DE102005017530A1

DE102005017530A1 - Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung und Verfahren zum Betreiben der Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung

Info

Publication number: DE102005017530A1
Application number: DE102005017530A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kariya Kuzuyama; Shigeru Kariya Aoki
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2025-04-16
Also published as: JP2005307759A; US20050229908A1; CN1690392A; DE102005017530B4; US6990947B2

Abstract

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.

Description

HINDERGRUND DER ERFINDUNG
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

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.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine HCCI-Kraftmaschine zu schaffen, die einen Betrieb mit dem vorstehend genannten Verfahren ermöglicht.

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.

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.

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.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 ein schematisches Schaubild ist, das eine HCCI-Kraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Schaubild eines Kennfelds zeigt, das den HCCIbetriebsfähigen Bereich mit Bezug auf die Drehzahl und die Last der HCCI-Kraftmaschine definiert;
3 ein Schaubild eines Kennfelds zeigt, das den HCCIbetriebsfähigen Bereich mit Bezug auf die Einlasslufttemperatur und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) definiert;
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
5 ein Ablaufdiagramm zeigt, das eine Betriebssteuerung der in 1 gezeigten HCCI-Kraftmaschine veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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.
Wie in 1 gezeigt ist, hat die HCCI-Kraftmaschine 10 einen Kraftmaschinenkörper 11 und ein Steuergerät 12, das die Kraftmaschine 10 elektronisch steuert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.
Nun wird der Betrieb der HCCI-Kraftmaschine 10 beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die HCCI-Kraftmaschine 10 muss nicht notwendigerweise mit Zündeinrichtungen versehen sein und kann lediglich den HCCI-Betrieb durchführen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Kraftmaschine 10 mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung ist nicht auf eine viertaktige Kraftmaschine beschränkt, sondern kann eine zweitaktige Kraftmaschine sein.
Der Kraftstoff des Luft-Kraftstoff-Gemisches muss nicht Gas sein, sondern kann zerstäubter Kraftstoff sein.
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.
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.
Die HCCI-Kraftmaschine 10 muss nicht eine Vielzahl von Zylindern aufweisen, sondern kann lediglich einen Zylinder aufweisen.
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.
Anstelle eines Dreiwegeventils 34 kann in jedem der Abzweigungsdurchlässe 26a und 26b ein Strömungseinstellventil angeordnet sein, das durch das Steuergerät 12 gesteuert wird.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung (10), die eine Brennkammer (16) hat, die einen Kolben (15) aufnimmt, der ein Gemisch von Kraftstoff und sauerstoffenthaltendem Gas komprimiert, um das komprimierte Gemisch zu zünden, wobei die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehung einer Ausgabewelle (18) umgewandelt wird, und die eine Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung (33, 34) zum Erwärmen des angesogenen sauerstoffenthaltenden Gases und/oder Gemisches hat, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder der Kraftmaschinenlast; Bestimmen, ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Kraftmaschinenlast in einer solchen Art und Weise ändert oder nicht, dass eine Möglichkeit besteht, dass ein Klopfen eintritt, indem ein erstes Kennfeld (M2) oder eine erste Beziehungsformel verwendet wird, die mit Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Kraftmaschinenlast und die Einlasslufttemperatur einen ersten Bereich definieren, in dem ein stabiler Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist; Steuern der Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung, um die Einlasslufttemperatur auf Grundlage des ersten Kennfelds (M2) oder der ersten Beziehungsformel zu senken, wenn eine Möglichkeit besteht, dass ein Klopfen eintritt; Bestimmen, ob sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Kraftmaschinenlast auf so eine Art und Weise ändert oder nicht, dass eine Möglichkeit besteht, dass Fehlzündungen auftreten, indem das erste Kennfeld oder die erste Beziehungsformel verwendet wird; und Steuern der Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung, um die Einlasslufttemperatur auf Grundlage des ersten Kennfelds (M2) oder der ersten Beziehungsformel zu erhöhen, wenn eine Möglichkeit besteht, dass Fehlzündungen eintreten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch Bestimmen, ob die Kühlmitteltemperatur der Kraftmaschine größer als ein geregelter Wert in einem zweiten Bereich ist oder nicht und ob der Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist oder nicht, unter Verwendung eines zweiten Kennfelds (M3) oder einer zweiten Beziehungsgleichung, die mit Bezug auf die Kühlmitteltemperatur und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis den zweiten Bereich definieren, in dem bei einer bestimmten Einlasslufttemperatur ein stabiler Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, ferner mit: Bestimmen, ob eine erforderliche Kraftmaschinendrehzahl und Kraftmaschinenlast in einem dritten Bereich liegen oder nicht und ob ein Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist oder nicht, indem ein drittes Kennfeld (M1) oder eine dritte Beziehungsformel verwendet wird, die mit Bezug auf die Kraftmaschinendrehzahl und die Kraftmaschinenlast den dritten Bereich definieren, in dem der stabile Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung eine Zündeinrichtung (42) aufweist, die in der Brennkammer angeordnet ist, wobei das Verfahren ferner gekennzeichnet ist durch Durchführen eines Funkenzündungsbetriebs mit der Zündeinrichtung (42), wenn die Kühlmitteltemperatur niedriger als der geregelte Wert ist und wenn der Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung nicht ermöglicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung eine Zündeinrichtung (42) aufweist, die in der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Verfahren ferner gekennzeichnet ist durch Durchführen eines Funkenzündungsbetriebs mit der Zündvorrichtung, bis die Kraftmaschine warm wird; Bestimmen, ob eine erforderliche Kraftmaschinendrehzahl und Kraftmaschinenlast in einem zweiten Bereich liegen oder nicht, so dass ein stabiler Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist, indem ein zweites Kennfeld (M1) oder eine zweite Beziehungsformel verwendet wird, die mit Bezug auf die Kraftmaschinendrehzahl und die Kraftmaschinenlast den zweiten Bereich definieren, in dem der stabile Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist.
Kraftmaschine (10) mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung, die eine Brennkammer (16) hat, die einen Kolben (15) aufnimmt, der ein Gemisch aus Kraftstoff und sauerstoffenthaltendem Gas komprimiert, um das komprimierte Gemisch zu zünden, ferner mit einer Erkennungseinheit (12, 36) zum Bestimmen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses oder der Kraftmaschinenlast, und mit einer Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung (33, 34) zum Erhöhen der Temperatur des angesogenen sauerstoffenthaltenden Gases und/oder Gemisches, wobei die Kraftmaschine gekennzeichnet ist durch eine Speichervorrichtung (39) zum Speichern eines ersten Kennfelds (M2) oder einer ersten Beziehungsgleichung, 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; und eine Steuereinheit (12), die an der Erkennungseinheit (12, 36) der Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung (33, 34) und der Speichervorrichtung (39) angeschlossen ist, um die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung so zu steuern, dass die Einlasslufttemperatur abnimmt, wenn die Einlasslufttemperatur, die dem durch die Erkennungseinheit bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder Kraftmaschinenlast entspricht, höher als ein oberer Grenzwert des ersten Bereichs wird, und um die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung so zu steuern, dass die Einlasslufttemperatur zunimmt, wenn die Einlasslufttemperatur niedriger als ein unterer Grenzwert des ersten Bereichs wird.
Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich des ersten Kennfelds eine Grenze hat, die unter Berücksichtigung eines Sicherheitsspielraums eingestellt ist.
Homogene Ladungsverdichtungszündungskraftmaschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsspielraum auf 10% des Bereichs der Einlasslufttemperatur gesetzt ist, die einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einer Kraftmaschinenlast entspricht.
Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (39) ein zweites Kennfeld (M3) oder eine zweite Beziehungsformel speichert, die mit Bezug auf die Kühlmitteltemperatur und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einen zweiten Bereich definieren, in dem bei einer bestimmten Einlasslufttemperatur ein stabiler Betrieb einer Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist; und die Steuereinheit (12) auf Grundlage des zweiten Bereichs bestimmt, ob die Kühlmitteltemperatur höher als ein geregelter Wert ist oder nicht und ob der Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist oder nicht.
Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (39) ein drittes Kennfeld (m1) oder eine dritte Beziehungsformel speichert, die mit Bezug auf die Kraftmaschinendrehzahl und die Kraftmaschinenlast einen dritten Bereich definiert, in dem ein stabiler Betrieb einer Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist; und die Steuereinheit (12) bestimmt, ob eine erforderliche Kraftmaschinendrehzahl und Kraftmaschinenlast in dem dritten Bereich liegen und ob der Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist.
Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung gemäß Anspruch 9 oder 10, ferner gekennzeichnet durch eine Zündeinrichtung (42), die in der Brennkammer angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (12) den Funkenzündungsbetrieb mit der Zündeinrichtung durchführt, wenn die Kühlmitteltemperatur niedriger als der geregelte Wert ist und der Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung nicht ermöglicht ist.
Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (39) ein zweites Kennfeld (M1) oder eine zweite Beziehungsformel speichert, die mit Bezug auf die Kraftmaschinendrehzahl und die Kraftmaschinenlast einen zweiten Bereich definiert, in dem der stabile Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist, wobei die Kraftmaschine ferner Folgendes aufweist: eine Zündeinrichtung (42), die in der Brennkammer angeordnet ist, wobei die Steuereinheit einen Funkenzündungsbetrieb mit der Zündeinrichtung durchführt, bis die Kraftmaschine warm wird, und bestimmt, ob eine erforderliche Kraftmaschinendrehzahl und Kraftmaschinenlast in dem zweiten Bereich liegen oder nicht und ob ein Betrieb der Kompressionszündung einer homogenen Ladung ermöglicht ist, nachdem die Kraftmaschine aufgewärmt ist.
Kraftmaschine mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (10) ein Kraftmaschinenkühlmittel und Kraftmaschinenöl aufweist und durch die Kompressionszündung ein Abgas erzeugt, wobei die Einlasslufttemperatureinstelleinrichtung (33, 34) einen Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen der Einlassluft und zumindest einem aus dem Abgas, dem Kraftmaschinenkühlmittel und dem Kraftmaschinenöl aufweist.