventil 34 aus, um den erwärmten Zustand
der Einlassluft zu erreichen, der die Aufwärmbetriebsbedingungen erfüllt.
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Dann
bestimmt das Steuergerät 12 in
Schritt S2 auf Grundlage des Erfassungssignals des Kühlmitteltemperatursensors 40,
ob die Kraftmaschine 10 aufgewärmt wurde oder nicht. Das heißt, das
Steuergerät 12 bestimmt,
ob die Erfassungstemperatur des Kühlmitteltemperatursensors 40 größer oder
gleich wie ein Wert ist, der angibt, dass die Kraftmaschine 10 warm
ist. Das Steuergerät 12 schreitet
zu Schritt S3 vor, wenn der Aufwärmvorgang
vollendet ist und kehrt zu Schritt S1 zurück, wenn der Aufwärmvorgang
nicht vollendet ist. Die Kühlmitteltemperatur,
die anzeigt, dass die HCCI-Kraftmaschine 10 aufgewärmt wurde,
wird im Vorfeld durch Ergebnisse erhalten und in dem Speicher 39 gespeichert.
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In
Schritt S3 bestimmt das Steuergerät 12 aus dem Kennfeld
M3, ob die gegenwärtige
Kühlmitteltemperatur
höher als
ein geregelter Wert ist, der der erforderlichen Drehzahl und Last
entspricht. Das Steuergerät 12 schreitet
zu Schritt S4 vor, wenn die Kühlmitteltemperatur
höher als
der geregelte Wert ist oder schreitet zu Schritt S5 vor, wenn die
Kühlmitteltemperatur
gleich oder niedriger als der geregelte Wert ist. Der geregelte
Wert ist in dem Speicher 39 gespeichert. Ferner ist der
geregelte Wert die Temperatur des Kraftmaschinenkörpers 11,
die einen stabilen HCCI-Betrieb in Übereinstimmung mit der erforderlichen
Drehzahl und Last ermöglicht,
wenn die Bedingungen zum Durchführen
des Aufwärmens
mit dem Wärmetauscher 33 eingestellt
werden. Der geregelte Wert wird im Vorfeld durch Experimente erhalten.
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In
Schritt S4 bestimmt das Steuergerät 12 aus dem Kennfeld
M1 von 2, ob die erforderliche Drehzahl und Last in dem
HCCI-betriebsfähigen
Bereich enthalten sind. Das Steuergerät 12 schreitet zu Schritt
S6 vor, wenn die erforderliche Drehzahl und Last in dem HCCI-betriebsfähigen Bereich
enthalten sind oder schreitet zu Schritt S5 vor, wenn die erforderliche
Drehzahl und Last von dem HCCIbetriebsfähigen Bereich ausgeschlossen
sind. In Schritt S5 gibt das Steuergerät 12 Befehlssignale
zu dem elektromagnetischen Steuerventil 29 und dem Drosselmotor 32 aus,
so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
auf geeignete Weise in Übereinstimmung
mit der erforderlichen Drehzahl und Last für den Funkenzündungsbetrieb
gesetzt ist. Das Steuergerät 12 gibt
zudem ein Steuersignal zu dem Dreiwegeventil 37 aus, um
den geeigneten aufgewärmten
Zustand der Einlassluft zu erhalten. Dann schreitet das Steuergerät 12 zu Schritt
S3 vor. Als ein Ergebnis führt
die HCCI-Kraftmaschine 10 einen Funkenzündungsbetrieb durch, um die
erforderliche Drehzahl und Last zu erfüllen.
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In
Schritt S6 bestimmt das Steuergerät 12 aus einem Kennfeld
die Einlassluftsolltemperatur und Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Solldrehzahl
und -last, die in Übereinstimmung
mit der erforderlichen Drehzahl und Last gesetzt sind. Dann gibt
das Steuergerät 12 Befehlssignale
zu dem Dreiwegeventil 34, dem elektromagnetischen Steuerventil 29 und
dem Drosselmotor 32 aus, so dass die bestimmte Einlassluftsolltemperatur
und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt
werden. Als ein Ergebnis führt
die HCCI-Kraftmaschine einen HCCI-Betrieb durch, um die erforderliche
Drehzahl und Last zu erfüllen.
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Nach
dem Ausführen
von Schritt S6 schreitet das Steuergerät 12 zu Schritt S7
vor. In Schritt S7 erkennt das Steuergerät 12 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
die Einlasslufttemperatur. Ferner bestimmt das Steuergerät 12 auf
Grundlage des Kennfelds M2 der Einlasslufttemperatur und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
ob eine Möglichkeit
eines eintretenden Klopfens besteht oder nicht, wenn der gegenwärtige Betrieb
mit der Solldrehzahl kontinuierlich durchgeführt wird. Genauer gesagt überprüft das Steuergerät 12,
wo sich das erkannte Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Einlasslufttemperatur
in dem Bereich A1 befinden, in dem der HCCI-Betrieb stabil durchgeführt werden
kann. Ferner bestimmt das Steuergerät 12, ob sich die
gegenwärtige
Stelle von der Stelle der vorangehenden Bestimmung geändert hat
oder nicht und bestimmt, ob in Folge einer solchen Änderung eine
Möglichkeit
eines eintretenden Klopfens besteht oder nicht. Das Steuergerät 12 schreitet
zu Schritt S8 vor, wenn in Schritt S7 bestimmt wird, dass eine Möglichkeit
eines eintretenden Klopfens besteht, oder schreitet zu Schritt S9
vor, wenn bestimmt wird, dass eine solche Möglichkeit nicht besteht.
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In
Schritt S9 erkennt das Steuergerät 12 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
die Einlasslufttemperatur und bestimmt auf Grundlage des Kennfelds
M2 der Einlasslufttemperatur und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
ob eine Möglichkeit
einer eintretenden Fehlzündung
mit der Solldrehzahl besteht, wenn der gegenwärtige Betrieb fortgeführt wird.
Genauer gesagt überprüft das Steuergerät 12,
ob sich das erkannte Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
die Einlasstemperatur in dem Bereich A1 befinden, in dem ein stabiler
HCCI-Betrieb möglich
ist. Ferner bestimmt das Steuergerät 12, ob sich die
gegenwärtige
Stelle von der Stelle der vorangehenden Bestimmung geändert hat
oder nicht, und bestimmt, ob eine Möglichkeit eines eintretenden
Klopfens in Folge einer solchen Änderung
besteht oder nicht. Das Steuergerät schreitet zu Schritt S8 vor,
wenn in Schritt S9 bestimmt wird, dass eine Möglichkeit besteht, dass Fehlzündungen eintreten,
oder schreitet zu Schritt S3 vor, wenn bestimmt wird, dass eine
solche Möglichkeit
nicht besteht.
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In
Schritt S8 stellt das Steuergerät 12 die Einlasslufttemperatur
für die
Solldrehzahl auf Grundlage des Kennfelds M2 der Einlasslufttemperatur
und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
so ein, dass Änderungen,
die ein Klopfen oder Fehlzündungen
verursachen können,
nicht fortgeführt
werden. Beispielsweise gibt das Steuergerät 12 dann, wenn es
von Schritt S7 zu Schritt S8 fortschreitet, in Schritt S8 ein Befehlssignal
zu dem Dreiwegeventil 34 aus, so dass Änderungen, die ein Klopfen
verursachen können, nicht
andauern, d.h., so dass die Einlasslufttemperatur abnimmt. Ferner
gibt das Steuergerät 12 dann, wenn
es von Schritt S9 zu Schritt S8 fortschreitet, in Schritt S8 ein
Befehlssignal zu dem Dreiwegeventil 34 aus, so dass Änderungen,
die Fehlzündungen verursachen
können,
nicht fortgeführt
werden, d.h., so dass die Einlasslufttemperatur zunimmt. Dann schreitet
das Steuergerät 12 zu
Schritt S3 vor, nachdem Schritt S8 ausgeführt wurde.
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Das
Steuergerät 12 erkennt
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
ermöglicht
einen stabilen HCCI-Betrieb und bestimmt auf Grundlage des Kennfelds
M2, das das Verhältnis
zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Einlasslufttemperatur
zeigt, ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so verändert, dass
eine Möglichkeit
eines eintretenden Klopfens besteht. Um zu verhindern, dass das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
von dem stabilen Betriebsbereich bei der Solldrehzahl ausgeschlossen
wird, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in einer solchen Art und Weise ändert,
dass eine Möglichkeit
besteht, dass ein Klopfen auftritt, steuert das Steuergerät die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
auf Grundlage des Kennfelds M2 so, dass die Einlasslufttemperatur
abnimmt. Um ferner zu verhindern, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei
der Solldrehzahl von dem stabilen Betriebsbereich ausgeschlossen
wird, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer solchen Art
und Weise ändert,
dass eine Möglichkeit
besteht, dass Fehlzündungen
auftreten, steuert das Steuergerät 12 die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
auf Grundlage des Kennfelds M2 so, dass die Einlasslufttemperatur
zunimmt.
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Dementsprechend
wiederholt das Steuergerät 12 die
Schritte S3, S4, S6, S7 und S9, wenn die erforderliche Drehzahl
und die erforderliche Last sich nicht ändern und der HCCI-Betrieb stabilisiert
ist. Dies lässt
den HCCI-Betrieb unter der vorbestimmten Einlasslufttemperatur und
dem vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis weiterführen, die
der erforderlichen Drehzahl und der erforderlichen Last entsprechen.
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Anders
als bei einer Kraftfahrzeugkraftmaschine ändert sich bei der HCCI-Kraftmaschine 10 die
erforderliche Drehzahl und die erforderliche Last nicht häufig. Jedoch
können
die erforderliche Drehzahl und die erforderliche Last signifikant
geändert werden.
Beispielsweise zeigt der Punkt P1 in dem Kennfeld M2 aus 3 die
Beziehung zwischen der Einlasslufttemperatur und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter
dem gegenwärtigen
Betriebszustand. Wenn die erforderliche Drehzahl und die erforderliche
Last geändert
sind und das Verhältnis
der entsprechenden Einlasslufttemperatur und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
so ist, wie durch den Punkt P2 gezeigt ist, fährt das Steuergerät 12 mit dem
Betrieb fort, während
die Solldrehzahl und die Solllast so geändert werden, dass die gegenwärtige Solldrehzahl
und -last allmählich
die durch den Punkt P2 angezeigte Drehzahl und Last annähern. Es
gibt Fälle,
in denen sich Punkt P1 und Punkt P2 in der Nähe der Grenze des Bereichs
A1 befinden. Selbst wenn in einem solchen Fall die Einlasslufttemperatur und
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleichzeitig
so geändert
werden, dass sich das Verhältnis
zwischen der Einlasslufttemperatur und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entlang
einer Linie bewegt, die den Punkt P1 und den Punkt P2 verbindet,
führt das
Steuergerät 12 die
Schritte S3 bis S9 wie erforderlich aus, fährt mit dem stabilen HCCI-Betrieb
fort und ändert die
Betriebsbedingungen von denen, die dem Punkt P1 entsprechen, zu
denen, die dem Punkt P2 entsprechen.
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Beim Ändern der
Betriebsbedingungen kann entweder die Einlasslufttemperatur oder
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
auf eine Stelle geändert werden,
die von der Grenze des Bereichs A1 beabstandet ist, und der andere
Parameter aus der Einlasslufttemperatur und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann
auf eine Stelle geändert
werden, die in dem Bereich A1 enthalten ist, um das Verhältnis der Einlasslufttemperatur
und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses stufenweise
zu ändern.
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Die
HCCI-Kraftmaschine 10 des bevorzugten Ausführungsbeispiels
weist die nachstehend beschriebenen Vorteile auf.
- (1)
Die HCCI-Kraftmaschine 10 hat die Lastentsprechungswerterkennungseinrichtung zum
Erkennen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung
und den Speicher 39, der das Kennfeld speichert, das die
Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Einlasslufttemperatur
angibt, das einen stabilen HCCI-Betrieb
sicherstellt. Die Lastentsprechungswerterkennungseinrichtung erkennt
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Um zu verhindern, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen Wert gesetzt
wird, der ein Klopfen verursacht, steuert das Steuergerät 12 die
Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung so, dass die Einlasslufttemperatur
auf Grundlage des Kennfelds M2 gesenkt wird. Um ferner zu verhindern,
dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf
einen Wert gesetzt wird, der Fehlzündungen verursacht, steuert
das Steuergerät 2 die
Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung so, dass die Einlasslufttemperatur
auf Grundlage des Kennfelds M2 erhöht wird. Dementsprechend wird
verhindert, dass beim Ändern des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
zum Ändern
der Ausgabe ein Klopfen und Fehlzündungen auftreten. Ferner werden
Klopfen und Fehlzündungen selbst
dann verhindert, wenn die Last oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis infolge
des einen oder des anderen Grundes während dem Betrieb unter bestimmten
Bedingungen schwankt.
- (2) Das Kennfeld M2 wird aufgestellt, wobei für die Grenze
des Bereichs A1, der die Beziehung zwischen der Einlasslufttemperatur
und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
angibt, die einen HCCI-Betrieb ermöglicht, ein Sicherheitsspielraum berücksichtigt
wird. Dementsprechend wird der HCCI-Betrieb beim Ändern der
Betriebsbedingungen selbst dann stabil fortgeführt, wenn die Betriebsbedingungen
entlang der Grenze kontinuierlich geändert werden.
- (3) Der Sicherheitsspielraum ist auf 10% des Einlasstemperaturbereichs
gesetzt, der einem Einlassluftverhältnis in dem Kennfeld M2 entspricht. Dies
verhindert, dass die Betriebsbedingungen aus dem HCCI-betriebsfähigen Bereich
ausgeschlossen werden.
- (4) Der Wärmetauscher 33 tauscht
Wärme zwischen
dem Abgas und der Einlassluft. Dementsprechend wird die durch den
Betrieb der HCCI-Kraftmaschine 10 erzeugte Wärme effizient verwendet.
Dies verringert den Energieverbrauch im Vergleich dazu, wenn andere
Heizeinrichtungen verwendet werden.
- (5) Der Wärmetauscher 33 erwärmt nicht
das Luft-Kraftstoff-Gemisch.
Der Wärmetauscher 33 erwärmt Luft
(Sauerstoff enthaltendes Gas), bevor es mit dem Kraftstoff gemischt
wird. Die thermische Leitfähigkeit
von Luft ist höher
als die des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Somit wird im Vergleich dazu,
wenn ein Wärmetauscher
den Wärmetausch
zum Erwärmen
des Gemischs ausübt,
das Erwärmen
effizienter durchgeführt,
wenn Luft erwärmt
wird.
- (6) Jede Brennkammer 16 hat die Zündkerze 42 zum Ermöglichen
des Funkenzündungsbetriebs. Dementsprechend
wird der Aufwärmbetrieb
problemlos durchgeführt.
Ferner ist im Vergleich zu der HCCI-Kraftmaschine, die die Funkenzündung nicht
durchführen
kann, die HCCI-Kraftmaschine 10,
die die Zündkerzenzündung durchführen kann,
auf eine höhere
Drehzahl- und höhere
Lastnachfrage anwendbar.
- (7) Zusätzlich
zu dem HCCI-Betriebskennfeld hat der Speicher 39 ein Funkenzündungskennfeld. Dementsprechend
wird die HCCI-Kraftmaschine 10 dann, wenn die erforderliche
Last und die erforderliche Drehzahl nicht durch den HCCI-Betrieb erfüllt werden
können,
einfach auf den Funkenzündungsbetrieb
umgeschaltet, der die erforderliche Last und die erforderliche Drehzahl
erfüllt.
- (8) Die variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 sind
jeweils durch ein elektromagnetisches Antriebselement oder ein hydraulisches Stellglied
ausgebildet. Dementsprechend kann die Öffnungszeitgebung des Auslassventils 22 frei geändert werden.
Dies ermöglicht
eine reibungslose und vereinfachte Steuerung des HCCI-Betriebs und des
Funkenzündungsbetriebs.
-
Es
sollte für
den Fachmann ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung in
vielen anderen bestimmten Ausbildungen ausgeführt werden kann, ohne von dem
Wesen oder dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Insbesondere sollte
verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung in den folgenden
Formen ausgeführt
werden kann.
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Die
HCCI-Kraftmaschine 10 muss nicht notwendigerweise mit Zündeinrichtungen
versehen sein und kann lediglich den HCCI-Betrieb durchführen.
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In
einer HCCI-Kraftmaschine 10, die nicht mit Zündeinrichtungen
versehen ist, wird während
dem Aufwärmbetrieb
Kraftstoff verwendet, der beim Komprimieren einfach zündet. In
einem solchen Fall wird nach dem Aufwärmbetrieb der Kraftstoff auf
einen solchen umgeschaltet, der für die normalen Betriebe verwendet
wird.
-
In
der HCCI-Kraftmaschine 10, die die Zündeinrichtungen (Zündkerzen 42)
enthält,
kann die Funkenzündung
lediglich während
dem Aufwärmbetrieb durchgeführt werden
und der HCCI-Betrieb kann durchgeführt werden, wenn der Aufwärmbetrieb
vollendet ist. Wenn in diesem Fall die erforderliche Last und die
erforderliche Drehzahl nicht in dem HCCI-betriebsfähigen Bereich
enthalten sind, ist es vorzuziehen, dass die HCCI-Kraftmaschine 10 unter
Bedingungen betrieben wird, die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
einen aufgewärmten
Zustand der Einlassluft hervorbringen, die einer Last und einer
Drehzahl entsprechen, die der erforderlichen Last und erforderlichen
Drehzahl nahe sind.
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Anstelle
einen Wärmeaustausch
unter Verwendung des Abgases als die Wärmequelle durchzuführen, kann
der Wärmetauscher 33 den
Wärmetausch
unter Verwendung des Kühlmittels
der Kraftmaschine 11 als die Wärmequelle durchführen. Jedoch
hat Abgas eine höhere
Temperatur als das Kühlmittel.
Somit ist die Wärmeeffizienz
höher,
wenn der Wärmetauscher 33 das
Abgas als Wärmequelle verwendet.
Ferner können
sowohl ein Wärmetauscher,
der den Wärmetausch
unter Verwendung des Abgases als eine Wärmequelle durchführt, als
auch ein Wärmetauscher,
der den Wärmetausch
unter Verwendung des Kühlmittels
des Kraftmaschinenkörpers 11 als
eine Wärmequelle
durchführt,
in der HCCI-Kraftmaschine 10 eingebaut sein. Der Wärmetauscher
kann Kraftmaschinenöl
als Wärmequelle
verwenden.
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Anstelle
die Einlassluft zu erwärmen,
bevor sie gemischt wird, kann der Wärmetauscher 33 das Gemisch
erwärmen,
in dem Luft und Kraftstoff gemischt sind. Wahlweise kann sowohl
die Einlassluft als auch das Gemisch erwärmt werden.
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Anstelle
eines Wärmetauschers 33,
der Abgas oder Kühlmittel
des Kraftmaschinenkörpers 11 als
Wärmequelle
verwendet, kann der Wärmetauscher 33 eine
elektrische Heizvorrichtung sein, die die Einlassluft aufwärmt. Alternativ
kann der Wärmetauscher 33 zusätzlich eine
solche elektrische Heizeinrichtung aufweisen. Wenn die HCCI-Kraftmaschine 10 nicht
mit Zündeinrichtungen
versehen ist und die Temperaturen des Abgases und des Kühlmittels während dem
Aufwärmbetrieb
niedrig sind, erwärmt die
elektrische Heizvorrichtung die Einlassluft auf die erforderliche
Temperatur innerhalb einer kurzen Zeitspanne und stabilisiert den
Aufwärmbetrieb.
Ferner ist die elektrische Heizvorrichtung wirkungsvoll, um die
Einlassluft innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach dem Aufwärmbetrieb
zu erwärmen.
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Zusätzlich zu
dem Wärmetauscher 33 kann die
HCCI-Kraftmaschine 10 mit
einer Kühleinrichtung versehen
sein. Die Kühleinrichtung
kann beispielsweise ein Wärmetauscher
sein, der die Wärme
zwischen der Einlassluft und dem Kühlmittel tauscht, das sich
von dem Kraftmaschinenkühlmittel
im Anschluss an eine Luftkühlung
oder einen Ventilator unterscheidet, bei denen Umgebungsluft in
den Einlassdurchlass geschickt wird. Beim Einstellen der Einlassluft nimmt
die Einlasslufttemperatur ab, indem das Aufwärmen mit dem Wärmetauscher 33 unterbrochen wird.
Jedoch ermöglicht
der Einsatz des Kühlmittels, dass
die Einlassluft innerhalb einer kurzen Zeitspanne gekühlt wird.
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In
dem Kennfeld M2 ist der Sicherheitsspielraum zum Einstellen der
Grenze des Bereichs A1, der die Beziehung zwischen der Einlasslufttemperatur
und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigt
und in dem der HCCI-Betrieb ermöglicht
ist, nicht auf 10% der Weite W der Einlasslufttemperatur in dem
Bereich A1 beschränkt,
sondern kann beispielsweise 5% oder über 10% betragen.
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Anstelle
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
aus dem Erfassungssignal des Luftmassenmessers 36 und dem Öffnungsbetrag
des elektromagnetischen Ventils 29 zu berechnen, kann das
Steuergerät 12 das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor
(A/F-Sensor) erfassen.
Der A/F-Sensor erfasst das Luft-Kraftstoff-Verhältnis beispielsweise
aus der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration von Vorverbrennungsgas
in dem Abgas.
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In
dem Kennfeld M1 können
anstatt dessen, die Last direkt zu zeigen, andere Werte, die der
Last entsprechen, wie zum Beispiel der effektive Mitteldruck (IMEP)
oder eine Betriebsgröße einer
Einstelleinrichtung zum Einstellen der erforderlichen Last verwendet
werden.
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In
dem Kennfeld M2 kann anstelle des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
der effektive Mitteldruck als ein Wert verwendet werden, der die
Kraftmaschinenlast angibt, und der stabile HCCI-Bereich kann mit
Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
den effektiven Mitteldruck angegeben werden.
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Der
Kraftstoff der HCCI-Kraftmaschine 10 ist nicht notwendigerweise
auf Naturgas beschränkt
und kann jede Art von Kraftstoff sein, wie zum Beispiel Benzin,
Propangas, Methanol, Dimethylether, Wasserstoff und Dieselkraftstoff.
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Die
Kraftmaschine 10 mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung
ist nicht auf eine viertaktige Kraftmaschine beschränkt, sondern
kann eine zweitaktige Kraftmaschine sein.
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Der
Kraftstoff des Luft-Kraftstoff-Gemisches muss nicht Gas sein, sondern
kann zerstäubter
Kraftstoff sein.
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Das
sauerstoffenthaltende Gas, das mit dem Kraftstoff gemischt wird,
ist nicht auf Luft beschränkt und
kann jegliches sauerstoffenthaltende Gas sein, das zum Verbrennen
von Kraftstoff erforderlichen Sauerstoff enthält. Beispielsweise kann ein
Gas verwendet werden, das hergestellt wird, indem Sauerstoff mit
Luft gemischt wird, um die Sauerstoffkonzentration zu erhöhen.
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Der
Kraftstoff muss nicht notwendigerweise in den Einlassdurchlass 25 eingespritzt
werden und mit der Einlassluft gemischt werden um ein in die Brennkammer 16 gesogenes
Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen. Beispielsweise kann der Kraftstoff
während
dem Einlasstakt in die Brennkammer 16 eingespritzt werden.
Ferner kann der Kraftstoff in einem Vergaser oder einem Mischer
mit der Einlassluft gemischt werden.
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Die
HCCI-Kraftmaschine 10 muss nicht eine Vielzahl von Zylindern
aufweisen, sondern kann lediglich einen Zylinder aufweisen.
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Die
variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 können jeweils
ein bekannter variabler Ventilzeitgebungsmechanismus sein, der eine
Nockenwelle zum Öffnen
und Schließen
eines Einlassventils oder eines Auslassventils mit Hilfe eines Nocken
oder eines Schlepphebels verwendet. Eine HCCI-Kraftmaschine, die
eine reibungslose Steuerung des HCCI-Betriebs und des Funkenzündungsbetriebs
erleichtert, muss nicht mit den variablen Ventilbetätigungsmechanismen 23 und 24 versehen
sein.
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Anstelle
eines Dreiwegeventils 34 kann in jedem der Abzweigungsdurchlässe 26a und 26b ein Strömungseinstellventil
angeordnet sein, das durch das Steuergerät 12 gesteuert wird.
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Die
HCCI-Kraftmaschine 10 muss nicht ortsfest sein und kann
als eine Kraftfahrzeugkraftmaschine verwendet werden. In einem solchen
Fall muss die Kraftmaschine 10 zwischen dem HCCI-Betrieb und
dem Funkenzündungsbetrieb
umschaltbar sein.
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Anstelle
des Kennfelds M1 kann eine Beziehungsformel verwendet werden, die
die Beziehung zwischen der Kraftmaschinendrehzahl und der Last in
dem HCCI-betriebsfähigen Bereich
anzeigt. Anstelle des Kennfelds M2 kann eine Beziehungsformel verwendet
werden, die die Beziehung zwischen der Einlasslufttemperatur und
dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
dem HCCI-betriebsfähigen
Bereich anzeigt. Anstelle des Kennfelds M3 kann eine Beziehungsformel
verwendet werden, die die Einlasstemperaturen mit Bezug auf die
Kühlmitteltemperatur
und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in dem HCCI-betriebsfähigen Bereich
anzeigt. Alle Beziehungsformeln sind in dem Speicher 39 gespeichert.
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Die
vorliegenden Beispiele und Ausführungsbeispiele
sind als veranschaulichend und nicht als beschränkend zu betrachten, und die
Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Details beschränkt, sondern
kann innerhalb des Bereichs und der Äquivalenz der beiliegenden
Ansprüche
modifiziert werden.
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Eine
Kraftmaschine mit Kompressionszündung
einer homogenen Ladung ist offenbart, die Klopfen und Fehlzündungen
verhindert, wenn die Ausgabe geändert
wird und wenn sich die Last oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis infolge
des einen oder anderen Grunds beim Betrieb unter einer vorbestimmten
Bedingung ändert.
Ein Steuergerät
bestimmt, ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf so eine Weise ändert oder
nicht, dass eine Möglichkeit besteht,
dass Klopfen oder Fehlzündungen
auftreten, indem ein Kennfeld verwendet wird, das mit Bezug auf
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und
die Einlasslufttemperatur einen Bereich definiert, in dem ein stabiler Betrieb
einer Kompressionszündung
einer homogenen Ladung ermöglicht
ist. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis anzeigt, dass eine Möglichkeit
besteht, dass ein Klopfen oder Fehlzündungen eintreten, steuert
das Steuergerät
ein Einlasslufttemperatureinstellelement so, dass die Einlasslufttemperatur auf
Grundlage des Kennfelds eingestellt wird.