DE69310674T2

DE69310674T2 - Steuereinheit für hochverdichtende Motoren unter Verwendung von verdampfenden Kraftstoffen

Info

Publication number: DE69310674T2
Application number: DE69310674T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1992-11-11
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: EP0597713B1; EP0597713A2; US5826558A; EP0597713A3; DE69310674D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuereinheit für Motoren mit hohem Kompressionsverhältnis, wobei flüchtiger flüssiger Brennstoff bei hohen Kompressionsverhältnissen verbrannt wird.
Es ist bekannt, daß der wärmewirkungsgrad von Verbrennungsmotoren durch Erhöhung des Brennstoff-Kompressionsverhältnisses verbessert wird. Zur Verbesserung des Wärmewirkungsgrades der Dieselmotoren unter Verwendung von Gasöl als Brennstoff wird das Kompressionsverhältnis bei etwa 20 festgelegt, und der Brennstoff wird zur Verbrennung in Druckluft eingespritzt.
Wenn flüchtige Brennstoffe wie Benzine oder Methanole zur Zylindereinspritzung verwendet werden, wie dies bei Dieselmotoren der Fall ist, verdampfen die Brennstoffe, bevor ein geeignetes Luft-Brennstoff-Gemisch erzeugt werden kann. Dies führt zu einer unzureichenden Mischung aus Luft und verdampftem Brennstoff.
Wenn eine Luft-Brennstof f-Vormischung in den Zylinder eingeführt und bis zu einem hohem Grad komprimiert wird, wie dies der Fall bei Normalbenzinmotoren ist, zündet die erhöhte Temperatur, die durch die Kompression verursacht wird, den Brennstoff vorzeitig, was zu einem Klopfen führt. Daher ist es schwierig, das Kompressionsverhältnis auf ein höheres Maß als das herkömmliche zu erhöhen.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinheit für diese Motoren zu schaffen, welche den Verbrennungswirkungsgrad verbessert, indem eine Nebenverbrennungskammer mit einem Steuerventil zum Verbrennen flüchtiger Brennstoffe bei hohen Kompressionsverhältnissen bereitgestellt wird, und indem das Öffnen/Schließen des Steuerventils in Übereinstimmung mit der Motorlast und der Temperatur der Nebenverbrennungskammer gesteuert wird.
US-A-4372264 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Funken- Zündung, der eine Brennstoff-Verdampferkammer aufweist. EP-A-0503973 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Wirbelkammern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor mit hohem Kompressionsverhältnis geschaffen, bei welchem Verdampfungsbrennstoffe verwendet werden, wobei der Motor folgendes umfaßt:
eine Hauptverbrennungskammer und eine wärmeisolierte Nebenverbrennungskammer, in der eine Vorverbrennung stattfindet;
ein Steuerventil, das einen Weg zwischen der Hauptverbrennungskammer und der Nebenverbrennungskammer öffnet/schließt; eine Einspritzdüse, die flüchtigen flüssigen Brennstoff in die Nebenverbrennungskammer einspritzt;
eine Zündkerze, die in der Nebenverbrennungskammer eingebaut ist und den eingespritzten Brennstoff zündet; und Mittel zur Steuerung des Öffnens/Schließens des Steuerventils, welche in Verwendung das Steuerventil zwischen der Endphase des Expansionshubs und dem Anfang des Auslaßhubs schließen; gekennzeichnet durch:
Mittel, die in Verwendung das Steuerventil in der Anfangsphase des Expansionshubs in Übereinstimmung mit dem Zustand der auf den Motor ausgeübten Last öffnen.
Das Steuerventil ist an dem Weg zwischen der Hauptkammer und der Nebenverbrennungskammer angeordnet, wo die Vorverbrennung der flüchtigen flüssigen Brennstoffe stattfindet. Der Brennstoff wird vorzugsweise in die Nebenverbrennungskammer bei geschlossenem Steuerventil eingespritzt. Das Luft-Brennstoff-Gemisch wird durch die Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer aktiviert, so daß durch die Temperatur der Innenwand eine Selbstzündung erfolgt. Wenn die Temperatur nieder ist, kann der Brennstoff durch die Zündkerze gezündet werden.
Wenn eine Teillast auf den Motor ausgeübt wird, kann das Steuerventil in der Anfangsphase des Expansionshubs geöffnet werden. Wenn das Steuerventil in der Endphase der Expansion geschlossen wird, bleiben die nicht verbrannten, warmen Abgase in der Nebenverbrennungskammer, wodurch der Einspritzbrennstoff im nächsten Zyklus aktiviert wird. Wenn auf den Motor eine Vollast ausgeübt wird, kann das Steuerventil in dem Auslaßhub geschlossen sein. Der hohe Auspuffdruck ermöglicht, daß die warmen Abgase in der Nebenverbrennungskammer bleiben, selbst wenn das Steuerventil geschlossen ist. Somit kann der Einspritzbrennstoff im nächsten Zyklus aktiviert werden, was zu einem Motor mit hohem Kompressionsverhältnis mit einer sehr wirkungsvollen Verbrennung führt.
Es können auch Mittel vorgesehen sein, die in Gebrauch das Steuerventil zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Kompressionshubs öffnen und das Steuerventil sofort schließen, wenn eine große Last auf den Motor ausgeübt wird.
Von den Zeichnungen ist:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Konstruktion eines Motors mit hohem Kompressionsverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem ein Verdampfungsbrennstoff verwendet wird,
Fig. 2 ein Kurvendiagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Kurbelwinkel, der in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und dem Öffnen/- Schließen des Steuerventils zeigt;
Fig. 3 ein Fließdiagramm, welches ein Beispiel der Operationen zeigt, die von dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden;
Fig. 4 ein Fließdiagramm, welches ein Beispiel von Operationen zeigt, die von dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden;
Fig. 5 ein Fließdiagramm, welches ein Beispiel von Operationen zeigt, die von dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden; und
Fig. 6 ein Kurvendiagramm, welches das Verhältnis zwi schen dem Kurbelwinkel, der in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und dem Öffnen/- Schließen des Steuerventils zeigt.
In der Folge wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Konstruktionsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors mit hohem Kompressionsverhältnis zeigt, bei dem Verdampfungsbrennstoffe verwendet wird.
In Fig. 1 ist der Zylinder 1 mit dem Kolben 2 ausgestattet, der frei in der senkrechten Richtung gleitet. Der Zylinderkopf 11 weist die Nebenverbrennungskammer 3 auf, die als Vorverbrennungskammer für flüchtiges Benzin und Methanol verwendet wird, sowie Einlaß- und Auslaßventile 4. Bei dem Kolbenboden 21 wird Keramik mit hoher Festigkeit und Wärmebeständigkeit verwendet. Die Oberseite des Kolbenbodens ist an der Seite der Nebenverbrennungskammer mit einer leichten Schräge ausgebildet. Der Teil, der dem Weg 31 zu der Nebenverbrennungskammer 3 entspricht, weist den Hohlraum 22 auf, der als Luftbehälter dient, welcher gemeinsam mit dem oberen Kolbenspalt des Kolbens 2 die Hauptverbrennungskammer 23 bildet.
Die Nebenverbrennungskammer 3 besteht aus Keramik mit hoher Festigkeit, Wärmebeständigkeit und hoher Wärmeisolierung, wie dies zum Beispiel bei Siliciumnitrid der Fall ist. Die Luftschicht 32 zur Wärmeisolierung ist um die Außenwand der Nebenverbrennungskammer gebildet. Die Mitte der Nebenverbrennungskammer ist mit dem Steuerventil 5 versehen, das den Weg 31 durch senkrechte Bewegung öffnet/schließt. Der Schaft 51 des Steuerventils 5 wird von der Schaftöffnung 33 in der oberen Wand der Nebenverbrennungskammer gehalten. Die Adsorptionsplatte 52, die an der Oberseite des Schafts angeordnet ist, öffnet/schließt durch ihre Saugkraft den Weg 31, indem die Stromversorgung des elektromagnetischen Mechanismus 34 gesteuert wird, der in dem oberen Teil der Nebenverbrennungskammer 3 angeordnet ist. Der Wärmeisolator ist zwischen der Nebenverbrennungskammer 3 und dem elektromagnetischen Mechanismus 34 angeordnet.
Die Einspritzdüse 6 ist an der Seitenwand der Nebenverbrennungskammer 3 eingebaut, um den flüchtigen Brennstoff aus der Einspritzpumpe 61 in die Nebenverbrennungskammer 3 einzuspritzen. Die Zündkerze 7 zündet den Brennstoff durch Funkenentladung, die verwendet wird, wenn die Zündung aufgrund des Zustandes der Motorlast oder geringen Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer 3 schwierig ist.
Das Steuergerät 8 besteht aus einem Microcomputer. Das Steuergerät führt die spezifizierte Operation aus, wenn die Nachweissignale von dem Umdrehungssensor 81, dem Lastsensor 82 und dem Kubelwellenpositionssensor 83 des Motors eingegeben werden. Dann werden Betriebsanweisungen an den elektromagnetischen Mechanismus 34, die Einspritzpumpe oder die Zündkerze 7 entsprechend dem Kennfeld und dem Steuervorgang, die in dem Steuergerät gespeichert sind, ausgegeben.
Fig. 2 ist ein Kurvendiagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Kurbelwinkel, der in dem Ausführungsbeispiel verwendet wird, und dem Öffnen/Schließen des Steuerventils zeigt. Fig. 3 und 4 sind Fließdiagramme, die ein Beispiel der Operationen des Ausführungsbeispiels zeigen. In der Folge werden die Operationen des Ausführungsbeispiels - führlich mit Bezugnahme auf diese Zeichnungen beschrieben.
In Schritt 1 in Fig. 3 werden das Motorumdrehungssignal von dem Umdrehungssensor 81, das Motorlastsignal von dem Lastsensor 82 bzw. das Positionssignal von dem Kurbelwellenpositionssensor 83 zum Steuergerät geleitet. Das Steuergerät prüft diese Signale und geht zu Schritt 3, wenn er nachweist, daß auf einen Teil des Motors in Schritt 2 Last ausgeübt wird. Wenn die Last größer als die festgelegte Last La ist, geht das Steuergerät zu Schritt 15 in Fig. 4.
In Schritt 3 werden der Zeitpunkt des Einspritzens von Brennstoff und der Zündung aufgrund des im Steuergerät gespeicherten Kennfelds bestimmt. Dann geht das Steuergerät zu Schritt 4, um Brennstoff aus der Einspritzdüse 6 einzuspritzen.
Wenn das Steuergerät nachweist, daß die Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer 3 geringer als die festgelegte Temperatur Tal in Schritt 5 ist, geht es zu Schritt 6 und führt die Zündung unter Verwendung der Zündkerze 7 aus, um die Verbrennung in der Nebenverbrennungskammer zu starten. In Schritt 7 öffnet das Steuergerät das Steuerventil 5 unter Verwendung des elektromagnetischen Mechanismus 34 zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kurbelwinkel im Kompressionshub αº (BTDC 30º bis 0º) nahe dem oberen Totpunkt erreicht. Dann wird Luft aus der Hauptverbrennungskammer in den Kompressionshub zur Verbrennung zugeführt und in die Hauptverbrennungskammer geblasen (Schritt 8). Wenn der Kurbelwinkel in dem Expansionshub θe (BBDC 30º bis ABDC 20º) erreicht, wird das Steuerventil 5, das offen war, geschlossen und der Motor über den Zeitraum vom Expansionshub zum Auslaßhub betrieben (Schritt 9 und 10).
Wenn die Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer 3 in Schritt 5 zu hoch ist, geht das Steuergerät zu Schritt 11. In diesem Fall verursacht die hohe Temperatur eine Selbstzündung in der Nebenverbrennungskammer. Dieselben Operationen (Schritt 12 bis 14) wie in den folgenden Schritten von Schritt 8 werden durch Öffnen des Steuerventils 5 ausgeführt, wenn der Kurbelwinkel αº nahe dem oberen Totpunkt erreicht.
Wenn die auf den Motor ausgeübte Last groß ist und infolgedessen das Steuergerät zu Schritt 15 geht, wie in Fig. 4 dargestellt, werden der Zeitpunkt zum Einspritzen von Brennstoff und der Zündung in Übereinstimmung mit der Motorlast bestimmt. Dann wird in Schritt 16 die Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer 3 geprüft. Wenn die Temperatur die festgelegte Temperatur Ta2 übersteigt, geht das Steuergerät zu Schritt 17. Im Falle des Kompressionshubs wird der Brennstoff aus der Einspritzdüse 6 eingespritzt, um durch die Temperatur der Innenwand gezündet zu werden (Schritt 18).
In Schritt 19 wird dem elektromagnetischen Mechanismus 34 Energie zum Öffnen des Steuerventils 5 zu dem Zeitpunkt zugeführt, zu dem der Kurbelwellenwinkel den festgelegten Winkel von a2&sup0; nahe dem oberen Totpunkt erreicht. Dann wird das Steuerventil 5 bei dem festgelegten Winkel Oel im Auslaßhub geschlossen (Schritt 20 bis 22). Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die Schließzeit des Steuerventils in Schritt 19 mit Verzögerung zu der Schließzeit festgelegt, wenn der Motor teilweise belastet ist.
Wenn die Wandtemperatur der Nebenverbrennungskammer 3 in Schritt 16 nieder ist, geht das Steuergerät zu Schritt 23 und dann zu Schritt 24, um das Einspritzen des Brennstoffs durchzuführen. Da die Selbstzündung bei niederer Wandtemperatur nicht stattfindet, wird der Brennstoff unter Verwendung der Zündkerze 7 in Schritt 25 gezündet.
In Schritt 27 wird das Steuerventil 5 zu dem Zeitpunkt geöffnet, zu dem der Kurbelwellenwinkel α3º erreicht, der eine verzögerung zu dem bei α2º in Schritt 19 festgelegten Zeitpunkt darstellt. In Schritt 28 wird das Steuerventil 5 zu dem Zeitpunkt geschlossen, zu dem der Kurbelwinkel den festgelegten Winkel von θe2 im Auslaßhub erreicht, und somit wird der Betrieb des Motors fortgesetzt.
Wie beschrieben, hat gemäß der vorliegenden Erfindung die Nebenverbrennungskammer, in der die Vorverbrennung des flüchtigen Brennstoffs stattfindet, einen wärmeisolierenden Aufbau, so daß die Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer steigt. Zusätzlich ist das Steuerventil an dem Weg zwischen der Haupt- und Nebenverbrennungskammer eingebaut. Der Brennstoff wird in die Nebenverbrennungskammer bei geschlossenem Steuerventil eingespritzt, und der Brennstoff wird unter Verwendung der Temperatur der Innenwand durch Selbstzündung oder bei niederer Temperatur unter Verwendung der Zündkerze gezündet. Das Luft-Brennstoff-Gemisch, das in der Nebenverbrennungskammer gezündet wurde, wird in die Hauptverbrennungskammer zur Verbrennung eingeblasen, indem das Steuerventil bei dem festgelegten Winkel um den oberen Totpunkt in Übereinstimmung mit der auf den Motor ausgeübten Last geöffnet wird. Zusätzlich wird das Steuerventil, das in der Anfangsphase des Expansionshubs geöffnet wurde, in der Endphase der Expansion geschlossen, um nicht verbrannte warme Gase in der Nebenverbrennungskammer zu sammeln, wenn die Last auf einen Teil des Motors ausgeübt wird, so daß der Brennstoff für den nächsten Einspritzzyklus verdampft und aktiviert wird. Das Steuerventil wird in dem Auslaßhub geschlossen, wenn die Last auf den gesamten Motor ausgeübt wird. Da der Auspuffdruck hoch ist, bleiben warme Abgase in der Nebenverbrennungskammer, selbst wenn das Steuerventil geschlossen ist. Infolgedessen wird der Brennstoff beim nächsten Einspritzen mit hohem Wirkungsgrad verdampft und aktiviert. Daher kann der flüchtige flüssige Brennstoff mit hohem Wirkungsgrad bei hohen Kompressionsverhältnissen verbrannt werden, ohne eine vorzeitige Zündung oder ein Klopfen herbeizuführen.
Fig. 5 ist ein Fließdiagramm des zweiten Ausführungsbeispiels.
In Schritt 31 in Fig. 5 werden die Anzahl der Motorumdrehungen, die Motorlast und die Kurbelwellenposition der Nachweissignale von dem Umdrehungssensor, dem Lastsensor 82 und dem Kurbelwellenpositionssensor 83 eingegeben. Danach wird die Motorlast, die in Schritt 32 eingegeben wird, geprüft.
Wenn der Nachweis erfolgt, daß die eingegebene Motorlast kleiner als die festgelegte Last La ist, wird zu Schritt 33 übergegangen, und der Zeitpunkt des Einspritzens des Brennstoff s und der Zündung werden bestimmt.
In Schritt 34 zündet das Steuergerät Brennstoff zu der festgelegten Zeit. In Schritt 35 zündet die Zündkerze 7 den Brennstoff durch Funkenentladung, und dann wird dem elektromagnetischen Mechanismus 34 Energie zum Öffnen des Steuerventils 5 nahe dem oberen Totpunkt zugeführt. In diesem Fall ist die Motorlast klein und erzeugt einen großen Luftüberschuß. Die Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches durch Zündung erzeugt einen hohen Druck in der Nebenverbrennungskammer und ermöglicht auch, den elektromagnetischen Mechanismus 34 zu öffnen, selbst wenn die elektromagnetische Kraft gering ist.
Wenn die auf den Motor ausgeübt Last in Schritt 32 groß ist, geht das Steuergerät zu Schritt 37 und es wird geprüft, ob es sich um den Kompressionshub handelt. Im Falle des Kompressionshubs geht das Steuergerät zu Schritt 38. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird das Steuerventil, nachdem es zu dem bestimmten Zeitpunkt des Kompressionshubs geöffnet wurde, sofort in Schritt 39 geschlossen und das Einspritzen von Brennstoff ausgeführt. Dann wird der Brennstoff unter Verwendung der Zündkerze 7 gezündet und das Steuerventil nahe dem oberen Totpunkt geöffnet (Schritt 40 bis 42). In diesem Fall strömt durch das Öffnen des Steuerventils im Kompressionshub eine große Luftmenge von der Hauptverbrennungskammer in die Nebenverbrennungskammer. Das Gemisch aus Luft und gezündetem Brennstoff aktiviert diese, und durch Zündung wird der Druck in der Nebenverbrennungskammer erhöht, so daß es leicht ist, das Steuerventil 5 zu öffnen.
In Schritt 33 wird die Prüfung durchgeführt, um festzustellen, ob es sich um den Auslaßhub handelt, und im Falle des Auslaßhubs wird das Steuerventil 5 geschlossen und zum ersten Fließdiagramm zurückgekehrt.
Ein Kurvendiagramm in Fig. 6 zeigt den Druck in der Nebenverbrennungskammer vom Kompressionshub zum Auslaßhub.
Die Zündung wird gut ausgeführt, selbst bei dem hohen Kompressionsverhältnis. Und wenn die Last hoch ist, wird der Druck in der Nebenverbrennungskammer erhöht, indem durch Öffnen/Schließen des Steuerventils Luft in die Nebenverbrennungskammer eingeleitet und der Brennstoff beim Einspritzen gezündet wird. Daher wird der Druckunterschied zwischen der Hauptverbrennungs- und Nebenverbrennungskammer verringert. Daher kann das Steuerventil selbst bei der geringen Antriebskraft geöffnet werden.

Claims

1. Motor mit hohem Kompressionsverhältnis, bei welchem Verdampfungsbrennstoffe verwendet werden, wobei der Motor folgendes umfaßt:

eine Hauptverbrennungskammer (23) und eine wärmeisolierte Nebenverbrennungskammer (3), in der eine Vorverbrennung stattfindet;

ein Steuerventil (5), das einen Weg (31) zwischen der Hauptverbrennungskammer (23) und der Nebenverbrennungskammer (3) öffnet/schließt;

eine Einspritzdüse (6), die flüchtigen flüssigen Brennstoff in die Nebenverbrennungskammer (3) einspritzt;

eine Zündkerze (7), die in der Nebenverbrennungskammer (3) eingesetzt ist und den eingespritzten Brennstoff zündet; und

Mittel (8) zur Steuerung des Öffnens/Schließens des Steuerventils (5), welche in Verwendung das Steuerventil zwischen der Endphase des Expansionshubs und dem Anfang des Auslaßhubs schließen; gekennzeichnet durch:

Mittel (8), die in Verwendung das Steuerventil (5) in der Anfangsphase des Expansionshubs in übereinstimmung mit dem Zustand der auf den Motor ausgeübten Last öffnen.

2. Motor nach Anspruch 1, welcher ferner Mittel (8) zum Schließen des Steuerventils (5) in der Endphase des Expansionshubs umfaßt, wenn eine Teillast auf den Motor ausgeübt wird, und am Anfang des Auslaßhubs, wenn eine volle Last auf den Motor ausgeübt wird.

3. Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welcher ferner Mittel (8) zur Steuerung der Zündung der Zündkerze (7) umfaßt, beruhend auf dem Verhältnis zwischen der Motorlast und der Temperatur der Innenwand der Nebenverbrennungskammer (3).

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend Mittel (8), die in Verwendung das Steuerventil (5) zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Kompressionshubs öffnen und das Steuerventil (5) sofort schließen, wenn eine große Last auf den Motor ausgeübt wird.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen elektromagnetischen Mechanismus (34) zum Öffnen des Steuerventils (5) durch eine elektromagnetische Kraft.