DE102017102444B4

DE102017102444B4 - Verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE102017102444B4
Application number: DE102017102444.1A
Authority: DE
Inventors: Shintaro Hotta; Hiroyuki Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2037-02-09
Also published as: JP6436122B2; US10393049B2; US20170276082A1; JP2017180110A; DE102017102444A1

Abstract

Verbrennungsmaschine, welche konfiguriert ist, um in Abhängigkeit von einem Betriebsbereich zwischen einem stöchiometrischen Modus, in dem ein Betrieb bei einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, und einem mageren Modus, in dem ein Betrieb bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, das magerer an Kraftstoff ist als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, zu wechseln, aufweisend:eine variable Ventilvorrichtung (15), die konfiguriert ist, um eine Schließzeit eines Einlassventils (14) zu variieren;eine Ölstrahlvorrichtung (130), die konfiguriert ist, um Öl in Richtung einer Hinterseite eines Kolbens (8) auszustoßen;eine EGR Vorrichtung (100), die konfiguriert ist, um einen Teil von Abgas zu einer Einlasspassage (70) zu zirkulieren;eine Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50), die konfiguriert ist, um eine Temperatur von Kühlwasser anzupassen, das durch eine Auslassseite eines Maschinenkopfs (2) strömt; undeine Steuervorrichtung (120), die konfiguriert ist, um zumindest die variable Ventilvorrichtung (15), die Ölstrahlvorrichtung (130), die EGR Vorrichtung (100) und die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50) zu betreiben;wobei die Steuervorrichtung (120) derart konfiguriert ist, dass sie die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50) betreibt, so dass die Temperatur des Kühlwassers, welches den Maschinenkopf (2) durchströmt, einen ersten Temperaturbereich erreicht, wenn die Verbrennungsmaschine in dem mageren Modus betrieben wird, und die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50) betreibt, so dass die Temperatur des Kühlwassers, welches durch den Maschinenkopf (2) strömt, einen zweiten Temperaturbereich erreicht, der ein niedrigerer Temperaturbereich als der erste Temperaturbereich ist, wenn die Verbrennungsmaschine in dem stöchiometrischen Modus betrieben wird, undwobei die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie durchführt:einen von einem ersten Betrieb, um die variable Ventilvorrichtung (15) zu betreiben, um so die Schließzeit des Einlassventils (14) zu verzögern, einem zweiten Betrieb, um die Ölstrahlvorrichtung (130) zu betreiben, um so einen Ölstrahlbetrag zu erhöhen, und einem dritten Betrieb, um die EGR Vorrichtung (100) zu betreiben, um einen EGR Betrag zu erhöhen, wenn ein Klopfen erfasst wird, nachdem ein Wechseln von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus gestartet wird;einen von den anderen zwei Betrieben durchführt, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem ein Betrieb von dem ersten bis dritten Betrieb durchgeführt worden ist;einen letzten Betrieb durchführt, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem zwei Betriebe von dem ersten bis dritten Betrieb durchgeführt worden sind; undeine Zündzeit von einer MBT Zündzeit verzögert, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem alle der Betriebe von dem ersten bis dritten Betrieb durchgeführt worden sind.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsmaschine, und insbesondere eine Verbrennungsmaschine, welche in Abhängigkeit mit einem Betriebsbereich zwischen einem stöchiometrischen Modus, in dem die Maschine einen Betrieb bei dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchführt, und einem mageren Modus wechselt, in dem die Maschine den Betrieb bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchführt, welches magerer an Kraftstoff als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Stand der Technik
Die JP 2003 - 239 747 A offenbart eine Technik um Klopfen zu verhindern. Gemäß der in der JP 2003 - 239 747 A offenbarten Technik wird ein Klopfindex, welcher eine Leichtigkeit in dem Auftreten des Klopfens in einer Verbrennungsmaschine anzeigt, in Verbindung mit Betriebsbedingungen gespeichert, und die Strömungsrate von Kühlwasser wird auf Basis des Klopfindexes, welcher in Verbindung mit Betriebsbedingungen ermittelt wird, gesteuert.
Es sei angemerkt, dass zusätzlich zu der oben beschriebenen Patentliteratur, auch die JP 2011- 149 313 A sowie die JP 2016- 6 305 A und ähnliche als Beispiele für Literatur, welche den Stand der Technik zu dem Zeitpunkt des Einreichens der vorliegenden Anmeldung beschreiben, genannt werden können.
Zudem offenbart die DE 199 51 362 A1 ein Verfahren zur Regelung der Kühlwassertemperatur eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, bei dem mindestens ein weiterer Sensor, beispielsweise ein Klopfsensor, oder ein Fahrzeugsteuergerät zur Bestimmung der Kühlwassertemperatur verwendet wird. Ein Steuergerät ermittelt aus den zugeführten Signalen einen Sollwert unter Berücksichtigung des Klopfverhaltens mittels einer Regelschleife. Die geregelte Solltemperatur wird dabei von einem Motorsteuergerät verwendet, um den Zündwinkel beispielsweise auf vorzuverstellen. Aus der DE 10 2010 033 005 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem zumindest im Magerbereich mit Magerbetriebsarten gleichzeitig eine interne Abgasrückführung und eine externe Abgasrückführung durchgeführt werden und bei dem im Magerbereich eine Abgasrückführrate der externen Abgasrückführung mit zunehmender Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine erhöht wird.
Die DE 10 2011 081 088 A1 offenbart weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Motors einschließlich eines Ölinjektors, der Öl auf einen Kolben des Motors sprüht, das ein Einstellen der Öleinspritzung als Reaktion auf Anzeichen für Frühzündung umfasst. Aus der DE 10 2006 045 422 A1 ist schließlich eine Brennkraftmaschine für ein ottomotorisches Brennverfahren mit Magerbetrieb entnehmbar, wobei die Brennkraftmaschine bei Vollast mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und im Betriebsbereich der Brennkraftmaschine unterhalb der Vollast mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird und beim Betrieb der Brennkraftmaschine in zumindest einem Teillastbereich des Betriebsbereiches dem Luft-Kraftstoff-Gemisch ein Kühlmittel zugegeben wird.
Kurzfassung der Erfindung
Im Übrigen wird die Wandflächentemperatur der Einlassseite einer Brennkammer durch die niedrige Temperatur der Ansaugluft, welche durch eine Einlassöffnung strömt, daran gehindert anzusteigen. Dagegen steigt die Wandflächentemperatur der Auslassseite der Brennkammer leicht an, da Abgas bzw. Auslassgas, welches durch eine Auslassöffnung strömt, eine hohe Temperatur aufweist. Um ein Klopfen zu verhindern ist es daher insbesondere notwendig, die Wandflächentemperatur der Auslassseite der Brennkammer an einem Steigen zu hindern. Daher ist es notwendig, die Temperatur des Kühlwassers, welches durch die Auslassseite eines Maschinenkopfes bzw. Zylinderkopfes strömt, in geeigneter Weise einzustellen.
Die Temperatur des Kühlwassers, welches durch die Auslassseite des Maschinenkopfes strömt, weist einen optimalen Wert für jeden Betriebsmodus der Verbrennungsmaschine auf. In einem stöchiometrischen Modus, in dem der Betrieb bei dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, ist eine optimale Temperatur eine Temperatur, bei welcher ein Klopfen verhindert wird. In einem mageren Modus jedoch, in dem ein Betrieb bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, welches magerer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, ist es notwendig, dass der Betrag bzw. die Menge an unverbrannten HC, das von der Verbrennungsmaschine ausgegeben wird, zu verringern als ein Klopfen zu unterdrücken. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Temperatur des Abgases nicht hoch wird, da die Verbrennungstemperatur in dem mageren Modus niedrig ist, wodurch die Reinigungsleistung eines Katalysators nur schwer ausreichend erreicht wird. Die optimale Temperatur von Kühlwasser zum Verringern der Emission an unverbrannten HC ist niedriger als die optimale Temperatur von Kühlwasser, um ein Klopfen zu verhindern. Daher wird bevorzugt, die Kühlwassertemperatur (Temperatur des Kühlwassers, welches durch die Auslassseite des Maschinenkopfes strömt) im mageren Modus höher einzustellen, als die Kühlwassertemperatur in dem stöchiometrischen Modus.
Wenn eine Unterscheidung der Kühlwassertemperatur zwischen dem mageren Modus und dem stöchiometrischen Modus wie oben getroffen wird, ist es notwendig, die Kühlwassertemperatur in Abhängigkeit mit der Änderung des Betriebsmodus zu ändern. Bis heute kann ein Erhöhen der Kühlwassertemperatur unmittelbar erfolgen, während ein Verringern der Kühlwassertemperatur Zeit in Anspruch nimmt. Daher ist es wahrscheinlich, dass zu dem Zeitpunkt eines Wechsels von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus ein Klopfen durch die Verzögerung der Verringerung in der Kühlwassertemperatur auftritt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben beschriebene Problem entwickelt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungsmaschine zu schaffen, welche in Abhängigkeit mit dem Wechsel von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus die Temperatur des Kühlwassers von einer optimalen Temperatur für den mageren Modus auf eine optimale Temperatur für den stöchiometrischen Modus wechseln kann, während ein Klopfen verhindert wird. Diese Aufgabe wird gelöst mit der Verbrennungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Verbrennungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verbrennungsmaschine, welche konfiguriert ist, um zwischen einem stöchiometrischen Modus, in dem ein Betrieb bei einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, und einem mageren Modus, in dem ein Betrieb bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, das magerer an Kraftstoff ist als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, zu wechseln, und die nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen enthält.
Die Verbrennungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: eine variable Ventilvorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Schließzeit eines Einlassventils zu variieren; eine Ölstrahlvorrichtung, die konfiguriert ist, um Öl in Richtung einer Hinterseite eines Kolbens auszustoßen; eine EGR Vorrichtung, die konfiguriert ist, um einen Teil von Abgas zu einer Einlasspassage zu zirkulieren; eine Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Temperatur von Kühlwasser anzupassen, das durch eine Auslassseite eines Maschinenkopfs strömt; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um zumindest die variable Ventilvorrichtung, die Ölstrahlvorrichtung, die EGR Vorrichtung und die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung zu betreiben. Die Steuervorrichtung ist derart konfiguriert, dass sie die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung betreibt, so dass die Temperatur des Kühlwassers, welches den Maschinenkopf durchströmt, einen erste Temperaturbereich erreicht, wenn die Verbrennungsmaschine in dem mageren Modus betrieben wird, und die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung betreibt, so dass die Temperatur des Kühlwassers, welches durch den Maschinenkopf strömt, einen zweiten Temperaturbereich erreicht, der ein niedrigerer Temperaturbereich als der erste Temperaturbereich ist, wenn die Verbrennungsmaschine in dem stöchiometrischen Modus betrieben wird. Zudem ist die Steuervorrichtung derart konfiguriert, dass sie irgendeinen von einem ersten Betrieb, um die variable Ventilvorrichtung zu betreiben, um so die Schließzeit des Einlassventils zu verzögern, einem zweiten Betrieb, um die Ölstrahlvorrichtung zu betreiben, um so einen Ölstrahlbetrag zu erhöhen, und einem dritten Betrieb durchführt, um die EGR Vorrichtung zu betreiben, um einen EGR Betrag zu erhöhen, wenn ein Klopfen erfasst wird, nachdem ein Wechseln von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus gestartet wurde.
Gemäß dieser Konfiguration wird die Temperatur des Kühlwassers, welches den Maschinenkopf durchströmt, in Abhängigkeit mit einem Wechsel von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus gesenkt, und selbst wenn zu diesem Zeitpunkt ein Klopfen auftritt, wird ein Klopfen durch ein Durchführen irgendeines von dem ersten bis dritten Betrieb verhindert. Wenn der erste Betrieb durchgeführt wird, wird genauer ein aktuelles Verdichtungsverhältnis durch Verzögern der Schließzeit des Einlassventils verringert, wodurch eine Zylindertemperatur sinkt. Im Ergebnis wird ein Klopfen verhindert. Wenn der zweite Betrieb durchgeführt wird, wird ein Kühlen des Kolbens und der Zylinderwandfläche, an welcher der Kolben gleitet, um den Betrag des Öls verbessert, welches in Richtung der Hinterfläche des Kolben ausgestoßen bzw. geleitet wird, wodurch ein Klopfen verhindert wird. Wenn der dritte Betrieb durchgeführt wird, wird eine Verbrennung verlangsamt, indem der EGR Betrag erhöht wird, wodurch ein Klopfen verhindert wird.
Der erste Temperaturbereich kann ein Temperaturbereich sein, welcher durch einen Fehlerbereich, der mittig um eine erste Temperatur ausgebildet ist, definiert wird, wobei der Fehler auf null eingestellt werden kann. Der zweite Temperaturbereich kann ein Temperaturbereich sein, in dem eine zweite Temperatur, die eine niedrigere Temperatur als die erste Temperatur ist, auf einen oberen Grenzwert eingestellt wird. Dabei kann die Steuervorrichtung derart konfiguriert sein, dass sie die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung derart betreibt, dass die Temperatur des Kühlwassers, welches den Maschinenkopf passiert bzw. durchströmt, die erste Temperatur wird, wenn die Verbrennungsmaschine in dem mageren Modus betrieben wird, und, um die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung derart zu betreiben, dass die Temperatur des Kühlwassers, welches den Maschinenkopf passiert bzw. durchströmt, gleich oder niedriger der zweiten Temperatur wird, die eine niedrigere Temperatur als die erste Temperatur ist, wenn die Verbrennungsmaschine in dem stöchiometrischen Modus betrieben wird.
Die Steuervorrichtung kann derart konfiguriert sein, dass sie irgendeinen von den anderen zwei Betrieben durchführt, wenn ein Klopfen immer noch erfasst wird, nachdem ein Betrieb des ersten bis dritten Betriebs, wie oben, durchgeführt worden ist. D.h., wenn ein Klopfen nicht vollständig durch ein Durchführen eines Betriebs verhindert worden ist, kann ein anderer Betrieb zusätzlich durchgeführt werden. Wenn beispielsweise ein Klopfen nach dem Durchführen des ersten Betriebs erfasst wird, kann der zweite Betrieb oder der dritte Betrieb durchgeführt werden. Demzufolge wird eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienzleistung im Vergleich zu einem Fall verhindert, in dem zwei Betriebe zur gleichen Zeit von Anfang an durchgeführt worden sind.
Zudem kann die Steuervorrichtung derart konfiguriert sein, dass sie einen letzten Betrieb durchführt, wenn ein Klopfen immer noch erfasst wird, nachdem zwei Betriebe von dem erste bis dritten Betrieb, wie oben, durchgeführt worden sind. D.h., wenn ein Klopfen nicht vollständig durch ein Durchführen von zwei Betrieben verhindert worden ist, kann ein letzter Betrieb zusätzlich durchgeführt werden. Wenn ein Klopfen beispielsweise erfasst wird, nachdem der erste Betrieb durchgeführt worden ist, kann der zweite Betrieb durchgeführt werden, und wenn ein Klopfen immer noch erfasst wird, nachdem der zweite Betrieb durchgeführt worden ist, kann der dritte Betrieb weiter durchgeführt werden. Demzufolge wird eine Verschlechterung in der Kraftstoffeffizienzleistung im Vergleich mit einem Fall verhindert, in dem mehrere Betriebe zur gleichen Zeit von Anfang an durchgeführt worden sind.
Zudem kann die Steuervorrichtung derart konfiguriert sein, dass sie eine Zündzeit von einer MBT Zündzeit verzögert, wenn ein Klopfen immer noch erfasst wird, nachdem alle Betriebe des ersten bis dritten Betriebs durchgeführt worden sind. D.h., wenn ein Klopfen nicht vollständig durch das Durchführen aller Betriebe verhindert worden ist, kann eine Zündzeit von einer MBT Zündzeit verzögert werden. Demzufolge wird ein Klopfen sicher am Ende verhindert und eine Verschlechterung in der Kraftstoffeffizienzleistung wird im Vergleich mit einem Fall verhindert, in dem eine Zündzeit von Anfang an verzögert wird.
Wenn jedoch das Verhindern des Klopfens eine hohe Priorität aufweist, kann ein Verzögern einer Zündzeit von einer MBT Zündzeit ausgewählt werden, wenn ein Klopfen immer noch erfasst wird, nachdem zwei Betriebe des ersten bis dritten Betriebs durchgeführt worden sind. Wenn das Verhindern des Klopfens eine sehr hohe Priorität aufweist, kann ein Verzögern einer Zündzeit von einer MBT Zündzeit ausgewählt werden, wenn ein Klopfen immer noch erfasst wird, nachdem ein Betrieb des ersten bis dritten Betriebs durchgeführt worden ist.
Gemäß der Verbrennungsmaschine der vorliegenden Erfindung ist es wie oben beschrieben möglich, in Abhängigkeit eines Wechsels von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus die Temperatur des Kühlwassers von einer optimalen Temperatur für den mageren Modus auf eine optimale Temperatur für den stöchiometrischen Modus zu variieren, während ein Klopfen verhindert wird.
Figurenliste

1 ist ein konzeptuelles Diagramm, welches die Gesamtkonfiguration einer Verbrennungsmaschine einer Ausführungsform darstellt;
2 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration um eine Brennkammer der Verbrennungsmaschine der Ausführungsform darstellt;
3 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung und einer Zündzeitsteuerung der Ausführungsform;
4 ist eine Ansicht, die ein Bild eines Kennfeldes darstellt, in dem jeweilige Sollwerte für die Ansauglufttemperatur und eine Maschinenwassertemperatur mit einer Maschinendrehzahl und einem Drehmoment in Zusammenhang gebracht werden;
5 ist ein Flussdiagramm, welches einen Steuerablauf einer Übergangsklopfsteuerung der Ausführungsform darstellt; und
6 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Beispiel von Betrieben der Verbrennungsmaschine darstellt, wenn die Klopfsteuerung mit einer Ansaugtemperatursteuerung und einer Maschinenwassertemperatursteuerung ausgeführt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
Gesamtkonfiguration der Verbrennungsmaschine
1 ist ein konzeptuelles Diagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Verbrennungsmaschine einer Ausführungsform darstellt. Eine Verbrennungsmaschine (nachfolgend vereinfacht als „Maschine“) 1 bezeichnet, enthält einen Maschinenblock bzw. Motorblock 3 und einen Motorkopf bzw. Zylinderkopf 2, welcher über einer nicht dargestellten Dichtung an dem Maschinenblock 3 angeordnet ist.
Eine Ansaugpassage bzw. Einlasspassage 70 und eine Auslasspassage 80 sind mit dem Maschinenkopf 2 verbunden. Ein Kompressor 92, ein Zwischenkühler 72 und eine elektronisch gesteuerte Drossel 74 sind in der Reihenfolge der Ansaugpassage 70 von der stromaufwärtigen Seite dieser in Richtung des Maschinenkopfs 2 angeordnet. In der Ansaugpassage 70 ist an der stromabwärtigen Seite relativ zu der Drossel 74 ein AnsaugluftTemperatursensor 76 zum Messen der Temperatur einer Ansaugluft installiert, welche in den Motorkopf 2 eingeleitet wird. In der Auslasspassage 80 sind eine Turbine 94 und ein Drei-Wege-Katalysator 82 in dieser Reihenfolge stromabwärts in einer Richtung von dem Motorkopf 2 angeordnet. Ein nicht dargestellter NOx-Speicher-Reduktions-Katalysator (NSR) und ein Selektiv-Reduktions-Katalysator (SCR) sind in der Reihenfolge bei Positionen angeordnet, welcher noch weiter stromabwärts in der Auslasspassage 80 liegen.
Der Kompressor 92 und die Turbine 94 bilden einen Turbolader 90. Der Kompressor 92 und die Turbine 94 sind durch eine Rotationswelle 96 verbunden, welche rotierbar von einem Lager 98 gelagert wird, und rotieren als ein Körper. Obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, sind eine Turbinenumgehungspassage, welche die Turbine 94 umgeht und ein Ladedrucksteuerventil bzw. Bypassventil, welches die Turbinenumgehungspassage öffnet und schließt, in der Auslasspassage 80 ausgebildet.
Die Maschine 1 enthält eine EGR Vorrichtung 100, welche einen Anteil des Abgases von der Auslasspassage 80 zu der Ansaugpassage 70 rezirkuliert. Die EGR Vorrichtung 100 ist durch eine EGR Passage 102, einen EGR Kühler 104 und ein EGR Ventil 106 gebildet. Die EGR Passage 102 verbindet die Auslasspassage 80 an einer Position, die stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 82 liegt, mit der Ansaugpassage 70 an einer Position, die stromaufwärts des Kompressors 92 liegt. Der EGR Kühler 104 ist in der EGR Passage 102 ausgebildet und kühlt Abgas (EGR Gas), welches durch die EGR Passage 102 strömt. Das EGR Ventil 106 ist in der EGR Passage 102 an einer Position ausgebildet, welche stromabwärts des EGR Kühlers 104 in der Richtung des Strömung des EGR Gases liegt.
Die Maschine 1 enthält zwei Kühlsysteme 30 und 50, welche den Hauptkörper und die Bestandteile der Maschine 1 kühlen. Die Kühlsysteme 30 und 50 sind jeweils derart als ein geschlossener Kreislauf konfiguriert, in dem Kühlwasser zirkuliert, und die Temperatur des Kühlwassers, welches in dem Kühlsystem 30 zirkuliert, und die Temperatur des Kühlwassers, welche in dem Kühlsystem 50 zirkuliert, können sich voneinander unterscheiden. Nachfolgend wird das Kühlsystem 30, in dem Kühlwasser einer vergleichsweise niedrigen Temperatur zirkuliert wird, als „LT Kühlsystem“ bezeichnet und das Kühlsystem 50, in dem Kühlwasser einer vergleichsweise hohen Temperatur zirkuliert wird, wird als „HT Kühlsystem“ bezeichnet. Kühlwasser, welches durch einen Kreislauf in dem LT Kühlsystem 30 zirkuliert, wird als „LT Kühlwasser“ bezeichnet, und Kühlwasser, welches durch einen Kreislauf in dem HT Kühlsystem 50 zirkuliert, wird als „HT Kühlwasser“ bezeichnet. In 1 werden Strömungskanäle (nachfolgend als „LT Strömungskanäle“ bezeichnet) für das LT Kühlwasser, welche das LT Kühlsystem 30 bilden, durch doppelte Linien abgebildet, und Strömungskanäle (nachfolgend als „HT Strömungskanäle“ bezeichnet) für das HT Kühlwasser, welche das HT Kühlsystem 50 bilden, durch doppelte gestrichelte Linien abgebildet. Es sei angemerkt, dass „LT“ eine Abkürzung für „Niedertemperatur“ und „HT“ eine Abkürzung für „Hochtemperatur“ ist.
Das LT Kühlsystem 30 enthält einen ersten LT Strömungskanal 32 bis zu einem vierten LT Strömungskanal 38, welche einen Zirkulationskreislauf für das LT Kühlwasser bilden, und eine elektrische Wasserpumpe 46, um das LT Kühlwasser zum Zirkulieren zu bringen. Der erste LT Strömungskanal 32 passiert das Innere des Zwischenkühlers 72, der zweite LT Strömungskanal 34 passiert die Ansaugseite in dem Maschinenkopf 2 und der dritte LT Strömungskanal 36 passiert das Lager 98 des Turboladers 90. Beide Enden von jedem des ersten LT Strömungskanals 32 bis zu dem dritten LT Strömungskanal 36 sind parallel mit beiden Enden des vierten LT Strömungskanals 38 verbunden. Ein Radiator 40 ist in dem vierten LT Strömungskanal 38 angeordnet. Der vierte LT Strömungskanal 38 bildet einen Kreislauf, in dem LT Kühlwasser zirkuliert, mit jedem von dem ersten LT Strömungskanal 32 bis zu dem dritten LT Strömungskanal 36. Die elektrische Wasserpumpe 46 ist stromabwärts des Radiators 40 in dem vierten LT Strömungskanal 38 ausgebildet. Die Auslassrate der elektrischen Wasserpumpe 46, d.h. die Strömungsrate des LT Kühlwasser, welche in dem Kreislauf zirkuliert, kann beliebig durch Anpassen der Ausgabe eines Motors verändert werden.
Das LT Kühlwasser, das durch den ersten LT Strömungskanal 32 strömt, tauscht Wärme im Inneren des Zwischenkühlers 72 mit Ansaugluftaus, welche den Zwischenkühler 72 passiert. Der zweite LT Strömungskanal 34 ist derart ausgebildet, so dass er die Umgebung bzw. Nähe einer Ansaugöffnung (vorzugsweise, um die Ansaugöffnung zu umgeben) von jedem Zylinder in dem Maschinenkopfs 2 bzw. Zylinderkopf 2 passiert. Das LT Kühlwasser, das durch den zweiten LT Strömungskanal 34 strömt, tauscht Wärme über den Maschinenkopf 2 mit Ansaugluft aus, die durch die Ansaugöffnungen strömt. Wenn die Temperatur des LT Kühlwassers niedriger als die Temperatur der Ansaugluft ist, wird die Ansaugluft durch den Wärmeaustausch gekühlt, während die Ansaugluftdurch den Wärmeaustausch erwärmt wird, falls die Temperatur des LT Kühlwassers höher als die Temperatur der Ansaugluft ist. Die Temperatur der Ansaugluft, welche eine Brennkammer erreicht, wird in Abhängigkeit mit der Temperatur des LT Kühlwassers durch den Wärmeaustausch an diesen Stellen angepasst. Das LT Kühlwasser, das durch den dritten LT Strömungskanal 36 strömt, tauscht Wärme mit dem Lager 98 des Turboladers 90 aus, wodurch ein Überhitzen des Lagers 98 verhindert wird.
Es sei angemerkt, dass, obwohl in der vorliegenden Ausführungsform der erste LT Strömungskanal 32 und der zweite LT Strömungskanal 34 parallel verbunden sind, der erste LT Strömungskanal 32 und der zweite LT Strömungskanal 34 in Reihe verbunden werden können. D.h., ein Strömungskanal kann derart ausgebildet sein, dass LT Kühlwasser, welches den Zwischenkühler 72 passiert, durch die Ansaugseite bzw. Einlassseite in den Maschinenkopf 2 strömt. Ähnlich kann der dritte LT Strömungskanal 36, welcher das Lager 98 passiert, auch in Reihe mit dem erste LT Strömungskanal 32 oder dem zweiten LT Strömungskanal 34 verbunden sein.
Das HT Kühlsystem 50 enthält einen ersten HT Strömungskanal 52 bis zu einem sechsten HT Strömungskanal 62, die einen Zirkulationskreislauf für das HT Kühlwasser bilden, eine elektrische Wasserpumpe 64, um das HT Kühlwasser zu einem Zirkulieren zu veranlassen, und ein multifunktionales Ventil 66 um die Strömung des HT Kühlwassers im Inneren des Zirkulationskreislaufs zu steuern. Der erste HT Strömungskanal 52 passiert die Auslassseite im Inneren des Maschinenkopfs 2, und der zweite HT Strömungskanal 54 passiert das Innere des Maschinenblocks 3. Der erste HT Strömungskanal 52 und der zweite HT Strömungskanal 54 sind jeweils mit separaten Ansauganschlüssen des multifunktionalen Ventils 66 verbunden.
Das multifunktionale Ventil 66 weist zwei Ansauganschlüsse und vier Auslassanschlüsse auf. Die Konfiguration des multifunktionalen Ventils 66 wird später im Detail beschrieben werden. Der dritte HT Strömungskanal 56 bis zum sechsten HT Strömungskanal 62 sind mit den vier Auslassanschlüssen des multifunktionalen Ventils 66 verbunden. Ein Radiator 60 ist in dem dritten HT Strömungskanal 56 angeordnet. Der vierte HT Strömungskanal 58 passiert das Innere des Zwischenkühlers 72. Der fünfte HT Strömungskanal 59 passiert das Innere des EGR Kühlers 104. Der sechste HT Strömungskanal 62 umgeht den Radiator 60, den Zwischenkühler 72 und den EGR Kühler 104. Der dritte HT Strömungskanal 56 bis zum sechsten HT Strömungskanal 62 sind mit einer Ansaugöffnung der elektrischen Wasserpumpe 64 verbunden. Der erste HT Strömungskanal 52 und der zweite HT Strömungskanal 54 sind mit einer Auslassöffnung der elektrischen Wasserpumpe 64 verbunden. Ein Kreislauf, in dem das HT Kühlwasser zirkuliert, ist durch den ersten HT Strömungskanal 52 und den zweiten HT Strömungskanal 54 und durch den dritten HT Strömungskanal 56 bis zu dem sechsten HT Strömungskanal 62 gebildet. Die Strömungsrate des HT Kühlwassers, das im Inneren der Kreisläufe zirkuliert, kann beliebig durch Anpassen der Ausgabe eines Motors der elektrischen Wasserpumpe 64 verändert werden.
Aus den Strömungskanälen, welche die Zirkulationskreisläufe für das HT Kühlwasser bilden, sind die Strömungskanäle, in welchen ein Wärmeaustausch mit dem Hauptkörper oder Bestandteilen der Maschine 1 durchgeführt werden, der erste HT Strömungskanal 52, der zweite HT Strömungskanal 54, der vierte HT Strömungskanal 58 und der fünfte HT Strömungskanal 59. Der erste HT Strömungskanal 52 ist derart ausgebildet, so dass er die Nähe der Wandfläche an der Auslassseite der Brennkammer von jedem Zylinder in dem Maschinenkopf 2 passiert. Im Gegensatz zu dem zuvor genannten zweiten LT Strömungskanal 34, welcher lokal in der Nähe der Ansaugöffnungen ausgebildet ist, ist der erste HT Strömungskanal 52 derart ausgebildet, so dass er den gesamten Maschinenkopf 2 passiert und schließlich zu der Außenseite des Maschinenkopfs 2 von der Auslassseite hinausführt. Ein Maschinenwassertemperatursensor 68 zum Messen der Temperatur des HT Kühlwasser an einem Auslass von dem Maschinenkopf 2 ist in dem Auslass des ersten HT Strömungskanals 52 von dem Maschinenkopf 2 ausgebildet. Eine Temperatur, welche durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird, entspricht der Wandflächentemperatur an der Auslassseite der Brennkammer. Der zweite HT Strömungskanal 54 bildet einen Hauptteil eines Wassermantels, welcher die Umfangswände des Zylinders umgibt, die in dem Maschinenblock 3 gebildet sind, und führt ein Gesamtkühlen bezüglich der Umfangswände des Zylinders durch. Der vierte HT Strömungskanal 58 tauscht Wärme im Inneren des Zwischenkühlers 72 mit Ansaugluft aus, welche den Zwischenkühler 72 passiert. Im Gegensatz zu dem zuvor genannten ersten LT Strömungskanal 32, welcher an der stromabwärtigen Seite in der Strömungsrichtung der Ansaugluft im Inneren des Zwischenkühlers 72 ausgebildet ist, ist der vierte HT Strömungskanal 58 an der stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung der Ansaugluft im Inneren des Zwischenkühler 72 ausgebildet. D.h., in dem Zwischenkühler 72 wird zuerst ein Wärmeaustausch zwischen dem HT Kühlwasser und der Ansaugluft durchgeführt. Der fünfte HT Strömungskanal 59 tauscht Wärme im Inneren des EGR Kühlers 104 mit dem EGR Gas aus, welches den EGR Kühler 104 passiert.
Das multifunktionale Ventil 66 reguliert ein Verhältnis zwischen den Strömungsraten des HT Kühlwassers, welches in die zwei Ansaugöffnungen strömt, d.h., ein Verhältnis zwischen dem HT Kühlwasser, das durch den ersten HT Strömungskanal 52 strömt und dem HT Kühlwasser, das durch den zweiten HT Strömungskanal 54 strömt, auf Basis der Temperatur des HT Kühlwassers in dem Zirkulationskreislauf (der Maschinenwassertemperatur, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird). Bei einem Zeitpunkt eines Kaltstarts beispielsweise, wenn die Temperatur des HT Kühlwassers niedrig ist, unterbricht das multifunktionale Ventil 66 eine Zirkulation von HT Kühlwasser durch den zweiten HT Strömungskanal 54, welche den Maschinenblock 3 passiert und lässt nur die Zirkulation von HT Kühlwasser durch den ersten HT Strömungskanal 52 zu, der den Maschinenkopf 2 passiert. Das multifunktionale Ventil 66 reguliert zudem ein Verhältnis zwischen den Strömungsraten des HT Kühlwassers, welches aus den vier Auslassöffnungen strömt, d.h., das Verhältnis zwischen dem HT Kühlwassers, welches durch den dritten HT Strömungskanal 56 strömt, das HT Kühlwasser, das durch den vierten HT Strömungskanal 58 strömt, das HT Kühlwasser, das durch den fünften HT Strömungskanal 59 strömt und das HT Kühlwasser, das durch den sechsten HT Strömungskanal 62 strömt, auf Basis der Temperatur des HT Kühlwassers. Bei einem Zeitpunkt eines Kaltstarts, wenn die Temperatur des HT Kühlwassers niedrig ist, schneidet beispielsweise das multifunktionale Ventil 66 eine Zirkulation durch den dritten HT Strömungskanal 56 ab, in dem der Radiator 60 angeordnet ist, und veranlasst das HT Kühlwasser dazu, durch den vierten HT Strömungskanal 58 oder sechsten HT Strömungskanal 62 zu zirkulieren.
Die Maschine 1 enthält eine Steuervorrichtung 120. Die Steuervorrichtung 120 steuert den Betrieb der Maschine 1 durch Steuern verschiedener Vorrichtungen und Aktuatoren, die in der Maschine 1 enthalten sind. Die Steuervorrichtung 120 ist eine ECU (elektronische Steuereinheit), die zumindest eine CPU, zumindest einen ROM und zumindest einen RAM aufweist. Die Steuervorrichtung 120 kann jedoch durch eine Mehrzahl von ECUs ausgebildet sein. Verschiedene Funktionen, welche die Maschinensteuerung betreffen, werden in der Steuervorrichtung 120 realisiert, indem ein Programm, das in dem ROM gespeichert wird, auf dem RAM geladen wird, und das Programm mit der CPU ausgeführt wird.
Betrieb des Kühlsystems
Die Ziele des Betriebs durch die Steuervorrichtung 120 enthalten die zwei Kühlsysteme 30 und 50. Betriebe der zwei Kühlsysteme 30 und 50 werden durchgeführt, um die Temperatur von Ansaugluft, welche von der Ansaugpassage 70 dem Maschinenkopf 2 zugeführt wird und in die Brennkammern eintritt, zu steuern. D.h. die Steuervorrichtung 120 betreibt die Kühlsystems 30 und 50, indem die Temperatur der Ansaugluft, welche in eine Brennkammer einströmt, als eine erste zu steuernde Variable (Zustandsgröße, die gesteuert wird) verwendet wird.
Wenn die Ansauglufttemperatur eine hohe Temperatur ist, beispielsweise während des Turboladens durch den Turbolader 90, betreibt die Steuervorrichtung 120 die Kühlsysteme 30 und 50, um so die Ansaugluft mittels des Zwischenkühlers 72 zu kühlen. Noch genauer betreibt die Steuervorrichtung 120 die elektrische Wasserpumpe 46 des LT Kühlsystems 30, um so die Strömungsrate des LT Kühlwassers anzupassen, das durch den ersten LT Strömungskanal 32 strömt und betreibt auch das multifunktionale Ventil 66 des HT Kühlsystems 50, um so die Zirkulation zu dem vierten HT Strömungskanal 58 des HT Kühlwassers zu unterbrechen, welches eine hohe Temperatur aufweist (HT Kühlwasser, welches nicht bei dem Radiator 60 gekühlt worden ist), welches von dem Maschinenkopf 2 oder dem Maschinenblock 3 ausgeströmt ist. Durch diese Betriebe wird der Betrag des Kühlens der Ansaugluft, welche durch den Zwischenkühler 72 strömt, in Abhängigkeit mit einem Erhöhen oder Verringern der Strömungsrate des LT Kühlwassers, welches durch den ersten LT Strömungskanal 32 strömt, erhöht oder verringert, wodurch die Temperatur der Ansaugluft angepasst wird. Es sei angemerkt, dass, wenn die Ansaugluft, welche bei dem Zwischenkühler 72 gekühlt wurde, auch durch einen Wärmetausch mit dem LT Kühlwasser gekühlt wird, das durch den zweiten LT Strömungskanal 34 strömt, wenn sie durch die Ansaugöffnung in dem Maschinenkopf 2 strömt.
Wenn dagegen die Ansauglufttemperatur niedrig ist, wie etwa bei dem Zeitpunkt eines Kaltstarts, betreibt die Steuervorrichtung 120 das multifunktionale Ventil 66 des HT Kühlsystems 50, um so eine Zirkulation von HT Kühlwasser zu dem vierten HT Strömungskanal 58 zuzulassen. Ansaugluft, welche den Zwischenkühler 72 passiert, wird durch das HT Kühlwasser erhitzt, welches eine hohe Temperatur aufweist, das durch den vierten HT Strömungskanal 58 strömt, und Ansaugluft, deren Temperatur auf diese Weise erhöht wurde, strömt aus dem Zwischenkühler 72 aus. Wie bei dem Betrieb bezüglich des LT Kühlsystems 30, hält die Steuervorrichtung 120 die elektrische Wasserpumpe 46 an, um die Strömung von LT Kühlwasser (LT Kühlwasser, das eine niedrige Temperatur aufweist, welches bei dem Radiator 40 gekühlt worden ist) zu dem ersten LT Strömungskanal 32 zu unterbrechen. Durch diese Betriebe wird der Betrag des Erwärmens der Ansaugluft, welche den Zwischenkühler 72 passiert, erhöht oder verringert in Abhängigkeit mit einem Erhöhen oder Verringern in der Strömungsrate des HT Kühlwassers, das durch den vierten HT Strömungskanal 58 strömt, wodruch die Temperatur der Ansaugluft angepasst wird.
Die Steuervorrichtung 120 führt auch einen Betrieb des HT Kühlsystems 50 durch, wobei die Temperatur des Kühlwassers, welches durch die Auslassseite des Maschinenkopfs 2 strömt (nachfolgend wird diese Temperatur auch als „Maschinenwassertemperatur“ bezeichnet) als zweite Steuervariable verwendet wird. Die Temperatur des Kühlwassers, welches durch die Auslassseite des Maschinenkopfs 2 strömt, wird durch eine Temperatur dargestellt, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 dargestellt wird, der an dem Auslass des Maschinenkopfs 2 ausgebildet ist. Falls ein Unterschied zwischen der Temperatur vorliegt, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird, und einer Solltemperatur, betreibt die Steuervorrichtung 120 die elektrische Wasserpumpe 64, um die Strömungsrate von HT Kühlwasser anzupassen, das durch den ersten HT Strömungskanal 52 strömt und betreibt auch das multifunktionale Ventil 66, um das Verhältnis des HT Kühlwassers anzupassen, das zu dem dritten HT Strömungskanal 56 strömt und bei dem Radiator 60 gekühlt wird. Durch diese Betriebe wird die Temperatur des Kühlwassers, welches durch die Auslassseite des Maschinenkopfs 2 strömt in Abhängigkeit mit einem Erhöhen oder Verringern der Strömungsrate des HT Kühlwassers, das durch den ersten HT Strömungskanal 52 strömt, oder in Abhängigkeit mit einem Erhöhen und Verringern in dem Verhältnis von HT Kühlwasser, das bei dem Radiator 60 gekühlt wird, angepasst.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird in der Maschine 1 ein Betrieb des HT Kühlsystems 50 durchgeführt, indem die Temperatur von Kühlwasser, welches durch die Auslassseite des Maschinenkopfs 2 strömt, als Steuervariable verwendet. Dieser Betrieb betrifft den Betrieb bezüglich einer „Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung“, die in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist. In dieser Ausführungsform entspricht das HT Kühlsystem 50 der „Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung“, die in Anspruch 1 beschrieben ist.
Konfiguration um die Brennkammer
Nachfolgend wird die Konfiguration um eine Brennkammer der Maschine 1 unter Verwendung von 2 beschrieben werden. In 2 werden Bestandteile, welche die Maschine 1 bilden, in einer Weise dargestellt, in welcher die Bestandteile auf eine einzelne Ebene projiziert werden, welche senkrecht zu einer Kurbelwelle. Die Maschine 1 ist eine Mehrzylindermaschine vom Fremdzündungstyp, der eine Mehrzahl von Zylindern 4 aufweist. Die Anzahl und Anordnung der Zylinder 4 ist nicht beschränkt. In jedem der Zylinder 4 des Maschinenblocks 3 ist ein Kolben 8 angeordnet, welcher sich in der axialen Richtung dieser hin und her bewegt. Eine Brennkammer 6 in der Form eines Pultdaches bzw. Rundpultdaches, welches ein oberer Raum des Zylinders 4 ist, ist an der Unterseite des Maschinenkopfs 2 gebildet.
Eine Ansaugöffnung 10 und eine Auslassöffnung 12, welche mit der Brennkammer 6 verbunden sind, sind in dem Maschinenkopf bzw. Zylinderkopf 2 gebildet. Ein Ansaugventil bzw. Einlassventil 14 ist an einem Öffnungsabschnitt ausgebildet, welcher zulässt, dass die Ansaugöffnung 10 mit der Brennkammer 6 kommuniziert. Ein Auslassventil 16 ist an einem Öffnungsabschnitt ausgebildet, welcher es zulässt, dass die Auslassöffnung 12 mit der Brennkammer 6 kommuniziert. Das Ansaugventil 14 wird durch eine variable Ventilvorrichtung (nachfolgend als „IN-WT“ bezeichnet) 15 angetrieben, welche eine Ventilöffnungscharakteristik von diesem ändern kann. Das Auslassventil 16 wird durch eine variable Ventilvorrichtung (nachfolgend als „EX-VVT“ bezeichnet) 17 betrieben, welche eine Ventilöffnungscharakteristik von diesen ändern kann. Das IN-VVT 15 ist derart ausgebildet, dass es zumindest die Schließzeit (nachfolgend als „IVC“ bezeichnet) des Ansaugventils 14 variieren kann, indem die Ventilzeit dieser variiert wird oder der Öffnungswinkel dieser variiert wird. Bezüglich des Verfahrens des Änderns der Ventilöffnungscharakteristik durch das EX-VVT 17 gibt es keine Beschränkung.
Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, gabelt sich die Ansaugöffnung 10 teilweise entlang ihrer Länge in der Richtung von einem Einlass, der in einer Seitenfläche des Maschinenkopfs 2 in Richtung des Öffnungsabschnitts gebildet ist, der mit der Brennkammer 6 kommuniziert bzw. verbunden ist. Ein Öffnungseinspritzventil 24, welches Kraftstoff in die Einlassöffnung 10 einspritzt, ist stromaufwärts von einem Abschnitt ausgebildet, an dem sich die Einlassöffnung 10 gabelt. An einem unteren Teil der Ansaugöffnung 10, welche zwischen den sich gabelnden Teilen der Ansaugöffnung 10 angeordnet ist, ist ein In-Zylinder-Einspritzventil 26, welches Kraftstoff in die Brennkammer 6 einspritzt, derart ausgebildet, dass die Spitze dieser der Brennkammer 6 gegenüberliegt. Eine Zündkerze 20 und ein Verbrennungsdrucksensor 22 zum Messen eines Verbrennungsdrucks sind in der Nähe des oberen Abschnitts der Brennkammer 6 ausgebildet.
Eine Ölstrahldüse 132 einer Ölstrahlvorrichtung 130 ist in dem Maschinenblock 3 installiert. Die Position und der Winkel der Ölstrahldüse 132 werden derart angepasst, so dass Öl in Richtung der Hinterfläche des Kolbens 8 geführt wird. Ein Ölverteiler 134, welcher Öl, das durch eine nicht dargestellte Ölpumpe zu der Ölstrahldüse 132 hochgepumpt wird, ist mit der Ölstrahldüse 132 verbunden. Der Ölverteiler 134 ist mit einem Ölsteuerventil (OCV) 136 ausgebildet, welches den Betrag von Öl steuert, das von der Ölstrahldüse 132 ausgeströmt bzw. ausgegeben wird (Menge pro Zeiteinheit, die nachfolgend als „Ölstahlbetrag“ bezeichnet wird).
Die Maschine 1 ist eine Maschine, die zwischen einem Betrieb in einem mageren Modus und einem Betrieb in einem stöchiometrischen Modus wechseln kann. In dem mageren Modus wird ein Betrieb in Abhängigkeit mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt, das mager im Kraftstoff ist (beispielsweise ein Luft-Kraftstoffverhältnis um 25), welches ein Betrieb unter Verwendung einer mageren Verbrennung ist, durch eine Öffnungseinspritzung bzw. Rohreinspritzung mit welcher ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das eine hohen Grad an Homogenität aufweist, erhalten wird oder durch eine Kombination einer Öffnungseinspritzung und einer In-Zylinder-Einspritzung, welche hauptsächlich die Öffnungseinspritzung verwendet. Noch genauer ist eine mager Verbrennung, welche mit der Maschine 1 realisiert wird, keine geschichtete magere Verbrennung, welche ein Luft-Kraftstoff-Gemisch-Schicht mit einer hohen Kraftstoffkonzentration an dem Umfang der Zündkerze 20 ausbildet, sondern ist eher eine homogene magere Verbrennung, welche ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einer homogenen Kraftstoffkonzentration über die Brennkammer 6 verteilt. Zudem wird in dem mageren Modus keine Einleitung von EGR Gas durch die EGR Vorrichtung 100 durchgeführt und eine magere Verbrennung wird durchgeführt, welche nur Frischluft verwendet. In dem stöchiometrischen Modus wird ein Betrieb gemäß des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt, d.h., ein Betrieb wird bei einer stöchiometrischen Verbrennung durch In-Zylinder-Einspritzung oder durch eine Kombination einer Öffnungseinspritzung und einer In-Zylinder-Einspritzung durchgeführt, welche hauptsächlich die In-Zylinder-Einspritzung verwendet. Der Begriff jedoch „Betrieb gemäß dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis“ bedeutet nicht, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei welchem der Betrieb durchgeführt wird, immer das genaue theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis sein muss. In der vorliegenden Beschreibung sind Betriebe, in welchen die betrieblichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisse etwas zu der fetten Seite oder der mageren Seite relativ zu dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweichen und Betriebe, in denen das betriebliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einer geringen Amplitude um das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis schwankt, in der Bedeutung des Terms „Betrieb gemäß dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis“ enthalten. Der stöchiometrische Modus wird in einem Betriebsbereich gewählt, in dem die Last relativ zu einem Betriebsbereich relativ hoch ist, in dem der magere Modus ausgewählt wird. In dem stöchiometrischen Modus der vorliegenden Ausführungsform, wird EGR durch die EGR Vorrichtung 100 ausgeführt. In der folgenden Beschreibung wird daher der stöchiometrische Modus, in dem EGR ausgeführt wird, insbesondere als „stöchiometrischer EGR Modus“ bezeichnet, um den Modus von dem mageren Modus zu unterscheiden, in dem EGR nicht ausgeführt wird.
Betriebe der Vorrichtungen und Aktuatoren zum Realisieren des mageren Modus und des stöchiometrischen EGR Modus werden durch die Steuervorrichtung 120 durchgeführt. Verbrennungsdruckdaten, die durch den Verbrennungsdrucksensor 22 erhalten werden, werden von der Steuervorrichtung 120 aufgenommen. Die Verbrennungsdruckdaten werden zusammen mit dem Kurbelwinkelsignalen verwendet, die von einem Kurbelwinkelsensor 122 aufgenommen werden, um eine Kraftstoffeinspritzbetragssteuerung und eine Zündzeitsteuerung durchzuführen, welche nachfolgend beschrieben werden. Auch ist ein Klopfsensor 124 mit der Steuervorrichtung 120 verbunden. Der Klopfsensor 124 wird an dem Maschinenblock 3 installiert und erfasst ein Klopfsignal (Signal einer bestimmten Frequenz, die auftritt, wenn ein Klopfen auftritt). Das Klopfsignal, welches durch den Klopfsensor 124 erfasst wird, wird zur Klopfsteuerung verwendet, um ein Klopfen zu verhindern. Jedoch wird der Klopfsensor 124 nicht unbedingt benötigt. Klopfen kann aus Verbrennungsdruckdaten erfasst werden, die durch den Verbrennungsdrucksensor 22 erhalten werden und das Klopfen, das aus den Verbrennungsdruckdaten erfasst wird, kann zur Klopfsteuerung verwendet werden. Die Details der Klopfsteuerung werden später beschrieben werden. Es sei angemerkt, wenn die Steuervorrichtung 120 durch eine Mehrzahl von ECUs gebildet ist, kann eine ECU, welche eine Kraftstoffeinspritzbetragssteuerung oder eine Zündzeitsteuerung durchführt, eine von einer ECU separate ECU sein, welche eine Ansauglufttemperatursteuerung oder eine Maschinenwassertemperatursteuerung durchführt, die oben beschrieben sind. Auch eine ECU, welche eine Klopfsteuerung durchführt, kann eine von diesen ECUs separate ECU sein.
Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung und Zündzeitsteuerung auf Basis von Verbrennungsdruckdaten
Während des Betriebs in dem mageren Modus führt die Steuervorrichtung 120 eine Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung und eine Zündzeitsteuerung auf Basis von Verbrennungsdruckdaten durch, die durch den Verbrennungsdrucksensor 22 erhalten werden. Nachfolgend werden die Details der Steuerung unter Verwendung von 3 beschrieben werden.
Die Steuervorrichtung 120 berechnet eine Wärmeabgabemenge Q in einem Zylinder bei einem beliebigen Kurbelwinkel θ in Abhängigkeit mit der Formel (1), welche die In-Zylinderdruckdaten verwendet, die durch den Verbrennungsdrucksensor 22 erhalten werden. Wo in der Formel (1) P einen In-Zylinder-Druck darstellt, stellt V ein In-Zylinder-Volumen und κ ein Verhältnis einer bestimmten Wärme von In-Zylinder-Gas dar. Zudem stellen P₀ und V₀ jeweils einen In-Zylinder-Druck und ein In-Zylinder-Volumen bei einem Berechnungsstartpunkt θ₀ dar (ein vordefinierter Kurbelwinkel während eines Kompressionshubs, welcher derart definiert ist, dass er einen Spielraum bezüglich eines angenommenen Verbrennungsstartpunkts enthält). $Q = \int P d V + \frac{1}{κ - 1} (P V - P_{0} V_{0})$
Nachdem die Wärmeabgabemenge Q bei jedem Kurbelwinkel θ einer vordefinierten Kurbelwinkeldauer berechnet worden ist, die eine Verbrennungsdauer enthält, wird anschließend der verbrannte Masseanteil (nachfolgend als „MFB“ bezeichnet) bei einem beliebigen Kurbelwinkel θ gemäß Formel (2) berechnet. In der Formel (2) gibt θ_sta einen Verbrennungsstartpunkt und θ_fin einen Verbrennungsendpunkt an. $M F B = \frac{Q (θ) - Q (θ_{S t a})}{Q (θ_{f i n}) - Q (θ_{S t a})}$
3 ist eine Ansicht, welche eine Wellenform von MFB im Hinblick auf die Kurbelwinkel darstellt, die gemäß der oben beschriebenen Formel (2) berechnet wurden. Eine Kurbelwinkelphase bis zu einem Kurbelwinkel CA10, bei welchem MFB 10% wird (nachfolgend wird diese Phase als „SA-CA10“ bezeichnet) nach der Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches wird bei einer Zündzeit SA durchgeführt, ist ein Parameter, welche eine Zündverzögerung darstellt und es ist bekannt, das eine hohe Korrelation zwischen SA-CA10 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches, welches verdichtet wird, besteht (insbesondere ein Grenz-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, bei dem eine magere Verbrennung möglich ist). Wenn der Kraftstoffeinspritzbetrag einer Rückkopplungssteuerung ausgesetzt ist, so dass SA-CA10 ein Sollwert wird, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis natürlich nahe dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (mageres Grenz-Luft-Kraftstoff-Verhältnis) eingestellt werden. In der Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung durch die Steuervorrichtung 120 wird der aktuelle SA-CA10 auf Basis der MFB Wellenform berechnet und der Kraftstoffeinspritzbetrag wird auf Basis einer Differenz zwischen einer Soll-SA-CA10 und der aktuellen SA-CA10 korrigiert. Es sei angemerkt, dass der Soll-SA-CA10 zumindest in Abhängigkeit mit der Maschinendrehzahl bevorzugt eingestellt wird, da sich die Zeitphase bzw. Zeitdauer pro Kurbelwinkel ändert, wenn sich die Maschinendrehzahl ändert.
Ein Kurbelwinkel CA50 bei einer Zeit, bei welcher MFB 50% wird, entspricht dem Verbrennungszentrum eines Schwerpunkts. Der Kurbelwinkel CA50 ändert sich in Abhängigkeit mit der Zündzeit SA. Wenn CA50 mit dem Verbrennungszentrum der Schwerpunktposition zu einem Zeitpunkt übereinstimmt, wenn das Moment, welches realisiert wird, das maximale Moment ist, kann festgehalten werden, dass die Zündzeit SA bei einem solchen Zeitpunkt MBT ist. In der Zündzeitsteuerung durch die Steuervorrichtung 120 wird der aktuelle CA50 auf Basis der MFB Wellenform berechnet und die Grundzündzeit wird auf Basis einer Differenz zwischen dem Soll-CA50 und dem aktuellen CA50 korrigiert. Das Soll CA50 wird auch vorzugsweise in Abhängigkeit mit zumindest der Maschinendrehzahl eingestellt.
Wie im Voranstehenden beschrieben ist, werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform SA-CA10 und CA50 auf Basis von Verbrennungsdruckdaten berechnet, die durch den Verbrennungsdrucksensor 22 erhalten wurden, und eine Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung wird auf Basis von SA-CA10 durchgeführt und die Zündzeitsteuerung wird auf Basis von CA50 durchgeführt. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung auf Basis von SA-CA10 während dem Betrieb in dem mageren Modus durchgeführt wird, obwohl die Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung auf Basis von SA-CA10 unabhängig des Betriebsmodus durchgeführt werden kann. Während dem Betrieb in dem stöchiometrischen EGR Modus wird die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungs-Steuerung auf Basis der Ausgabe eines nicht dargestellten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors oder eines Sauerstoffkonzentrationssensors durchgeführt.
Ansauglufttemperatursteuerung und Maschinenwassertemperatursteuerung
Die Kraftstoffeinspritzbetragssteuerung auf Basis von SA-CA10 basiert auf der Voraussetzung, dass eine starke bzw. hohe Korrelation zwischen SA-CA10 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis besteht. Die Temperatur jedoch der Ansaugluft, welche die Brennkammer 6 erreicht, hat einen Einfluss auf das Verhältnis zwischen SA-CA10 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Daher ist es notwendig, die Ansauglufttemperatur konstant zu halten, um die Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzbetragsteuerung auf Basis von SA-CA10 sicherzustellen. Da die Ansauglufttemperatur selbst jedoch ein Parameter ist, welcher die Verbrennung beeinflusst, ist es nicht der Fall, dass die Ansauglufttemperatur, welche als ein Ziel angepasst wird, jede Temperatur sein kann. Die Maschinenwassertemperatur (Temperatur von Kühlwasser, dass durch die Auslassseite des Maschinenkopfs 2 strömt), welche eine Steuervariable der Maschinenwassertemperatursteuerung ist, ist zudem auch ein Parameter, welcher die Verbrennung beeinflusst. Daher ist es zu bevorzugen, dass es auch in der Maschinenwassertemperatur ähnlich der Ansauglufttemperatur keine Fluktuationen bzw. Schwankungen gibt.
Aufgaben, welche bezüglich des mageren Modus und des stöchiometrischen EGR Modus bestehen, wenn das Einstellen der Ansauglauftemperatur und der Maschinenwassertemperatur, welche als Ziele verwendet werden, berücksichtigt werden, werden nachfolgend zusammengefasst und beschrieben.
Bezüglich des mageren Modus bestehen zumindest die nachfolgenden drei Aufgaben. Die erste Aufgabe ist, dass die Robustheit der Verbrennung verbessert wird. Diese Aufgabe entsteht aufgrund der Tatsache, dass bezüglich von Störungen hinsichtlich des Aufrechterhaltens der Verbrennung viele Beschränkungen bestehen, da die Kraftstoffkonzentration in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch insgesamt in einer homogenen mageren Verbrennung im Vergleich zu der stöchiometrischen Verbrennung oder geschichtet mageren Verbrennung niedrig ist. Die zweite Aufgabe ist, die Erzeugung von verbrannten Kohlenwasserstoffen zu verringern. Diese Aufgabe entsteht aufgrund der Tatsache, dass verbrannte Kohlenwasserstoffe von dem abkühlenden Bereichen der Brennkammer 6 leicht erzeugt werden können, da die Verbrennungstemperatur in der mageren Verbrennung im Vergleich zu der stöchiometrischen Verbrennung niedrig ist. Die dritte Aufgabe besteht darin, den oberen Grenzluftbetrag zu erhöhen. Um die Kraftstoffverbrauchsleistung weiter zu verbessern, ist es notwendig, den oberen Grenzluftbetrag zu erhöhen und den Betriebsbereich des mageren Modus zu der Hochlastseite zu erweitern.
Bezüglich des stöchiometrischen EGR Modus bestehen zumindest die folgenden drei Aufgaben. Die erste Aufgabe ist, die Robustheit der Verbrennung zu verbessern. Diese Aufgabe entsteht aufgrund der Tatsache, dass, in dem stöchiometrischen EGR Modus, eine Verbrennung leicht instabil wird, wenn ein großer Betrag von EGR Gas eingeleitet wird, um eine Kraftstoffverbrauch zu verbessern, da es Fluktuationen in dem EGR Betrag gibt, welcher zwischen jedem Zyklus eingeleitet wird. Die zweite Aufgabe ist, die Erzeugung von kondensiertem Wasser zu verhindern, welches durch die Kondensation von Wasserdampf entsteht, das im EGR Gas enthalten ist. Diese Aufgabe entsteht aufgrund der Tatsache, dass kondensiertes Wasser sauer wird, wenn diese Bestandteile in dem kondensierten Wasser schmelzen, da Schwefelbestandteile und Kohlenwasserstoffbestandteile in dem EGR Gas enthalten sind, und Bedenken bestehen, dass das kondensierte Wasser die Maschine 1 korrodieren oder diese verschlechtern kann. Die dritte Aufgabe ist, das Auftreten von Klopfen zu dem Zeitpunkt einer hohen Last zu verhindern. Diese Aufgabe entsteht aufgrund der Tatsache, dass die Kompressionsendtemperatur steigt und ein Klopfen leicht auftritt, wenn die Last steigt.
Aufgrund der Ergebnisse von Studien, die durchgeführt wurden während die obigen Aufgaben berücksichtigt wurden, wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Konfiguration übernommen, in welcher die jeweiligen Sollwerte für die Ansauglufttemperatur (Temperatur von Ansaugluft, welche die Brennkammer 6 erreicht) und für die Maschinenwassertemperatur (Temperatur von Kühlwasser, welche durch die Auslassseite des Maschinenkopfs 2 strömt) in dem mageren Modus und dem stöchiometrischen EGR Modus jeweils wie nachfolgend beschrieben eingestellt werden.
Zuerst wird ein Einstellen eines Sollwerts der Ansauglufttemperatur beschrieben werden. Aus den obigen beschriebenen Aufgaben sind die Aufgaben, welche insbesondere die Ansauglufttemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus betreffen, die erste und zweite Aufgabe für den stöchiometrischen EGR Modus, und die Aufgaben, welche insbesondere die Ansauglufttemperatur in dem mageren Modus betreffen, sind die erste Aufgabe und die dritte Aufgabe für den mageren Modus. Der Sollwert für die Ansauglufttemperatur wird in jedem Modus auf eine optimale Ansauglufttemperatur eingestellt, um diese Aufgaben umfassen zu erreichen.
Die optimale Ansauglufttemperatur des stöchiometrischen EGR Modus ist in dieser Ausführungsform 45°C. Diese Temperatur ist eine Temperatur, welche einer Taupunkttemperatur in Standartbetriebsbedingungen entspricht (diese Betriebsbedingungen enthalten Luftdruck, Außenlufttemperatur, Feuchtigkeit, EGR Rate und ähnliches). In dem stöchiometrischen EGR Modus werden die zwei Kühlsysteme 30 und 50 derart betrieben, dass die Ansauglufttemperatur, welche durch den Ansauglufttemperatursensor 76 gemessen wird, bei 45°C beibehalten wird, welche die optimale Ansauglufttemperatur ist.
Je höher die Ansauglufttemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus ist, desto besser ist dies im Hinblick auf eine Risikoreduzierung, dass kondensiertes Wasser entsteht. Die Ansaugeffizienz sinkt jedoch, wenn die Ansauglufttemperatur steigt. Durch ein Steuern der Ansauglufttemperatur auf die Taupunkttemperatur, wie oben beschrieben, kann das Risiko, dass kondensiertes Wasser entsteht, verhindert werden, während eine Verschlechterung in der Ansaugeffizienz auf ein Minimum verringert wird. Obwohl sich die Taupunkttemperatur in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen ändert, wird der Sollwert der Ansauglufttemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus bei der Taupunkttemperatur unter Standartbetriebsbedingungen gehalten. D.h., selbst wenn sich die Taupunkttemperatur ändert, wird die Ansauglufttemperatur in Abhängigkeit mi der Taupunkttemperatur nicht geändert. Der Grund hierfür ist, dass, wenn ein großer Betrag von EGR Gas in dem stöchiometrischen EGR Modus eingeleitet wird und Fluktuationen in dem EGR Betrag zwischen jedem Zyklus die Verbrennung beeinflussen, wenn es auch Fluktuationen in der Ansauglufttemperatur gibt, besteht ein Risiko, dass dies zu einer instabilen Verbrennung führen kann. In kürze wird eine Konfiguration verwendet, in welcher die Ansauglufttemperatur bei einer konstanten Temperatur selbst in dem stöchiometrischen EGR Modus gehalten wird, um die Robustheit der Verbrennung zu verbessern. Es sei angemerkt, dass ein Fehler einer bestimmten Größe bzw. Betrags (beispielsweise etwa 1°C) bezüglich der optimalen Ansauglufttemperatur zugelassen werden kann, obwohl die Ansauglufttemperatur bevorzugt bei exakt der optimalen Ansauglufttemperatur gehalten wird. D.h. es kann eine Konfiguration verwendet werden, um eine Anpassung der Ansauglufttemperatur durchzuführen, so dass die Ansauglufttemperatur einen Temperaturbereich erreicht, der durch einen Fehlerbereich definiert ist, der sich mittig um die optimale Ansauglufttemperatur bildet.
Auf der anderen Seite ist die optimale Ansauglufttemperatur in dem mageren Modus eine niedrigere Temperatur als die optimale Ansauglufttemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus. In dem mageren Modus, in dem keine Rezirkulation durchgeführt wird, entsteht keine Verringerung der Brennstabilität aufgrund von Fluktuationen in dem EGR Betrag zwischen den Zyklen. Daher kann eine Ansaugluft einer vergleichsweise niederen Temperatur, relativ zu dem stöchiometrischen EGR Modus, den Brennkammern zugeführt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die optimale Ansauglufttemperatur in dem mageren Modus 35°C. In dem mageren Modus werden die zwei Kühlsysteme 30 und 50 derart betrieben, dass die Ansauglufttemperatur, die durch den Ansauglufttemperatursensor 76 gemessen wird, bei etwa 35°C gehalten wird, was der optimalen Ansauglufttemperatur entspricht.
Indem die Ansauglufttemperatur bei der optimalen Ansauglufttemperatur gehalten wird, kann die Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzbetragssteuerung, welche auf SA-CA10 basiert, verbessert werden und eine Abweichung in dem Luft-Kraftstoffverhältnis bezüglich des Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann verhindert werden. Zeitgleich kann der Betriebsbereich, in dem der Betrieb in dem mageren Modus durchgeführt wird, zu der Hoch-Last-Seite durch ein Erhöhen im oberen Grenzluftbetrag erweitert werden, der durch eine Verbesserung der Ansauglufteffizienz erreicht wird. Es sei angemerkt, dass ein Fehler bzw. Abweichung von einem bestimmten Betrag (beispielsweise um 1°C) bezüglich der optimalen Ansauglufttemperatur zugelassen werden kann, obwohl die Ansauglufttemperatur bei exakt der optimalen Ansauglufttemperatur beigehalten werden kann. Das heißt, eine Konfiguration kann derart angepasst werden, dass eine Anpassung der Ansauglufttemperatur durchgeführt werden kann, so dass die Ansauglufttemperatur einen Temperaturbereich erreicht, der durch einen Fehlerbereich bzw. Toleranzbereich definiert ist, der mittig um die optimale Ansauglufttemperatur ausgebildet ist.
Nachfolgend wird ein Einstellen eines Sollwerts der Maschinenwassertemperatur beschrieben werden. Aus den oben beschriebenen Aufgaben ist die Aufgabe, welche insbesondere die Maschinenwassertemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus betrifft, die dritte Aufgabe für den stöchiometrischen EGR Modus, und die Aufgabe, die insbesondere die Maschinenwassertemperatur in dem mageren Modus betrifft, ist die zweite Aufgabe für den mageren Modus. Der Sollwert für die Maschinenwassertemperatur in jedem Modus wird derart auf eine optimale Maschinenwassertemperatur eingestellt, dass diese Aufgaben vollständig erreicht bzw. erfüllt werden.
Die optimale Maschinenwassertemperatur (erste Temperatur) in dem mageren Modus in dieser Ausführungsform ist 95°C. In dem mageren Modus wird das HT Kühlsystem 50 betrieben, so dass die Maschinenwassertemperatur, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird, bei etwa 95°C gehalten wird, welche die optimale Maschinenwassertemperatur ist.
Da die Wandflächentemperatur der Brennkammer 6, insbesondere die Wandflächentemperatur an der Auslassseite, durch Beibehalten der Maschinenwassertemperatur bei der optimalen Maschinenwassertemperatur erhöht werden kann, können unverbrannte Kohlenwasserstoffe, welche in dem kühlen Bereich der Brennkammer 6 erzeugt werden, reduziert werden. Im Vergleich zu der stöchiometrischen Verbrennung ist die Brenntemperatur niedrig und die Abgastemperatur bzw. Auslassgastemperatur wird in der mageren Verbrennung nicht hoch, wodurch es für eine Reinigungsfunktion eines Katalysators schwierig ist, in geeigneter Weise ausgeführt zu werden. Daher ist es notwendig, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe selbst zu reduzieren, welche von der Maschine 1 ausgebracht werden. Es sei angemerkt, dass ein Fehler bzw. Abweichung von einem bestimmten Betrag (beispielsweise um 1 °C) bezüglich der optimalen Maschinenwassertemperatur zugelassen werden kann, obwohl die Maschinenwassertemperatur bei exakt der optimalen Maschinenwassertemperatur gehalten wird. D.h., eine Konfiguration kann derart angepasst werden, so dass eine Anpassung der Maschinenwassertemperatur durchgeführt werden kann, so dass die Maschinenwassertemperatur einen Temperaturbereich erreicht (vierter Temperaturbereich), der durch einen Fehlerbereich definiert ist, der mittig um die optimale Maschinenwassertemperatur ausgebildet ist.
Obwohl eine Temperaturbreite bzw. ein Temperaturbereich bezüglich der optimalen Maschinenwassertemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus besteht, ist auf der anderen Seite die obere Grenztemperatur dieser eine niedrigere Temperatur als die optimale Maschinenwassertemperatur in dem mageren Modus. In dem stöchiometrischen EGR Modus können die unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch den Katalysator, welcher in geeigneter Weise fungiert, gereinigt werden, selbst wenn unverbrannte Kohlenwasserstoffe von dem kühlen Bereich erzeugt werden, da die Verbrennungskonzentration und auch die Abgastemperatur hoch ist. Daher kann Kühlwasser einer vergleichsweise niedrigen Temperatur relativ zu dem mageren Modus dazu veranlasst werden, zu der Auslassseite des Maschinenkopfs zu strömen. Die optimale Maschinenwassertemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus in der vorliegenden Ausführungsform ist eine Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs (zweiter Temperaturbereich), welcher 88°C als obere Grenztemperatur (zweite Temperatur) verwendet, d.h., eine Temperatur, die gleich oder niedriger als 88°C ist. Der Begriff „Temperatur gleich oder weniger als 88°C“ meint jedoch nicht, dass eine Temperatur die um irgendeinen Betrag niedriger als 88°C ist, zugelassen ist, sondern vielmehr, dass obwohl 88°C bevorzugt ist, eine Temperatur, die niedriger als 88°C ist bis zu einem gewissen Ausmaß auch zugelassen sein kann. In dem mageren Modus wird das HT Kühlsystem 50 derart betrieben, dass die Maschinenwassertemperatur, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird, bei einer Temperatur gehalten wird, die gleich oder niedriger als 88°C ist.
Der Grund, dass die Maschinenwassertemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus niedriger eingestellt wird, als die Maschinenwassertemperatur in dem mageren Modus ist, dass das Auftreten von Klopfen verhindert wird. Obwohl unverbrannte Kohlenwasserstoffe, welche von dem kühlen Bereich der Brennkammer 6 erzeugt werden, leicht ansteigen, wenn die Maschinenwassertemperatur gesenkt wird, können die unverbrannten Kohlenwasserstoff durch den in geeigneter Weise funktionierenden Katalysator gereinigt werden, welcher eine Zufuhr von Auslassgas bzw. Abgas erhält, das eine höhere Temperatur aufweist, als Ergebnis des Durchführens der stöchiometrischen Verbrennung. Es sei angemerkt, dass es aus dem Gesichtspunkt des Verbesserns der Robustheit der Verbrennung zu bevorzugen ist, die Maschinenwassertemperatur bei einer konstanten Temperatur zu halten, obwohl ein Temperaturbereich bezüglich der optimalen Maschinenwassertemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus ausgebildet ist,
Das Vorangegangene ist eine Beschreibung, die jeweilige Sollwerte für die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatur, in jedem von dem mageren Modus und dem stöchiometrischen EGR Modus betrifft. Die jeweiligen Sollwerte für die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatur, welche wie oben beschrieben eingestellt werden, werden in Zusammenhang mit der Maschinendrehzahl und dem Drehmoment in einem Kennfeld gespeichert, das in dem ROM der Steuervorrichtung 120 gespeichert wird. 4 ist eine Ansicht, die ein Bild eines Kennfelds darstellt, in dem jeweilige Sollwerte für die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatur in Zusammenhang mit der Maschinendrehzahl und dem Drehmoment dargestellt werden. In 4 sind die Temperaturen, welche durch „HT“ dargestellt sind, Zielwerte für die Maschinenwassertemperatur und die Temperaturen, die durch „LT“ dargestellt sind, sind Sollwerte für die Ansauglufttemperatur. Die verschiedenen Arten von Steuerung der Maschine 1, welche die Ansauglufttemperatursteuerung und die Maschinenwassertemperatursteuerung enthalten, werden gemäß den Betriebsbereichen durchgeführt, welche auf einer zweidimensionalen Ebene eingestellt sind, welche die Maschinendrehzahl und das Drehmoment als Achsen verwendet.
In 4 werden ein magerer Bereich, in dem ein Betrieb gemäß dem mageren Modus durchgeführt wird, und ein stöchiometrische EGR Bereich, in dem ein Betrieb gemäß dem stöchiometrischen EGR Modus durchgeführt wird, als Betriebsbereiche der Maschine 1 eingestellt. In dem mageren Bereich wird, wie oben beschrieben, der Sollwert der Ansauglufttemperatur auf 35°C eingestellt und der Sollwert der Maschinenwassertemperatur wird auf 95°C eingestellt. In dem stöchiometrischen EGR Bereich wird der Sollwert der Ansauglufttemperatur auf 45°C oder mehr eingestellt und der Sollwert der Maschinenwassertemperatur wird auf 88°C oder weniger eingestellt. Der Begriff „Sollwert der Ansauglufttemperatur wird auf 45°C oder mehr eingestellt“ bedeutet, dass, obwohl im Normalfall 45°C der Sollwert ist, die Ansauglufttemperatur höher als 45°C in einem Hochlastbereich werden kann.
Die Ansauglufttemperatursteuerung und die Maschinenwassertemperatursteuerung werden auf Basis von jeweiligen Sollwerten für die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatur ausgeführt, die wie oben beschrieben eingestellt werden.
Klopfsteuerung
Nachfolgend wird eine Klopfsteuerung zum Verhindern eines Klopfens beschrieben werden. Die Klopfsteuerung wird durchgeführt, wenn ein Klopfen von einem Signal des Klopfsensors 124 oder ein Signal des Verbrennungsdrucksensors 22 erfasst wird. Die Klopfsteuerung, die durch die Steuervorrichtung 120 durchgeführt wird, enthält eine normale Klopfsteuerung und eine Übergangsklopfsteuerung bzw. Transient-Klopfsteuerung.
Eine normale Klopfsteuerung wird durchgeführt, um eine Zündzeit näher zu einer MBT Zündzeit zu bringen, solange kein Klopfen auftritt. D.h., die normale Klopfsteuerung wird durchgeführt, um eine Zündzeit auf einen Spurklopfzeitpunkt anzupassen. In der normalen Klopfsteuerung wird eine Klopfbildung bzw. ein Klopflernen zum Bilden bzw. Lernen einer Spurklopfzündzeit für jeden unterteilten Betriebsbereich durchgeführt. Eine normale Klopfsteuerung wird nur in dem Betrieb durch den stöchiometrischen EGR Modus durchgeführt und wird jedoch nicht in dem Betrieb durch den mageren Modus durchgeführt. Da der anpassbare Bereich einer Zündzeit in dem mageren Modus eng ist, ist es nicht möglich, eine Zündzeit von einer MBT Zündzeit wesentlich zu verzögern. In dem mageren Modus wird daher kein Klopflernen durchgeführt.
Eine Übergangsklopfsteuerung wird durchgeführt, um ein Klopfen zu verhindern, das zu dem Zeitpunkt eines Wechsels von dem mageren Modus zu dem stöchiometrischen EGR Modus auftritt. Zu dem Zeitpunkt des Wechsels von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen EGR Modus wird die Maschinenwassertemperatur von 95°C auf 88°C oder weniger gesenkt. Wie von der Konfiguration des HT Kühlsystems 50 zu erwarten ist, ist jedoch ein Senken der Maschinenwassertemperatur nicht in einer Antwort vorherrschend im Vergleich mit einem Erhöhen der Maschinenwassertemperatur. Daher ist die Zeit, die zum Senken der Maschinenwassertemperatur benötigt wird, nicht kurz. Die Zeit, die zum Erhöhen der Maschinenwassertemperatur von 88°C oder weniger auf 95°C benötigt wird, wird auf α eingestellt (α betrifft eine Wärmeübergangszeit). In diesem Fall ist die Zeit, die zum Senken der Maschinenwassertemperatur von 95°C auf 88°C oder weniger benötigt wird, unter bestimmten Bedingungen, sechs Sekunden plus α. Da die Maschinenwassertemperatur noch nicht auf 88°C oder weniger gesunken ist, obwohl der Betriebsmodus auf den stöchiometrischen EGR Modus gewechselt wurde, wird in diesem Beispiel ein Klopfen gefördert.
Die Mittel, die verwendet werden, um ein Klopfen in der Übergangsklopfsteuerung zu verhindern, sind die folgenden drei Mittel. Das erste Mittel ist das IN-VVT 15. Durch Betreiben des IN-WT 15 um ein IVC zu verzögern (dieser Betrieb wird als „erster Betrieb“ bezeichnet) wird ein aktuelles Verdichtungsverhältnis verringert, wodurch eine Zylindertemperatur verringert wird. Im Ergebnis wird ein Klopfen verhindert. Wenn das IN-VVT 15 eine Vorrichtung ist, welche eine Ventilzeit variiert, wird die Verzögerung des IVC durchgeführt, indem die Ventilzeit verzögert wird. Wenn das IN-VVT 15 eine Vorrichtung ist, die einen Betriebswinkel variiert, wird die Verzögerung des IVC durchgeführt, indem der Betriebswinkel vergrößert wird. Jedoch wird ein Verzögerungsgrenzwert zu IVC eingestellt. Das IVC beeinflusst Schwankungen in der Brennkammer 6 stark. Um die Brennstabilität sicherzustellen, wird daher gefordert, den IVC um mehr als einen vordefinierten Winkel zu verzögern (beispielsweise nach dem unteren Totpunkt 50 Grad).
Das zweite Mittel ist die Ölstrahlvorrichtung 130. Indem die Ölstrahlvorrichtung 130 betrieben wird, um den Ölstrahlbetrag zu erhöhen (dieser Betrieb wird als „zweiter Betrieb“ bezeichnet), wird ein Kühlen des Kolbens 8 und der Wandfläche des Zylinders 4, an welcher der Kolben 8 gleitet, verbessert, wodurch ein Klopfen verhindert wird. Der Ölstrahlbetrag jedoch kann nicht größer sein als der maximale Strahlbetrag, der durch den maximalen Öffnungsgrad des Ölsteuerventils 136 festgelegt wird.
Das dritte Mittel ist die EGR Vorrichtung 100. Durch ein Betreiben der EGR Vorrichtung 100, um den EGR Betrag zu erhöhen (dieser Betrieb wird als „dritter Betrieb“ bezeichnet) wird eine Verbrennung verlangsamt, wodurch ein Klopfen verhindert wird. Eine obere Grenze, um eine Brennstabilität sicherzustellen, wird jedoch auf die EGR Rate eingestellt, welche das Verhältnis von EGR Gas zu In-Zylinder Gas ist. Es wird gefordert, den Öffnungsgrad des EGR Ventils 106 derart anzupassen, so dass der EGR Betrag nicht größer als der obere Grenzbetrag wird, der von dem oberen Grenzwert der EGR Rate ermittelt wird.
Die oben beschriebenen drei Betriebe sind effektiv bei der Unterdrückung von Klopfen, aber auf der anderen Seite wird eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienzleistung im größeren oder kleineren Umfang bzw. Grad verursacht werden. In der Übergangsklopfsteuerung werden daher die drei Betriebe nicht zur gleichen Zeit von Anfang an durchgeführt, sondern werden einer nach dem anderen in einer vordefinierten sequenziellen Reihenfolge durchgeführt bis das Klopfen beigelegt ist. Die Reihenfolge des Ausführens der Betriebe ist die Reihenfolge der schnellen Antwort einer Steuervariablen auf den Betrieb. Genauer wird zuerst der erste Betrieb durchgeführt, anschließend wird der zweite Betrieb durchgeführt, und dann wird der dritte Betrieb durchgeführt. Noch genauer wird zu Beginn ein IVC durch den ersten Betrieb verzögert. Wenn das Klopfen nicht beigelegt wird, selbst wenn der IVC einen Verzögerungsgrenzwinkel erreichet, wird nachfolgend ein Ölstrahlbetrag durch den zweiten Betrieb erhöht. Wenn ein Klopfen nicht beigelegt wird, selbst wenn der Ölstrahlbetrag einen Maximalwert erreicht, wird zudem ein EGR Betrag durch den dritten Betrieb erhöht. Wenn ein Klopfen nicht beigelegt wird, selbst wenn der EGR Betrag einen oberen Grenzbetrag erreicht, wird schließlich ein Verzögern einer Zündzeit von einer MBT Zündzeit durchgeführt.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Details des Steuerablaufs der Übergangsklopfsteuerung darstellt, die oben beschrieben ist. Die Steuervorrichtung 120 liest ein Programm aus, das durch diesen Steuerablauf von dem ROM dargestellt wird, und führt wiederholt den Steuerablauf bei vordefinierten Steuerphasen durch, welcher der Taktrate der CPU entspricht.
In Schritt S2 bestimmt die Steuervorrichtung 120, ob ein Schalten von dem mageren Modus zu dem stöchiometrischen EGR Modus erfolgt ist. Wenn der Betriebspunkt der Maschine 1, welche durch die Maschinendrehzahl und das Sollmoment bestimmt ist, sich in einem stöchiometrischen EGR Bereich von einem mageren Bereich bewegt, wird ein Schalten von dem mageren Modus zu dem stöchiometrischen EGR Modus durchgeführt. Wenn der Betriebsmodus der Maschine 1 der magere Modus ist, wird der Steuerablauf beendet.
Wenn der Betriebsmodus der Maschine 1 der stöchiometrische EGR Modus ist, fährt der Steuerablauf mit Schritt S4 fort. In Schritt 4 ermittelt die Steuervorrichtung 120, ob die Maschinenwassertemperatur noch von der Solltemperatur (95°C) des mageren Modus zu der Solltemperatur (88°C oder weniger) des stöchiometrischen EGR Modus variiert. D.h., es wird ermittelt, ob die Maschinenwassertemperatur im Übergangszustand ist. Diese Ermittlung wird auf Basis der Maschinenwassertemperatur durchgeführt, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird. Wenn die Maschinenwassertemperatur 88°C oder weniger ist, wird der Steuerablauf beendet.
Wenn die Maschinenwassertemperatur in dem Übergangszustand ist, in dem die Maschinenwasserstemperatur keine 88°C oder weniger erreicht, fährt der Steuerablauf mit Schritt S6 fort. In Schritt S6 ermittelt die Steuervorrichtung 120, ob durch den Klopfsensor 124 (oder durch den Verbrennungsdrucksensor 22) ein Klopfen erfasst wird oder nicht. Wenn kein Klopfen erfasst wird, wird der Steuerablauf beendet
Wenn ein Klopfen erfasst wird, fährt der Steuerablauf mit Schritt S8 fort. In Schritt S8 ermittelt die Steuervorrichtung 120, ob ein IVC bereits auf einen Verzögerungsgrenzwinkel verzögert wurde. Wenn der IVC den Verzögerungsgrenzwinkel noch nicht erreicht hat, kann der Klopfverhinderungseffekt durch ein Verzögern des IVC erhöht werden, indem der IVC weiter verzögert wird, wodurch ein aktuelles Verdichtungsverhältnis verringert wird. In diesem Fall fährt der Steuerablauf mit Schritt S10 fort. In Schritt S10 führt die Steuervorrichtung 120 den ersten Betrieb durch, um den IN-VVT 15 zu betreiben, so dass der IVC verzögert wird. Es sei angemerkt, dass das Betriebsverfahren des IN-WT 15 in Schritt S10 derart erfolgen kann, dass der IVC um einen vordefinierten Winkel für jeden Steuerschritt verzögert wird. Aus dem Gesichtspunkt einer sofortigen Klopfverhinderung ist es jedoch wünschenswert, den IVC zu dem Verzögerungsgrenzwinkel mit maximaler Geschwindigkeit bzw. möglichst schnell zu verzögern.
Wenn der IVC bereits auf den Verzögerungsgrenzwinkel verzögert bzw. zurückverlegt worden ist, verhindert die Steuervorrichtung 120 ein Klopfen unter Verwendung eines anderen Mittels. In diesem Fall fährt der Steuerablauf mit Schritt S12 fort. In Schritt S12 ermittelt die Steuervorrichtung 120 ob das Ölsteuerventil 136 bereits bis zu einem maximalen Öffnungsgrad geöffnet ist. Wenn das Ölsteuerventil 136 noch nicht bis zu dem maximalen Öffnungsgrad geöffnet ist, kann der Klopfverhinderungseffekt durch Erhöhen des Ölstrahlbetrags erhöht werden, indem der Öffnungsgrad des Ölsteuerventils 136 vergrößert wird. In diesem Fall fährt der Steuerablauf mit Schritt S14 fort. In Schritt S14 führt die Steuervorrichtung 120 den zweiten Betrieb durch, um das Ölsteuerventil 136 zu betreiben, um den Ölstrahlbetrag zu erhöhen. Es sei angemerkt, dass das Betriebsverfahren des Ölsteuerventils 136 in Schritt S14 derart ausgebildet sein kann, dass der Öffnungsgrad um einen vordefinierten Betrag für jeden Steuerschritt vergrößert werden kann. Aus dem Gesichtspunkt der sofortigen Klopfunterdrückung ist es jedoch wünschenswert, das Ölsteuerventil 136 auf den maximalen Öffnungsgrad bei maximaler Geschwindigkeit zu öffnen.
Wenn das Ölsteuerventils 136 bereits auf den maximalen Öffnungsgrad geöffnet ist, verhindert die Steuervorrichtung 120 ein Klopfen unter Verwendung eines noch anderen Mittels. In diesem Fall fährt der Steuerablauf mit Schritt S16 fort. In Schritt S16 ermittelt die Steuervorrichtung 120 ob ein EGR Betrag bereits auf einen oberen Grenzbetrag erhöht worden ist. Wenn der EGR Betrag noch nicht auf den oberen Grenzbetrag erhöht worden ist, kann der Klopfverhinderungseffekt durch ein Erhöhen des EGR Betrag erhöht werden, indem der Öffnungsgrad des EGR Ventils 106 vergrößert worden ist. In diesem Fall fährt der Steuerablauf mit Schritt S18 fort. In Schritt S18 führt die Steuervorrichtung 120 den dritten Betrieb durch, um das EGR Ventil 106 zu betreiben, um den EGR Betrag zu erhöhen. Es sei angemerkt, dass das Betriebsverfahren des EGR Ventils 106 in Schritt S18 derart ausgebildet sein kann, dass der Öffnungsgrad um einen vordefinierten Betrag für jeden Steuerschritt erhöht werden kann. Aus dem Gesichtspunkt der sofortigen Klopfsteuerung ist es jedoch wünschenswert, das EGR Ventil 106 bei maximaler Geschwindigkeit auf den Öffnungsgrad zu öffnen, bei welchem der EGR Betrag den oberen Grenzbetrag erreicht.
Wenn der EGR Betrag bereits den oberen Grenzbetrag erreicht hat, verhindert die Steuervorrichtung 120 ein Klopfen unter Verwendung eines letzten Mittels. In diesem Fall fährt der Steuerablauf mit Schritt S20 fort. In Schritt S20 verzögert die Steuervorrichtung 120 eine Zündzeit von eine MBT Zündzeit. Die MBT Zündzeit, welche als ein Referenzwert verwendet wird, ist die MBT Zündzeit in dem stöchiometrischen EGR Modus. Es sei angemerkt, dass das Betriebsverfahren einer Zündvorrichtung in Schritt S20 derart ausgebildet sein kann, um die Zündzeit um einen vordefinierten Winkel für jeden Steuerschritt zu verzögern. Da dieser Betrieb jedoch ein kurzzeitiger Betrieb ist, bis die Maschinenwassertemperatur ausreichend verringert worden ist, kann das Betriebsverfahren derart ausgebildet sein, dass es die Zündzeit weit auf eine Zeit verzögert, die ein Klopfen sicher verhindert. Bezüglich der Zündzeitverzögerung, die in Schritt S20 durchgeführt worden ist, wird ein Klopflernen, welches in der normalen Klopfsteuerung durchgeführt wird, nicht durchgeführt. Der Grund hierfür ist, wenn ein Verzögerungsbetrag, der hier erhalten wird, als ein Lernwert verwendet wird, wird die Zündzeit immer verzögert werden, nachdem die Maschinenwassertemperatur mit der Solltemperatur zusammenläuft bzw. sich dieser annähert, wodurch eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienzleistung herbeigeführt wird. In Schritt S22, welcher auf Schritt S20 folgt, hält die Steuervorrichtung 120 das Klopflernen kurzzeitig an.
Das Klopfen, welches durch eine Antwortverzögerung der Maschinenwassertemperatur beim Schalten von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen EGR Modus verursacht wird, kann effektiv durch die Übergangklopfsteuerung verhindert werden, die gemäß dem Steuerablauf durchgeführt wird, welche die oben genannten Schritte S2-S22 aufweist.
Im Übrigen sinkt die Wahrscheinlichkeit eines Klopfens, wenn die Maschinenwassertemperatur die Solltemperatur des stöchiometrischen EGR Modus erreicht, d.h. wenn Zeit verstreicht. Nachdem einmal ein Klopfen beigelegt worden ist, wird ein Betrieb durchgeführt, um eine Steuerbedingung auf jene des stöchiometrischen EGR Modus zurückzuführen, indem die Schritt des oben beschrieben Steuerablaufs verfolgt werden. Das Folgende ist eine bestimmte Beschreibung eines Betriebsprozesses nachdem das Klopfen einmal beigelegt worden ist. Der Betriebsprozess nachfolgend basiert auf der Voraussetzung, dass ein Verzögern der Zündzeit in dem oben beschrieben Steuerablauf durchgeführt worden ist.
Wenn ein Beilegen des Klopfens auf Basis eines Signals von dem Klopfsensor 124 oder dem Verbrennungsdrucksensor 22 bestätigt wird, führt zuerst die Steuervorrichtung 120 ein Voranschreiten der Zündzeit auf die MBT Zündzeit des stöchiometrischen EGR Modus durch.
Nachfolgend betreibt die Steuervorrichtung 120 die EGR Vorrichtung 100, um eine Soll-EGR-Rate zu realisieren, die von dem Betriebspunkt der Maschine 1 bestimmt wurde, wodurch der EGR Betrag verringert wird, welcher auf den oberen Grenzbetrag gestiegen ist. Der Zeitpunkt, wenn das EGR Ventil 106 anfängt, geschlossen zu werden, kann ein Zeitpunkt unmittelbar nachdem sein, wenn die Zündzeit die MBT Zündzeit erreicht hat. Dieser Betrieb ist jedoch ein Betrieb, welcher nicht schnell geschehen muss, im Gegensatz zu dem Betrieb der Klopfverhinderung. Daher kann damit angefangen werden, das EGR Ventil 106 zu schließen, wenn eine bestimmte Zeitdauer nach dem Fortschreiten der Zündzeit auf die MBT Zündzeit verstrichen ist. Die bestimmte Zeitdauer kann eine Zeitdauer sein, welche notwendig ist, um zu bestätigen, ob ein Klopfen wieder auftritt.
Dann betreibt die Steuervorrichtung 120 die Ölstrahlvorrichtung 130, um den Ölstrahlbetrag auf einen bestimmten Strahlbetrag in dem stöchiometrischen EGR Modus zu verringern. Der beschriebene Strahlbetrag in dem stöchiometrischen EGR Modus ist größer als ein beschriebener Strahlbetrag in dem mageren Modus. In dem stöchiometrischen EGR Modus wird eine Zündzeit normalerweise auf eine Spurklopfzündzeit durch die Klopfsteuerung angepasst. Daher wird ein Kühlen durch den Ölstrahl in dem stöchiometrischen EGR Modus stärker als in dem mageren Modus, so dass die Bedingung, dass ein Klopfen leicht erzeugt wird, nicht entsteht. Die Zeit, wenn das Ölsteuerventil 136 anfängt geschlossen zu werden, kann eine Zeit sein, nachdem das EGR Ventil 106 anfängt auf einen Sollöffnungsgrad geschlossen zu werden. Insbesondere kann die Zeit eine beliebige Zeit sein, bevor das EGR Ventil 106 auf den Sollöffnungsgrad geschlossen wird oder kann eine beliebige Zeit sein, nachdem das EGR Ventil 106 auf den Sollöffnungsgrad geschlossen wird.
Die Steuervorrichtung 120 betreibt schließlich die IN-WT 15, um den IVC von dem Verzögerungsgrenzwinkel zu einem Einstellwinkel fortzuschreiten, der von dem Betriebspunkt der Maschine 1 ermittelt wird. Der Zeitpunkt, wenn die IVC anfängt fortgeschritten zu werden, kann ein beliebiger Zeitpunkt in einer Zeitspanne sein, nachdem das Ölsteuerventils 136 anfängt geschlossen zu werden, bevor die Maschinenwassertemperatur mit der Solltemperatur in dem stöchiometrischen EGR Modus zusammenläuft. Es sei angemerkt, dass das Betriebsverfahren des IN-VVT 15 derart ausgebildet sein kann, um den IVC um einen definierten Winkel für jeden Steuerschritt fortzuschreiten oder derart ausgebildet sein kann, den IVC auf den Einstellwinkle in dem stöchiometrischen EGR Modus mit maximaler Geschwindigkeit fortzuschreiten.
Wenn die Zündzeit auf die MBT Zündzeit fortgeschritten wird und die Anpassung aller veränderten Variablen der EGR Vorrichtung 100, der Ölstrahlvorrichtung 130 und IN-VVT 15 abgeschlossen ist, beendet die Steuervorrichtung 120 die Übergangsklopfsteuerung und startet die normale Klopfsteuerung und die Steuervorrichtung 120 startet das Klopflernen mit dem Start der normalen Klopfsteuerung.
Ein Beispiel der Betriebe der Maschine
6 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel von Betrieben der Maschine 1 darstellt, wenn die oben beschriebene Klopfsteuerung (Übergangsklopfsteuerung) mit der Ansauglufttemperatursteuerung und der Maschinenwassertemperatursteuerung ausgeführt wird. In 6 werden Zeitänderungen in den folgenden Parametern für einen Fall dargestellt, in dem bezüglich 4 die Last von einem mageren Bereich auf einen stöchiometrischen EGR Bereich erhöht wird, während die Maschinendrehzahl konstant gehalten wird. Die Parameter sind: (a) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches ein Parameter ist, der das Schalten auf den Betriebsmodus betrifft; (b) die Maschinenwassertemperatur und (c) die Ansauglufttemperatur, welche Steuervariablen für die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatursteuerung sind; (d) die IVC, (e) der Öffnungsgrad des OCV, und (f) der Öffnungsgrad des EGR Ventils, welche veränderte Variablen für die Übergangsklopfsteuerung sind und (g) die Zündzeit.
In dem mageren Bereich wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein vordefiniertes mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt. Obwohl der Turboladedruck in Abhängigkeit mit einem Anstieg der Last erhöht wird und die Temperatur der Ansaugluft, welche den Zwischenkühler 72 erreicht, in Abhängigkeit mit einem Anstieg im Turboladedruck steigt, wird die Ansauglufttemperatur, die durch den Ansauglufttemperatursensor 76 gemessen wird, konstant bei 35°C gehalten. Um dies zu realisieren, wird die elektrische Wasserpumpenströmungsrate des LT Kühlsystems 30 in Abhängigkeit mit einem Anstieg der Last erhöht. Die Maschinenwassertemperatur, die durch den Maschinenwassertemperatursensor 68 gemessen wird, wird zudem konstant bei 95°C gehalten. Da ein Kühlverlust in Abhängigkeit mit einem Anstieg der Last steigt, werden die elektrische Wasserpumpenströmungsrate des HT Kühlsystems 50 und der Öffnungsgrad des Strömungskanals, der zu dem Radiator 60 führt (der Öffnungsgrad des dritten HT Strömungskanals 56 des multifunktionalen Ventils 66), in Abhängigkeit mit einem Anstieg der Last erhöht, so dass die Maschinenwassertemperatur konstant ist.
In dem mageren Bereich werden die jeweiligen veränderten Variablen des IVC, der OCV Öffnungsgrad (der Öffnungsgrad des Ölsteuerventils 136) und der EGR Ventilöffnungsgrad auf den Sollöffnungsgrad oder den Einstellöffnungsgrad in dem mageren Modus eingestellt. Bezüglich des EGR Ventilöffnungsgrads, wird dieser auf null eingestellt, da die Einleitung von EGR Gas nicht in dem mageren Modus der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird. Die Zündzeit wird auf die MBT Zündzeit angepasst.
Wenn sich der Betriebspunkt der Maschine 1 von dem mageren Bereich auf den stöchiometrischen EGR Bereich bewegt, wird der Betriebsmodus von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen EGR Modus gewechselt. Dieses Wechseln des Betriebsmodus wird durch ein Wechseln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis realisiert, wie in Diagramm (a) dargestellt ist, und auch durch ein Erhöhen des EGR Ventilöffnungsgrads in einer stufenweisen Antwort von null, wie in Diagramm (f) dargestellt ist, um den EGR Betrag von null auf einen Betrag in Abhängigkeit mit der Maschinendrehzahl und des Sollmoments zu erhöhen.
Wenn sich der Betriebspunkt der Maschine 1 von dem mageren Bereich auf den stöchiometrischen EGR Bereich bewegt, wird zudem die Ansauglufttemperatur von 35°C auf 45°C erhöht und die Maschinenwassertemperatur sinkt auf eine Temperatur, die gleich oder niedriger als 88°C ist. Um dies zu realisieren, werden zu der Zeit des Wechselns des Betriebsmodus, die elektrische Wasserpumpenströmungsrate des HT Kühlsystems 50 und der Öffnungsgrad des Strömungskanal, welcher zu dem Radiator 60 (der Öffnungsgrad des dritten HT Strömungskanals 56 des multifunktionalen Ventils 66) führt, in einer stufenweisen Antwort erhöht und die elektrische Wasserpumpenströmungsrate des LT Kühlsystems 30 wird in einer stufenweisen Antwort gesenkt.
In der Umgebung, in der ein großer Wärmebetrag von der Maschine 1 abgestrahlt wird, ist es jedoch nicht leicht, die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatur zu senken, obwohl es leicht ist, die Ansauglufttemperatur und die Maschinenwassertemperatur zu erhöhen. D.h. die Antwortverzögerung der Maschinenwassertemperatur des Betriebs des HT Kühlsystems 50 ist groß, obwohl die Ansauglufttemperatur ein gutes Antwortverhalten auf den Betrieb des HT Kühlsystems 30 zeigt. Daher nimmt es eine bestimmte Zeitdauer von dem Wechsel des Betriebsmodus in Anspruch, bevor die Maschinenwassertemperatur auf 88°C oder weniger sinkt.
Bis die Maschinenwassertemperatur auf 88°C oder weniger sinkt, tritt leicht ein Klopfen aufgrund des Fehlens der Kühlung auf. Ein Betriebsbeispiel der Maschine 1, wenn ein Klopfen unmittelbar nach dem Ändern des Betriebsmodus auftritt, wird in 6 gezeigt. Wenn ein Klopfen erfasst wird, wird der IVC auf den Verzögerungsgrenzwinkel verzögert, wie im Diagramm (d) gezeigt ist. Wenn das Klopfen immer noch nicht abgelegt bzw. beseitigt ist, wird das Ölsteuerventil 136 auf den maximalen Öffnungsgrad wie in Diagramm (e) dargestellt ist, geöffnet, um den Ölstrahlbetrag auf den maximalen Strahlbetrag zu erhöhen. Wenn ein Klopfen immer noch besteht, wird das EGR Ventil 106 auf den oberen Grenzöffnungsgrad, wie in Diagramm (f) dargestellt ist, geöffnet, um den EGR Betrag auf den oberen Grenzbetrag zu erhöhen. Wenn das Klopfen noch immer nicht beigelegt worden ist, wird die Zündzeit von der MBT Zündzeit verzögert, wie in Diagramm (g) dargestellt ist.
Schließlich wird das Klopfen verhindert, indem die Zündzeit verzögert wird. Danach wird die Zündzeit auf die MBT Zündzeit vorgestellt bzw. fortgeschritten, wie in Diagramm (g) dargestellt ist. Wenn das Klopfen nach dem Vorstellen der Zündzeit nicht wieder auftritt, wird das EGR Ventil 106 auf den früheren Öffnungsgrad, wie in Diagramm (f) dargestellt ist, geschlossen, um den EGR Betrag auf einen Betrag zu verringern, der von der Maschinendrehzahl und dem Sollmoment abhängt. Das Ölsteuerventil 136 wird auf den Einstellöffnungsgrad in dem stöchiometrischen EGR Modus geschlossen, wie in dem Diagramm (e) dargestellt ist, um den Ölstrahlbetrag zu verringern. Zudem wird die IVC von dem Verzögerungsgrenzwinkel auf den Einstellwinkel in dem stöchiometrischen EGR Modus vorgestellt (d.h. nach dem unteren Totpunkt 10 - 25 Grad), wie in Diagramm (d) gezeigt ist.
Wenn der IVC auf den Einstellwinkel in dem stöchiometrischen EGR Modus vorgestellt wird und die Maschinenwassertemperatur auf 88°C oder weniger sinkt, beendet die Steuervorrichtung 120 die Übergangsklopfsteuerung und beginnt die normale Klopfsteuerung, die von dem Klopflernen begleitet wird.
Andere Ausführungsform
In der oben beschrieben Ausführungsform werden die oben beschriebenen drei Betriebe in der Reihenfolge von dem ersten Betrieb, dem zweiten Betrieb und dem dritten Betrieb durchgeführt, wenn ein Klopfen in dem Übergangszustand erfasst wird, in dem die Maschinenwassertemperatur immer noch variiert wird. Diese Reihenfolge kann jedoch verändert werden. Auch kann anstelle eines Durchführens aller von dem ersten bis zum dritten Betrieb die Verzögerung der Zündzeit verwendet werden, um ein Klopfen zu verhindern, wenn ein Klopfen nach dem Durchführen von zwei Betrieben des ersten bis dritten Betriebs nicht beseitigt wird. Wenn ein Klopfen nicht beigelegt wird, nachdem ein Betrieb des ersten bis dritten Betriebs durchgeführt wird, kann zudem die Verzögerung der Zündzeit zur Klopfverhinderung verwendet werden.

Claims

Verbrennungsmaschine, welche konfiguriert ist, um in Abhängigkeit von einem Betriebsbereich zwischen einem stöchiometrischen Modus, in dem ein Betrieb bei einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, und einem mageren Modus, in dem ein Betrieb bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt wird, das magerer an Kraftstoff ist als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis, zu wechseln, aufweisend: eine variable Ventilvorrichtung (15), die konfiguriert ist, um eine Schließzeit eines Einlassventils (14) zu variieren; eine Ölstrahlvorrichtung (130), die konfiguriert ist, um Öl in Richtung einer Hinterseite eines Kolbens (8) auszustoßen; eine EGR Vorrichtung (100), die konfiguriert ist, um einen Teil von Abgas zu einer Einlasspassage (70) zu zirkulieren; eine Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50), die konfiguriert ist, um eine Temperatur von Kühlwasser anzupassen, das durch eine Auslassseite eines Maschinenkopfs (2) strömt; und eine Steuervorrichtung (120), die konfiguriert ist, um zumindest die variable Ventilvorrichtung (15), die Ölstrahlvorrichtung (130), die EGR Vorrichtung (100) und die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50) zu betreiben; wobei die Steuervorrichtung (120) derart konfiguriert ist, dass sie die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50) betreibt, so dass die Temperatur des Kühlwassers, welches den Maschinenkopf (2) durchströmt, einen ersten Temperaturbereich erreicht, wenn die Verbrennungsmaschine in dem mageren Modus betrieben wird, und die Maschinenwassertemperaturanpassungsvorrichtung (50) betreibt, so dass die Temperatur des Kühlwassers, welches durch den Maschinenkopf (2) strömt, einen zweiten Temperaturbereich erreicht, der ein niedrigerer Temperaturbereich als der erste Temperaturbereich ist, wenn die Verbrennungsmaschine in dem stöchiometrischen Modus betrieben wird, und wobei die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie durchführt: einen von einem ersten Betrieb, um die variable Ventilvorrichtung (15) zu betreiben, um so die Schließzeit des Einlassventils (14) zu verzögern, einem zweiten Betrieb, um die Ölstrahlvorrichtung (130) zu betreiben, um so einen Ölstrahlbetrag zu erhöhen, und einem dritten Betrieb, um die EGR Vorrichtung (100) zu betreiben, um einen EGR Betrag zu erhöhen, wenn ein Klopfen erfasst wird, nachdem ein Wechseln von dem mageren Modus auf den stöchiometrischen Modus gestartet wird; einen von den anderen zwei Betrieben durchführt, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem ein Betrieb von dem ersten bis dritten Betrieb durchgeführt worden ist; einen letzten Betrieb durchführt, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem zwei Betriebe von dem ersten bis dritten Betrieb durchgeführt worden sind; und eine Zündzeit von einer MBT Zündzeit verzögert, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem alle der Betriebe von dem ersten bis dritten Betrieb durchgeführt worden sind.
Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (120) derart konfiguriert ist, dass sie den ersten bis dritten Betrieb einen nach dem anderen in einer vordefinierten sequenziellen Reihenfolge durchführt bis das Klopfen beigelegt ist.
Verbrennungsmaschine nach Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung (120) derart konfiguriert ist, dass sie den ersten Betrieb von dem ersten bis dritten Betrieb durchführt.
Verbrennungsmaschine nach Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung (120) derart konfiguriert ist, dass sie, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem der erste Betrieb durchgeführt worden ist, den zweiten Betrieb durchführt, und, dass sie, wenn noch immer ein Klopfen erfasst wird, nachdem der zweite Betrieb durchgeführt worden ist, den dritten Betrieb durchführt.