DE60133064T2

DE60133064T2 - Brennkraftmaschine mit externer Unterstützung für stabile Selbstzündung

Info

Publication number: DE60133064T2
Application number: DE60133064T
Authority: DE
Inventors: Koji Yokohama-shi Hiraya; Hiroshi Yokosuka-shi Miyakubo; Koudai Yokosuka-shi Yoshizawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP3835130B2; DE60133064D1; EP1164276B1; JP2001355449A; EP1164276A3; EP1164276A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, die mit Selbstzündungsverbrennung betätigt wird.
JP-A 10-196424 zeigt eine Selbstzündungs-Brennkraftmaschine. Entsprechend dieser bekannten Maschine hat jeder Zylinder zusätzlich zu einem hin- und hergehenden Kolben einen Steuerkolben. Die Zeit der Selbstzündung von dem Luft-/Kraftstoff-Gemisch wird durch den Steuerkolben bestimmt, der eine zusätzliche Verdichtung rund um den oberen Totpunkt des hin- und hergehenden Kolbens schafft. Mit dieser zusätzlichen Verdichtung kann das Luft-/Kraftstoff-Gemisch in der Temperatur, die für eine Selbstzündung hoch genug ist, angehoben werden.
JP-A 11-210539 zeigt eine Selbstzündungs-Brennkraftmaschine des Zündfunken- unterstützten Typs. Entsprechend dieses bekannten Motors wird eine offene Zeit des Einlassventiles eingestellt, um die Menge des Brenngases, das während des Einlasshubes des Kolbens eingezogen werden soll, zu variieren, um dadurch die Temperatur des Gases innerhalb der Brennkammer zu variieren. Ein Temperatursensor ist vorgesehen, um die Temperatur des Gases zu erfassen. Falls es festgestellt wird, dass die Temperatur des Gases innerhalb der Brennkammer nicht das Niveau der Ziel-Temperatur erreicht, wird die offene Zeit des Einlassventiles eingestellt, um die Gastemperatur so hoch wie das Niveau der Ziel-Temperatur beizubehalten. Auf dem Niveau der Ziel-Temperatur startet das Luft-/Kraftstoff-Gemisch, wenn durch die Zündkerze der Zündfunke erzeugt wird.
Die Selbstzündung kann auftreten, wenn bestimmte Bedingungen innerhalb einer Ladung des Luft-/Kraftstoff-Gemischs erfüllt werden. Bei der Selbstzündung findet eine Mengenverbrennung statt, die von vielen Zündorten innerhalb der Ladung gleichzeitig initiiert wird, was zu einer Verbrennung mit einer örtlich niedrigen Verbrennungstemperatur führt. Als von der Funkenzündungs-Verbrennung auf der Grundlage des Ausbreitens der Flammenvorderseite verschieden, ist bei der Selbstzündungs-Verbrennung, wo die Verbrennung durch die gesamte Ladung von vielen Zündorten gleichmäßig verteilt wird, die Temperatur des verbrannten Gases im Wesentlichen mit örtlich viel niedrigeren Temperaturwerten homogen, was zu einer sehr niedrigen NOx-Emission führt. Dieser Typ der Verbrennung ist nachteilig, wenn ein verhältnismäßig fettes Luft-/Kraftstoff-Gemisch gegenüber erhöhten Lastanforderungen verwendet wird. Wenn eine Ladung des fetten Luft-/Kraftstoff-Gemischs von vielen Zündorten verbrannt wird, steigt der Zy linderdruck zu schnell an, was zu einer Erzeugung von bemerkenswerten Schwingungen und zu Geräusch führt.
Ein Vorschlag solch eine schnelle Erhöhung im Zylinderdruck zu vermeiden, ist die Zündzeit bei ungefähr bei oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes festzulegen. Dies veranlasst die Verbrennung des meisten Kraftstoffes innerhalb der Ladung nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes stattzufinden. Bei der verzögerten Zündung geht der Anfangszustand der Verbrennung, wie sich der Kolben absenkt, weiter, was zu einer erhöhten Tendenz führt, eine instabile Verbrennung auszuführen. Somit ist eine Grenze vorhanden, die Zündzeit zu verzögern.
Demzufolge verbleibt zum Erweitern des Bereiches der Selbstzündungsverbrennung in die Richtung zu der erhöhten Last eine Notwendigkeit für das technische Arbeitsverfahren, eine stabile Ladungsverbrennung selbst mit einer verzögerten Zündzeit sicher zu stellen.
Wenn die bekannte Technologie der JP-A 10-196424 zum Ausführen der Selbstzündung während des Betriebs mit hoher Last verwendet wird, kann die Zündzeit auf die gewünschte verzögerte Kurbelposition eingestellt werden. Diese Technologie ist beim Einstellen der Zündzeit ausreichend, erfordert aber eine zusätzliche Leistung, um den Steuerkolben zu aktivieren, was zu einer Verschlechterung der Kraftstoffökonomie führt. Insbesondere wird der Grad der Verschlechterung in der Kraftstoffökonomie während des Leichtlast-Betriebes, wo der Einfluss des Kühlverlustes auf die Kraftstoffökonomie groß ist, groß.
Wenn die bekannte Technologie der JP-A 11-210539 zum Ausführen einer stabilen Zündung der homogenen Ladung verwendet wird, kann die Zündzeit infolge der Unterstützung durch den Zündfunken von einer Zündkerze gleich bleibend gehalten werden. Die Verwendung des Zündfunkens hat sich bewährt, um während der Bedingung, wo die Selbstzündung vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes gefordert wird, effektiv zu sein. Jedoch haben die Untersuchungen, die durch die Erfinder dieser Anmeldung ausgeführt worden sind, offenbart, dass es unmöglich ist, die Zündzeit weit genug zu verzögern, um die Selbstzündung zu veranlassen, ungefähr bei oder nach dem oberen Totpunkt stattzufinden. Demzufolge ist es bestätigt worden, dass diese bekannte Technologie beim Ausführen einer stabilen Selbstzündungsverbrennung während des Betriebs bei Hochlast nicht effektiv ist.
Eine geschichtete Ladung zwischen dem örtlich relativ fetten Luft-/Kraftstoff-Gemisch und dem umgebenden relativ mageren Luft-/Kraftstoff-Gemisch kann eine stabile Zündung bei der Selbstzündungs-Verbrennung erreichen. In der geschichteten La dung wird das Verbrennen infolge der Selbstzündung von dem örtlich fetten Luft-/Kraftstoff-Gemisch initiiert und die Temperatur und der Druck infolge dieses Verbrennens verursacht die Selbstzündungs-Verbrennung innerhalb des umgebenden mageren Luft-/Kraftstoff-Gemisches. Die Zeit der Kraftstoffzündung kann die Zündzeit festlegen. Wenn jedoch Kraftstoff mit einer niedrigen Zetanzahl, z. B. Benzin, verwendet wird, ist es schwierig, die Zündzeit unveränderlich beizubehalten, wenn die Zeit der Kraftstoffeinspritzung feststehend ist. Die Verzögerungszeit der Zündung zu einer Kurbelposition rund um oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes ist zu schwierig zu erreichen. Demzufolge ist die bekannte Technologie beim Ausführen der stabilen Selbstzündungs-Verbrennung während des Betriebs mit Hochlast nicht effektiv.
Die Verwendung eines zündfähigen Kraftstoffes wird vorgeschlagen, um die Zündzeit gleich bleibend zu halten. Dieser Vorschlag macht es möglich, das Verbrennungsereignis auf eine Kurbelposition nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes zu verzögern, um somit eine Selbstzündungs-Verbrennung während des Betriebs mit Hochlast zu gestatten. Falls diese Technologie auf eine Benzin-Brennkraftmaschine angewandt wird, erfordert ein Tank für den zündfähigen Kraftstoff zusätzlichen Raum. Zum Minimieren des zusätzlichen Raumes sollte das Volumen des Raumes reduziert werden, indem das Ausführen des Einspritzens von zündfähigem Kraftstoff nur dann erfolgt, wenn es erforderlich ist, um den Verbrauch von zündfähigem Kraftstoff zu unterdrücken.
Es ist ein so genannter geschichtete Ladungs-Selbstzündungsverbrennung vom Zündfunken- unterstützten Typ bekannt. Entsprechend dieses Verbrennungsverfahrens wird das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch rund um eine Zündkerze fett genug gemacht, um durch einen Zündfunken zündbar zu sein. Das Verbrennen des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Gemischs verursacht die Selbstzündung des umgebenden relativ mageren Luft-/Kraftstoff-Gemischs. Dieses Verbrennungsverfahren wird in die Betrachtung einbezogen, als während des Betriebs mit einer hohen Last effektiv zu sein, weil die Zündzeit auf eine Kurbelposition rund um oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes verzögert werden kann. Das Luft-/Kraftstoff-Gemisch rund um die Zündkerze sollte für eine stabile Flammenausbreitung rund um die Stöchiometrie festgelegt werden. Falls es mager ist, wird es schwierig, durch den Zündfunken zu zünden. Falls es zu fett ist, dreht es nach dem Verbrennen, das durch den Zündfunken initiiert wird, in Ruß und Kohlenwasserstoff (HC). Diese Selbstzündungsverbrennung vom Zündfunken- unterstützten Typ kann keine stabile Verbrennung durch die gesamte Ladung innerhalb des Zylinders während des Betriebs bei leichter Last schaffen. Falls das örtliche Luft-/Kraftstoff Ge misch rund um die Zündkerze ungefähr auf die Stöchiometrie festgelegt wird, wird das Luft-/Kraftstoff-Gemisch, das den verbleibenden Abschnitt des Zylinders einnimmt, unvermeidlich extrem mager, was zu einer instabilen Selbstzündung durch die gesamte Zylinderladung führt, obwohl eine stabile Flammenausbreitung durch das gesamte örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch geschaffen wird. Als ein Ergebnis wird keine stabile Verbrennung während des Betriebs mit leichter Last erwartet. Die Flammenausbreitung erzeugt NOx und die instabile Verbrennung erzeugt Kohlenwasserstoff (HC), was zu einer erhöhten Emission von NOx und HC führt.
Das Stand der Technik-Dokument WO 99/42718 lehrt eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und einem hin- und hergehenden Kolben innerhalb des Zylinders, um eine Brennkammer zu bilden. Die Brennkraftmaschine kann eine vorgemischte geladene Verdichtungszündung mit einer optimalen Verbrennungssteuerung ausführen. Die Brennkraftmaschine kann in einem Selbstzündungs-Modus betrieben werden, wobei eine Verdichtungszündung verwendet wird, um die Selbstzündung auszulösen. Außerdem kann der Motor des Stand der Technik-Dokuments WO 99/42718 innerhalb des Funkenzündungs-Modus betrieben werden, wobei das Luft-/Kraftstoff-Gemisch durch eine Zündkerze gezündet wird. Insbesondere wird das Luft-/Kraftstoff-Gemisch gezündet und die Luft-/Kraftstoff-Gemischladung wird durch die Flammenausbreitung durch die gesamte Brennkammer verbrannt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einer hohen Verbrennungsleistung zu schaffen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger geschätzt werden, wenn dieselbe aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden wird, wenn die Betrachtung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, in denen die gleichen Bezugszahlen und Bezugszeichen die gleichen oder entsprechende Teile durch mehrere Ansichten bezeichnen.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Lehre darstellt.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das die vorliegende Lehre implementiert.
3 ist ein gesamter A/F-Plan, der ein Veränderungsmerkmal des gesamten Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses (AFall) innerhalb des Zylinders gegen die sich verändernden Betriebsbedingungen zeigt, die durch die Motordrehzahl (Ne) und die Lastanforderung (Te) repräsentiert werden.
4 ist ein örtlicher A/F-Plan, der ein Veränderungsmerkmal des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses (AF2) gegen die sich veränderten Betriebsbedingungen zeigt, die durch die Motordrehzahl (Ne) und die Lastanforderung (Te) repräsentiert werden.
5 ist ein Einspritzplan, der ein Veränderungsmerkmal der Einspritzzeit (IT2) gegen die sich veränderten Betriebsbedingungen zeigt, die durch die Motordrehzahl (Ne) und die Lastanforderung (Te) repräsentiert werden.
6 ist ein Blockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Lehre darstellt.
7 ist ein Blockdiagramm, das ein drittes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Lehre darstellt.
8 ist ein Blockdiagramm, das ein viertes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Lehre und die Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 darstellt.
1 sieht ein Blockdiagramm einer mit Benzinkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine vor.
In der 1 ist der Bereich einer Brennkammer des Motors gezeigt. Der Motor hat einen Zylinderkopf 10 und einen Zylinderblock 11. Er hat zumindest einen Zylinder 12 mit einem Kolben 13, der darin hin- und hergeht, um eine Brennkammer 3 zu bilden. Eine Zündkerze 1 und ein Kraftstoffeinspritzventil 2 sind für die Brennkammer 3 vorgesehen. Die Zündkerze 1 kann innerhalb der Brennkammer 3 einen Zündfunken erzeugen, während das Kraftstoffeinspritzventil 2 den Kraftstoff direkt in die Brennkammer 3 einspritzen kann. Die Brennkammer 3 ist mit den Einlass- und Auslassöffnungen 4 und 6 über die Einlass- und Auslassventile 14 und 15 in Verbindung, die durch die veränderbaren Ventilsteuerungen 40 und 42 betätigt werden.
Die verschiedenen Sensoren sind vorgesehen, um beim Erreichen der Selbstzündung bei einem angemessenen Zündpunkt über einen breiten Bereich der Motordrehzahl und -last zu unterstützen. Die verschiedenen Sensoren können einen Luftströ mungsmesser 5, der stromauf der Einlassöffnung 4 zum Messen der Einlassluftmenge angeordnet ist, einen Kurbelwinkelsensor 7 und einen Beschleunigerwinkelsensor 8 enthalten. Der Kurbelwinkelsensor 7 erfasst einen Kurbelwinkel oder eine Kurbelposition des Motors. Der Beschleunigerwinkelsensor 8 erfasst den Beschleunigeröffnungsgrad, der die Lastanforderung durch einen Betätiger repräsentiert.
Die Motorsteuerung 9 nimmt Signale von den verschiedenen Sensoren auf und bestimmt die Einspritzzeit und die Kraftstoffmenge für Benzinkraftstoffeinspritzer sowie die Zündzeit.
Entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels wird die Brennkammer 3 gebildet durch einen ersten Verbrennungsraumabschnitt 3a zwischen dem Zylinderkopf 10 und einer Kronenoberfläche des Kolbens 13, und einem zweiten Verbrennungsraumabschnitt 3b, der von der Kronenoberfläche des Kolbens 13 nach innen ausgespart ist.
In Bezug auf die 2 stellt das Ablaufdiagramm ein Steuerprogramm des ersten Ausführungsbeispiels entsprechend der vorliegenden Lehre dar. In dem Schritt S1 gibt die Steuerung 9 eine Information, wie die Motordrehzahl Ne und die Lastanforderung Te durch das Ausführen einer Berechnung auf der Grundlage eines Ausgangssignals von dem Beschleunigerwinkelsensor 7 und einer Berechnung auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem Beschleunigerwinkelsensor 8 ein. In dem Schritt S2 gibt die Steuerung 9 eine Information bezüglich der Einlassluftmenge Qair durch das Ausführen einer Berechnung auf der Grundlage des Ausgangssignales von dem Strömungsmesser 5 ein.
In dem nächsten Schritt S3 führt die Steuerung 9 einen Tabellen-Aufsuchvorgang vom Plan der 3 aus, um einen Wert des gesamten Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwenden der Motordrehzahl Ne und der Lastanforderung Te festzulegen. Die angemessenen Werte des gesamten Luft-/Kraftstoff Verhältnisses AFall können in dem Plan der 3 gefunden werden. Das gesamte Luft-/Kraftstoff-Verhältnis AFall repräsentiert ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, das erforderlich ist, wenn der Zylinder mit einer homogenen Ladung gefüllt ist.
In dem Schritt S4 legt die Steuerung 9 die gesamte Kraftstoffmenge Qall für die Einspritzungen pro einem Zyklus durch das Berechnen der folgenden Gleichung aus: Qall = Qair/AFall (1).
In dem Schritt S5 führt die Steuerung 9 einen Tabellen-Aufsuchvorgang vom Plan der 4 aus, um ein örtliches Luft-/Kraftstoff-Verhältnis AF2 unter Verwenden der Motordrehzahl Ne und der Lastanforderung Te festzulegen. Das örtliche Luft-/Kraftstoff-Verhältnis repräsentiert ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis eines örtlichen Gemisches, das rund um die Zündkerze 1 gebildet ist. Die angemessenen Werte des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses AF2 können in dem Plan der 4 gefunden werden. Wie in der 4 gezeigt, wird während des Betriebs im Hochlastbereich, wo das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch durch externe Unterstützung, in diesem Ausführungsbeispiel z. B. durch eine Zündkerze, gezündet werden soll, das örtliche Luft-/Kraftstoff-Verhältnis AF2 bei der Stöchiometrie gehalten. Während des Betriebs mit einer leichten oder mittleren Last, wo die externe Unterstützung, z. B. einen Zündfunken, nicht erforderlich ist und die Selbstzündung durch das gesamte örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch stattfindet, ist das Luft-/Kraftstoff- Verhältnis AF2 größer als die Stöchiometrie, um ein mageres Luft-/Kraftstoff-Gemisch zu schaffen. Je leichter die Lastanforderung wird, desto magerer wird das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch.
In dem Schritt S6 gibt die Steuerung 9 ein Volumenverhältnis (V3b/V3a) zwischen dem zweiten Verbrennungsraum 3b und dem ersten Verbrennungsraum 3a am oberen Totpunkt des Kolbens 13 ein. Dieses Verhältnis wird durch die Auslegungswerte des Motors bestimmt und in einem Speicher der Steuerung 9 gespeichert.
In dem Schritt S7 bestimmt die Steuerung 9 die Kraftstoffmenge Q2w für das Einspritzen auf der Grundlage des Volumenverhältnisses (V3b/V3a), der Einlassluftmenge Qair, der gesamten Kraftstoffmenge Qall und des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses AF2 durch das Berechnen der folgenden Gleichung: Q2 = (V3b/V3a) × (Qair/AF2 – Qall) (2)
In dem Schritt S8 legt die Steuerung 9 die Kraftstoffmenge Q1 für das Einspritzen fest, um ein Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemisch durch das Berechnen der folgenden Gleichung zu bilden: Q1 = Qall – Q2 (3).
In dem Schritt S9 führt die Steuerung 9 den Tabellen-Aufsuchvorgang vom Plan der 5 unter Verwenden der Motordrehzahl und der Lastanforderung Te aus, um die Einspritzzeit IT2 für die Einspritzung des Kraftstoffes für die Zündung festzulegen. Die angemessenen Werte für die Einspritzzeit IT2 können in dem Plan der 5 gefunden werden. Wie in der 5 gezeigt kann während des Betriebs mit einer Hochlast, wo das örtliche Gemisch durch eine externe Unterstützung in der Form eines Zündfunkens gezündet werden soll, die Einspritzzeit IT2 konstant gehalten werden. Während des Betriebs mit leichter oder mittlerer Last, wo keine externe Unterstützung erforderlich ist, um die Selbstzündung zu veranlassen, durch das örtliche Gemisch stattzufinden, rückt die Einspritzzeit IT2 vor, wie sich die Lastanforderung erhöht. Das Festlegen erfolgt derart, dass die Einspritzzeit IT2 während des Betriebs bei der Hochlast gegenüber während des Betriebes bei leichter oder mittlerer Last verzögert wird. Dieses Festlegen ist erforderlich, um eine Selbstzündung innerhalb des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Gemischs vor dem Zündfunken, der auf eine Kurbelposition rund um den oberen Totpunkt festgelegt wird, zu verhindern.
In dem Schritt S10 legt die Steuerung 9 auf der Grundlage der Motordrehzahl Ne und der Lastanforderung Te fest, ob oder nicht eine externe Unterstützung in der Form eines Zündfunkens erforderlich ist, um eine Flamme zu erzeugen, um die Selbstzündung innerhalb des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemisches auszulösen. In dem Schritt S11 instruiert die Steuerung 9 das Zündsystem, einen Zündfunken zu der Zeit des Zündzeitpunktes zu erzeugen, um das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch zu zünden, um eine Flamme zu erzeugen, um die Selbstzündung innerhalb des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemisches auszulösen. Wenn die Befragung in dem Schritt S10 zu einem negativen Ergebnis führt, so dass keine externe Unterstützung in der Form eines Zündfunkens erforderlich ist, um eine Flamme zu erzeugen, geht die Steuerung zu dem Schritt S12. In dem Schritt S12 wird die Steuerung 9 keine Aktion für die Erzeugung eines Zündfunkens vornehmen, lässt das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch durch die Selbstzündung verbrennen, um die Selbstzündung des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemischs auszulösen.
Während des Einleitungshubes des Kolbens führt das Kraftstoffeinspritzventil eine erste Einspritzung der Menge Q1 von Kraftstoff aus. Der eingespritzte Kraftstoff mischt sich mit der Einlassluft. Um ein homogenes Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders 12 zu bilden. Das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemischs wird auf der mageren Seite der Stöchiometrie festgelegt, so dass die Selbstzündung innerhalb des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemischs um den oberen Totpunkt des Verdichtungshubes nicht stattfinden wird. Anschließend führt, während der zweiten Hälfte des Verdichtungshubes das Kraftstoffeinspritzventil 2 eine zweite Einspritzung der Menge Q2 von Kraftstoff für die Zündung bei der Einspritzzeit IT2 aus. Falls es auf der Grundlage der Motordrehzahl Ne und der Lastanforderung Te festgestellt wird, dass eine externe Unterstützung notwendig ist, wird die Kraftstoffmenge Q2 für die zweite Einspritzung festgelegt, ein örtliches Luft-/Kraftstoff-Gemisch mit AF2 so groß wie die Stöchio metrie zu schaffen. Falls es festgestellt wird, dass die externe Unterstützung nicht erforderlich ist, wird die Kraftstoffmenge Q2 festgelegt, ein sehr mageres örtliches Luft-/Kraftstoff-Gemisch mit AF2 nahezu zweimal so groß wie die Stöchiometrie zu schaffen. Auf diese Weise findet während des Betriebs mit leichter Last die Selbstzündung durch das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch statt, um die Selbstzündung innerhalb des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemischs auszulösen. Während des Betriebs mit hoher Last wird die Ausbreitung der Flamme infolge der Funkenzündung des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Gemischs die Selbstzündung innerhalb des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemischs auslösen.
Wenn sich die Motordrehzahl Ne erhöht wird die Zeit, die benötigt wird, den Kraftstoff in die Richtung zu der Selbstzündung zu reformieren, kurz, was eine stabile Selbstzündung des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Gemischs hemmt. Demzufolge erstrecken sich entsprechend dieses Ausführungsbeispiels, je höher die Motordrehzahl Ne wird, desto weitere Arbeitspunkte, bei denen externe Unterstützung erforderlich ist, in solch einer Richtung, um eine Reduzierung der Lastanforderung Te zu veranlassen, wie leicht aus den 4 und 5 gesehen werden kann.
Außerdem ist während des Betriebs bei niedrigen Drehzahlen, ähnlich dem Leerlaufbetrieb, ausreichend Zeit vorhanden, die verwendet werden kann, um den Kraftstoff zu reformieren, wohingegen der Kühlverlust groß ist, um ein Freigeben der Wärme von dem Zylinder zu veranlassen, was es schwierig macht, die Temperatur innerhalb des Zylinders hoch genug für die Selbstzündung zu halten. Demzufolge ist entsprechend dieses Ausführungsbeispiels eine externe Unterstützung in der Form eines Zündfunkens vorgesehen, um die Zündung des örtlichen Luft-/Kraftstoff-Gemischs sicher zu stellen, um das Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemisch während des Betriebs bei Motordrehzahlen auszulösen, die, wie in den 4 und 5 gezeigt, in einen vorbestimmten niedrigen Motordrehzahlbereich unabhängig von der Größe der Lastanforderung fallen.
6 sieht ein Diagramm vor, das das zweite Ausführungsbeispiel entsprechend der vorliegenden Lehre zeigt.
Das zweite Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen dasselbe wie das erste Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel ist jedoch von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch verschieden, dass ein Kolben 13 nicht mit einer Aussparung innerhalb seiner Krone versehen ist und der Zylinderkopf 10 eine Brennkammer vom V-förmigen, nach innen geneigten Einschnitt-Typ hat. Als verschieden von dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Kraftstoffeinspritzventil 2 unter der Einlassöffnung 4 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff zum Verteilen rund um die Zündkerze 1 angeordnet.
Beim Anwenden der Steuerungslogik, die durch das Ablaufdiagramm der 2 dargestellt ist, ist eine Brennkammer 3 in einen ersten Verbrennungsraum 3a und einen zweiten Verbrennungsraum 3b geteilt. Der zweite Verbrennungsraum 3b hat ein Volumen rund um die Zündkerze 1. Der zweite Verbrennungsraum hat ein Volumen, das aus dem Subtrahieren des Volumens des zweiten Verbrennungsraums 3b von dem Volumen der Brennkammer 3 an dem oberen Totpunkt resultiert. Ein Volumenverhältnis V3b/V3a wird auf der Grundlage des ersten Verbrennungsraums und des zweiten Verbrennungsraums 3a und 3b, wie zuvor ausgeführt, bestimmt. Beim Verwenden des so bestimmten Volumenverhältnisses ist dieselbe Logik, wie entlang des Ablaufdiagramms der 2 erläutert, in diesem zweiten Ausführungsbeispiel gleichermaßen anwendbar.
Aus der vorhergehenden Beschreibung wird es deutlich, dass die vorliegende Lehre auf verschieden unterschiedliche Typen der herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit geringfügigen Modifikationen anwendbar ist. Die verschiedenen Motoren enthalten einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung und einen Benzinmotor mit geschichteter Direkteinspritzung, wobei beide von ihnen, wie in der 1 gezeigt, mit einem Kolben mit einer Kronenaussparung versehen sind, und einen allgemein verbreiteten Benzinmotor, wie in der 6 gezeigt. Demzufolge ist keine wesentliche Modifikation an den vorhandenen Motoren erforderlich, um die vorliegende Lehre anzuwenden.
7 sieht ein Diagramm vor, das das dritte Ausführungsbeispiel darstellt. In dem dritten Ausführungsbeispiel wird eine externe Unterstützung in der Form einer zusätzlichen Verdichtung an Stelle des Zündfunkens verwendet.
Das dritte Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen dasselbe wie das zweite Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme des Vorsehens des Steuerkolbens 21 an Stelle der Zündkerze 1 und des Gebrauchs einer einzelnen Einspritzung während des Betriebs mit hoher Last.
In der 7 ist der Steuerkolben 21 hin- und hergehend innerhalb einer Zylinderbohrung 23 angeordnet. Die Zylinderbohrung 23 ist in direkter Verbindung mit einer Brennkammer 3. Eine Nocken-Antriebseinrichtung 22 ist eingerichtet, um den Steuerkolben 21 betätigbar anzutreiben. Wenn keine Nocken-Antriebseinrichtung 22 eingerichtet werden kann, kann der Steuerkolben 21 nicht angetrieben werden. Entsprechend dieses Ausführungsbeispiels ist während des Betriebs mit hoher Last die Nocken-Antriebseinrichtung 22 betätigbar eingerichtet, um den Steuerkolben 21 rund um den oberen Totpunkt des Verdichtungshubes unter Hinzufügung einer zusätzlichen Verdichtung im Rauminhalt des Zylinders 12 anzutreiben, um eine Selbstzündung des Haupt-Luft-/Kraftstoff-Gemischs zu verursachen. Während des Betriebs bei leichter Last ist die Nocken-Antriebseinrichtung 22 nicht betätigbar eingerichtet, um den Steuerkolben 21 nicht zu betätigen, wobei der Steuerkolben 21 in Ruhe verbleibt.
Zusätzlich ist Energie zur Aktivierung des Steuerkolbens 21 erforderlich. Der Steuerkolben 21 wird jedoch während des Betriebs mit leichter Last in Ruhe gelassen, so dass eine Erhöhung im Kraftstoffverbrauch infolge der Aktivierung des Steuerkolbens 21 unterdrückt wird.
8 sieht ein Diagramm vor, das das vierte Ausführungsbeispiel und die Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird an Stelle einer zusätzlichen Verdichtung oder eines Zündfunkens eine externe Unterstützung in der Form des Einspritzens von zündfähigem Kraftstoff verwendet.
Dieses Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen dasselbe wie das dritte Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass ein Kraftstoffeinspritzventil 31 an Stelle des Steuerkolbens 21 vorgesehen ist.
In dem vierten Ausführungsbeispiel ist das Kraftstoffeinspritzventil 31 zusätzlich zu dem Kraftstoffeinspritzventil 2 vorgesehen. Das Kraftstoffeinspritzventil 2 führt die Einspritzung von Kraftstoff mit einer niedrigen Zetanzahl während des Einlasshubes aus, um dadurch ein mageres Luft-/Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Brennkammer 3 rund um den oberen Totpunkt des Verdichtungshubes zu bilden. Das Kraftstoffeinspritzventil 31 ist zum Ausführen des Einspritzens von zündfähigem Kraftstoff mit einer hohen Zetanzahl bei der Einspritzzeit rund um den oberen Totpunkt vorgesehen. Der zündfähige Kraftstoff, z. B. Benzin, wird aus einem separaten Tank zu dem Kraftstoffeinspritzventil 31 geliefert.
Während des Betriebs mit hoher Last verursacht die Kraftstoffeinspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 2 die Erzeugung des mageren Luft-/Kraftstoff-Gemischs innerhalb des Zylinders 12. Anschließend wird zu der Einspritzzeit während des Verdichtungshubes der zündfähige Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil 31 eingespritzt. Die Selbstzündung innerhalb des zündfähigen Kraftstoffes findet unmittelbar nach der Zündung statt, was eine Selbstzündung innerhalb des Luft-/Kraftstoff-Gemischs verursacht. Während des Betriebs mit leichter Last wird die Zündung des zündfähigen Kraftstoffes nicht ausgeführt. Unter diesen Betriebsbedingungen führt das Kraftstoffeinspritzventil 2, ähnlich wie in den anderen Ausführungsbeispielen, die erste Einspritzung von Kraftstoff während des Einlasshubes aus, um ein mageres Luft-/Kraftstoff-Gemisch zu bilden, und die zweite Einspritzung von Kraftstoff für die Zündung zu einem Zeitpunkt während des anschließenden Verdichtungshubes.
Entsprechend des vierten Ausführungsbeispiels wird die Verwendung von zündfähigem Kraftstoff begrenzt, um mit leichter Last zu arbeiten, so dass das Volumen des Tanks für den zündfähigen Kraftstoff auf das erforderlich minimale Niveau reduziert werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (12), einem hin- und hergehenden Kolben (13) innerhalb des Zylinders (12), um darin eine Brennkammer (3) zu bilden, wobei eine Selbstzündung innerhalb des Luft-/Kraftstoff-Gemisches durch die Selbstzündung von einem lokalen Luft-/Kraftstoff-Gemisch unter ersten vorbestimmten Betriebsbedingungen ausgelöst wird und eine Selbstzündung innerhalb des Luft-/Kraftstoff-Gemisches durch externe Unterstützung unter zweiten vorbestimmten Betriebsbedingungen ausgelöst wird, ein Kraftstoffeinspritzventil (2) eine Kraftstoffeinspritzung für die Selbstzündung unter den ersten vorbestimmten Betriebsbedingungen ausführt und ein Kraftstoffeinspritzventil (2) eine Kraftstoffeinspritzung für die Zündung durch die externe Unterstützung unter zweiten vorbestimmten Betriebsbedingungen ausführt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das örtliche Luft-/Kraftstoff-Gemisch einen Verbrennungsraum (3a) der Brennkammer (3) einnimmt und durch Selbstzündung unter Bedingungen, die innerhalb des Zylinders (12) unter den ersten vorbestimmten Betriebsbedingungen erzeugt werden, beginnt, zu verbrennen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsbedingungen durch Motordrehzahl (Ne) und Lastanforderung (Te) repräsentiert werden, und je höher die Motordrehzahl (Ne) wird, desto weiter sich die Arbeitspunkte, bei denen die externe Unterstützung erforderlich ist, in solch eine Richtung erstrecken, um eine Reduzierung in der Lastanforderung (Te) zu verursachen.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweiten vorbestimmten Betriebsbedingungen den Motorbetrieb mit hoher Last, Motorbetrieb bei Leerlauf oder niedrigen Motordrehzahlen enthalten.
Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einspritzung von Kraftstoff zur Zündung zu einer Einspritzzeit während des Verdichtungshubs des Kolbens (13) stattfindet.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kraftstoff, eingespritzt zur Zündung, bei annähernd dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs des Kolbens (13) beginnt zu verbrennen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kraftstoffmenge für die Kraftstoffeinspritzung zur Zündung unter den zweiten vorbestimmten Betriebsbedingungen größer als die Kraftstoffmenge unter den ersten vorbestimmten Betriebsbedingungen ist.