DE69331779T2

DE69331779T2 - Steuervorrichtung und vorrichtung zur erzeugung von wirbeln in brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69331779T2
Application number: DE69331779T
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Komuro; Minoru Ohsuga; Junichi Yamaguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2013-07-10
Also published as: EP1088975A1; EP1130235A2; EP0664384B1; US20010035154A1; KR950703695A; EP0664384A1; EP1130235B1; JP3422024B2; US6443124B2; EP1088975B1; KR100329166B1; EP1130235A3; EP0664384A4; WO1995002118A1; DE69331779D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine, in der entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine in der Brennkammer Wirbel erzeugt werden, um die Verbrennung sogar bei einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis zu verbessern.

STAND DER TECHNIK

Der Stand der Technik zur Verbesserung des Verbrennungsvermögens durch Erzeugen von Wirbeln in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine ist bekannt. Weiter ist auch eine Technologie zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bekannt, bei der während einem Betriebszustand mit niedriger Last ein Magerbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, um den Pumpverlust der Brennkraftmaschine zu verringern.
Durch Kombinieren der obengenannten Technologien wird eine Brennkraftmaschine während eines Betriebszustands mit niedriger Last unter den Bedingungen eines mageren Gemisches betrieben und es werden Wirbel erzeugt, um die Verbrennung zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs zu verbessern, was als sogenannte Magerverbrennungsmotortechnologie wohlbekannt ist.
In der derartigen Technologie wird der Wirbel vorzugsweise entsprechend dem Betriebszustand des Motors in einer optimalen Stärke eingestellt. Insbesondere wird der Wirbel während eines Betriebszustands mit niedriger Last verstärkt, um die Verbrennung zu verbessern, und während eines Betriebszustands mit hoher Last wird der Wirbel abgeschwächt, um eine große Luftmenge anzusaugen, um die Ausgangsleistung zu erhöhen. Zum Verständnis des oben Genannten ist eine Technologie beispielsweise in der JP 61 058 921 A offenbart, wobei ein Motor der Bauart mit zwei Einlaßventilen derart aufgebaut ist, daß eines der Einlaßventile eine gerade Öffnung bildet, die ein Einlaßsteuerventil aufweist, und das andere eine spiralförmige Öffnung bildet, die einen Umgehungskanal aufweist, die durch das Einlaßsteuerventil geöffnet wird. Mit diesem Aufbau wird das Einlaßsteuerventil während eines Betriebszustands mit niedriger Last geschlossen gehalten, um Luft ausschließlich durch den Kanal auf der Seite der spiralförmigen Öffnung anzusaugen, um einen starken Wirbel in der Brennkammer zu erzeugen. Andererseits wird das Einlaßsteuerventil während eines Betriebszustands mit hoher Last offengehalten, um Luft durch die spiralförmige Öffnung und die gerade Öffnung und weiter durch einen Umgehungskanal anzusaugen, wobei der Umgehungskanal die Seite der geraden Öffnung mit der Seite der spiralförmigen Öffnung verbindet, um die Ausgangsleistung durch die ansteigende Luftmenge zu erhöhen.
Jedoch ergeben sich bei einem solchen Motor der wie oben gezeigt aufgebaut ist, folgende Probleme, wenn der Motor unter verschiedenen Bedingungen betrieben wird.
Zunächst gibt es prinzipiell nur einen Mechanismus, der einen optimalen Wirbel erzeugt, und folglich ist es nicht möglich, die Betriebsbedingungen des Motors einzustellen, in denen ein optimaler Wirbel erzeugt wird, mit Ausnahme einer einzigen Bedingung. Daher kann beispielsweise, wenn der Motor so eingestellt ist, daß ein optimaler Wirbel während eines Betriebszustands mit geringer Last bei einem Zustand, in dem das Einlaßsteuerventil geschlossen gehalten wird, erzeugt wird, während eines Betriebszustands des Motors mit mittlerer Last des Motors die notwendige Einlaßluftmenge nicht alleine durch die spiralförmige Öffnung zugeführt werden und folglich entsteht das Problem, daß der Betriebsbereich des Motors, in dem der Motor mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben werden kann, verkleinert wird. Im Gegensatz dazu, wenn der Motor so eingestellt ist, daß ein optimaler Wirbel während einem Betriebszustand mit mittlerer Last erzeugt wird, entsteht während eines Betriebszustands des Motors mit geringer Last ein Problem, daß der Wirbel wegen der Verringerung der Lufteinlaßgeschwindigkeit abgeschwächt wird.
Während eines Betriebszustands des Motors mit hoher Last entsteht das Problem, daß die Ausgangsleistung, im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor mit zwei geraden Öffnungen, wegen der Verringerung der Einlaßluftrate vermindert ist obwohl eine große Luftmenge durch die spiralförmige Öffnung angesaugt wird und der Wirbel durch den Umgehungskanal abgeschwächt ist.
Weiter wird in einem Motor, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, ein einzelner großer Wirbel in der horizontalen oder in einer schrägen Richtung innerhalb der Brennkammer erzeugt. Jedoch entsteht das Problem, daß solch ein großer Wirbel eine kleine Auswirkung auf die Verbesserung der Verbrennung hat, weil die Rotationsenergie eines großen Wirbels einen vergleichsweise kleinen Effekt auf die Mischung von Luft und Kraftstoff hat. Insbesondere in einem fremdgezündeten Motor mit Kraftstoffeinspritzung, in dem Fall, daß er wie oben beschrieben zwei Einlaßventile aufweist, wird der Kraftstoffnebel von einem Einspritzventil im allgemeinen als bidirektionale Nebelströme ausgebildet, die von der Einlaßleitung zu den Einlaßventilen gerichtet sind. Jedoch haftet der Nebel an der Wand der Einlaßleitungspassage oder der Wand der Brennkammer an. Während eines Betriebszustands des Motors mit mittlerer Last wird der Kraftstoff durch den wie oben beschriebenen horizontalen oder schräg ausgerichteten großen Wirbel seitlich in die Brennkammer geblasen, was das Problem verursacht, daß der Kraftstoff in Wandnähe ausgestoßen wird ohne verbrannt zu werden, und so den HC-Gehalt im Abgas oder den Kraftstoffverbrauch erhöht. Des weiteren besteht das Problem, daß nur ein Teil der Brennkammer während der Verbrennungsdauer eine hohe Temperatur erreicht, um den NOx-Gehalt im Abgas zu verringern.
JP 5 086873 A zeigt eine Zweiöffnungsansauganordnung für Brennkraftmaschinen, die eine Drosselklappe in der Haupteinlaßpassage aufweisen. Weiter sind zwei Luftansaugpassagen vorgesehen, deren Anfang zu der stromaufwärtigen Seite der Drosselklappe geöffnet ist und deren Ende zu dem oberen Teil des entsprechenden Einlaßventils geöffnet ist. Des weiteren zeigt diese Druckschrift ein Magnetventil, durch das eine zweite Luftpassage geöffnet oder geschlossen werden kann.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen Wirbel erzeugen kann, der über einen weiten Betriebsbereich des Motors eine geeignete Stärke aufweist, die Einrichtungen aufweist, die gute Saugeigenschaften aufweisen, um ein Verringern der Ausgangsleistung während eines Betriebszustands des Motors mit hoher Last zu unterdrücken und in der Lage ist, einen Wirbel zu erzeugen, der während eines Betriebszustands mit mittlerer und niedriger Last eine geeignete Stärke aufweist, und die solch einen Wirbel und Wirbelerzeugungseinrichtungen aufweist, daß der Wirbel in der Lage ist, Kraftstoff und Luft wirksam zu mischen, der Kraftstoffnebel nicht an der Wand der Einlaßleitung oder der Wand der Brennkammer anhaftet, die Zündfähigkeit gut ist, der Wirkungsgrad der Verbrennung hoch ist und die Erzeugung von Abgasen wie HC, NOx und dergleichen unterdrückt wird.
Um die obengenannten Probleme zu lösen, kann die vorliegende Erfindung folgende Einrichtungen aufweisen.
Zunächst sind eine Vielzahl Lufteinlaß-Unterkanäle getrennt von den Hauptkanälen der Lufteinlaßleitung vorgesehen. Die Gesamtsumme der Querschnittsflächen der Lufteinlaß-Unterkanäle ist geringer als die Querschnittsfläche des Haupteinlaßkanals. Der Auslaß des Lufteinlaß-Unterkanals öffnet an einer Stelle in der Nähe eines Einlaßventils innerhalb des Hauptlufteinlaßkanals und ist auf den Spaltabschnitt zwischen dem Einlaßventil und einem entsprechenden Einlaßventilsitz derart gerichtet, daß die Luft von außen gegenüber der einander zugewandten Seiten der zwei Einlaßventilsitze eindringt. Der Kraftstoffnebel dringt an der inneren Seite der einander zugewandten Seiten der Einlaßventilsitze, um Überlagerungen mit der Einlaßluft zu verhindern, wenn Wirbel erzeugt werden. Die jeweiligen Lufteinlaßkanäle sind derart konstruiert, daß Luft an mindestens zwei Stellen in die Brennkammer eindringt. Der Leitungsdurchmesser und die Leitungslänge der Lufteinlaßkanäle ist vorzugsweise in einem derartigen Verhältnis festgelegt, um den Trägheitseffekt der Einlaßluft wirksam zu nutzen.
Des weiteren ist eine Einrichtung zum Schließen des Hauptkanals und eine Einrichtung zum Schließen von mindestens einem der Lufteinlaß-Unterkanäle vorgesehen, in Abhängigkeit des Betriebszustands des Motors.
Während eines Betriebszustands des Motors mit geringer Last werden der Hauptkanal und ein Teil der Lufteinlaß-Unterkanäle geschlossen gehalten und dadurch werden in der Brennkammer Wirbel erzeugt durch die Luft, die durch die verbleibenden Lufteinlaß- Unterkanäle strömt.
Während eines Betriebszustands mit mittlerer Last wird der Hauptkanal geschlossen gehalten und die Anzahl der Lufteinlaß- Unterkanäle wird erhöht, um dadurch dem Bedarf an einer erhöhten Einlaßluftrate gerecht zu werden, und es werden mehrere Wirbel mit unterschiedlichen Mittelachsen in der Brennkammer erzeugt. Sobald der Motor in einen Betriebsbereich mit hoher Last eintritt, wird ein Einlaßsteuerventil in dem Hauptkanal geöffnet und eine große Einlaßluftmenge zugeführt, um das Drehmoment des Motors aufrechtzuerhalten.
Der Zündzeitpunkt des Gasgemisches ist verzögert, verglichen mit dem Fall eines herkömmlichen Motors ohne Wirbel, wenn die Verbrennungsgeschwindigkeit durch die erzeugten Wirbel erhöht ist. Und in einem Zustand, in dem keine Wirbel erzeugt werden, wie beispielsweise einem Betriebszustand mit hoher Last, ist der Zündzeitpunkt auf dieselben Bedingungen eingestellt wie in einem herkömmlichen Motor.
Dabei wird Kraftstoff so lange vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt, wie der Kraftstoffnebel mit den erzeugten Wirbeln vermischt wird und der vermischte Anteil die Nähe einer Zündkerze erreicht, um gezündet zu werden. Die Vorrichtung ist so aufgebaut, daß die Richtung der Kraftstoffeinspritzung auf die Wirbel gerichtet sind, wenn die Wirbel erzeugt werden.
Dadurch, daß die Vorrichtung wie oben beschrieben aufgebaut ist, können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
Erstens können die innerhalb der Brennkammer erzeugten Wirbel auf eine geeignete Stärke innerhalb eines breiteren Betriebsbereichs des Motors eingestellt werden, verglichen mit einem herkömmlichen Motor, weil die Querschnittsfläche des Lufteinlaßkanals in vielen Schritten veränderbar ist durch Variieren der Anzahl der Lufteinlaß- Unterkanäle. Dadurch kann die Gesamtwirksamkeit der Verbrennung bei verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Zweitens wird die Menge der Einlaßluftströmungsrate, die durch die Lufteinlaß-Unterkanäle eingesaugt ist, wegen des Trägheitseffekts der Einlaßluft durch die Lufteinlaß-Unterkanäle erhöht. Dadurch kann der Bereich, in dem der Motor mit erzeugten Wirbel betrieben wird, erweitert werden.
Drittens kann dadurch, daß keine Notwendigkeit besteht, eine Wirbelerzeugungseinrichtung wie z. B. eine spiralförmige Öffnung in dem Hauptluftkanal vorzusehen, ist der Lufteinlaßströmungswiderstand des Hauptkanals klein und eine größere Luftmenge kann während eines Betriebszustands mit hoher Last angesaugt werden.
Viertens kann durch die Verwendung einer Vielzahl von Lufteinlaß- Unterkanälen eine Vielzahl von Wirbeln innerhalb der Brennkammer erzeugt werden. Dadurch kann die Verwirbelung in der Brennkammer mit derselben Einlaßluftströmungsrate im Vergleich zu dem Fall, bei dem es nur einen Wirbel gibt, erhöht werden und folglich die Mischung von Luft und Kraftstoff verbessert werden, um die Wirksamkeit der Verbrennung zu verbessern.
Fünftens kann dadurch, daß der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, der Zündzeitpunkt und die Richtung der Kraftstoffeinspritzung derart eingestellt sind, daß eine Vielzahl Wirbel um den Kraftstoffnebel herum erzeugt werden und zur gleichen Zeit der Kraftstoff nicht durch Einlaßluft gestört wird, der Kraftstoff davor bewahrt werden, zur Seite in die Nähe der Wand der Brennkammer geblasen zu werden. Dadurch sind schädliche Komponenten wie beispielsweise HC, NOx und dergleichen im Abgas verringert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Draufsicht des Aufbaus einer Ansauganordnung einer Brennkraftmaschine;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Ansicht eines Betriebszustands mit geringer Last der Anordnung;
Fig. 4 ist eine Ansicht eines Betriebszustands mit mittlerer Last der Anordnung;
Fig. 5 ist eine Ansicht eines Betriebszustands mit hoher Last der Anordnung;
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zum Einstellen der Öffnung eines Steuerventils;
Fig. 7 zeigt einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, einen Zündzeitpunkt und eine Richtung einer Kraftstoffeinspritzung im Fall, daß gemäß der Erfindung kein Wirbel erzeugt wird;
Fig. 8 zeigt einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, einen Zündzeitpunkt und eine Richtung einer Kraftstoffeinspritzung im Fall, daß gemäß der Erfindung ein Wirbel erzeugt wird;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das den Grenzbereich für ein mageres Luft-/ Kraftstoffverhältnis und den Betriebsbereich des Motors zeigt in dem Fall, wenn ein einzelner Lufteinlaß-Unterkanal in der Anordnung benutzt wird;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das den Grenzbereich für ein mageres Luft-/Kraftstoffverhältnis und den Betriebsbereich des Motors für einen Fall zeigt, in dem zwei Lufteinlaß-Unterkanäle in der Anordnung benutzt werden;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das den Grenzbereich für ein mageres Luft-/Kraftstoffverhältnis und den Betriebsbereich des Motors in der Anordnung zeigt;
Fig. 12 ist ein Diagramm, das den Grenzbereich für ein mageres Luft-/Kraftstoffverhältnis und den Betriebsbereich eines Motors bei einem herkömmlichen Motor mit Wirbelerzeugungsmechanismus zeigt;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das den Grenzbereich für ein mageres Luft-/Kraftstoffverhältnis und den Betriebsbereich eines Motors bei einem herkömmlichen Motor ohne Wirbelerzeugungsmechanismus zeigt; und
Fig. 14 ist eine Draufsicht des Aufbaus einer zweiten Einlaßanordnung einer Brennkraftmaschine.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Hauptkanal 110 einer unabhängigen Lufteinlaßleitung auf eine Brennkammer 103 eines Motors, der zwei Einlaßventile (102) aufweist, gerichtet. Ein Einlaßsteuerventil 107 ist in dem Hauptkanal 110 vorgesehen, und Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b sind stromauf des Lufteinlaßsteuerventils vorgesehen, um den Hauptkanal 110 zu umgehen. Die Gesamtquerschnittsfläche der zwei Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b ist so festgelegt, daß sie 1/5 bis 1/2 der Querschnittsfläche stromauf des Hauptkanals 110 ausmacht. Das Einlaßsteuerventil 107 ist derart gestaltet, daß es eine größere Querschnittsfläche als die Querschnittsfläche oberhalb des Hauptkanals 110 aufweist und der Einlaß des Lufteinlaß-Unterkanals 101b mit dem Einlaßsteuerventil 107 geschlossen werden kann.
Ein Kraftstoffeinspritzventil 105 formt zwei Nebelströme, die von dem Hauptkanal 110 auf die innere Seite der zwei einander zugewandten Einlaßventile 102 zuströmen, d.h. in zwei Richtungen 106a und 106b auf den Mittelabschnitt der Brennkammer gerichtet sind.
Die Auslässe der Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b öffnen an einer Stelle in der Nähe des Einlaßventils 102. Die Luftströme, die durch die Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b strömen, werden zu Strahlströmen, die durch die Lücken zwischen dem Einlaßventil und dem entsprechenden Ventilsitz von der äußeren Seite der zwei Einlaßventile, die einander zugewandt sind, in die Brennkammer eintreten, d.h. von der Seite in der Nähe der Wand der Brennkammer, um zwei Wirbel 111a, 111b zu erzeugen. Dabei ist der Wirbel 111a so ausgebildet, um den Nebel 106a zu umhüllen und der Wirbel 111b ist derart ausgebildet, um den Nebel 106b zu umhüllen. Und jeder der Wirbel zirkuliert entlang der oberen Oberfläche eines Kolbens 112 und strömt dann auf eine Zündkerze 104 zu. Der Betrieb des Einlaßsteuerventils 107 wird durch einen Schrittmotor 201 durchgeführt und die Einstellung der Öffnung des Einlaßsteuerventils wird durch einen Computer 202 durchgeführt.
Fig. 3 zeigt den Betriebszustand mit einer geringen Last.
Das Einlaßsteuerventil 107 ist auf einen Winkel θ1 eingestellt, bei dem der Hauptkanal 110 und der Lufteinlaß-Unterkanal 101b geschlossen gehalten werden. Die Luft 108, die stromauf des Hauptkanals 110 strömt, gelangt durch den Lufteinlaß-Unterkanal 101a und erzeugt einen Wirbel 111a innerhalb der Brennkammer 103. Weil der Strahlstrom aus dem Lufteinlaß-Unterkanal 101a klein ist verglichen mit der Größe der Brennkammer, kann der durch das Einlaßventil 102 angesaugte Luftstrom beiseite geschoben werden und deswegen kann mit einer geringen Menge Luftströmung ein Wirbel 111a erzeugt werden. Obwohl der Wirbel 111a zirkuliert, um den Kraftstoffnebel 106a, 106b zu umhüllen, wird der Nebel nicht auf die Seite auf die Wand der Brennkammer zu geblasen, weil die Luftströmungsrate klein ist. Dadurch kann die Verbrennung gut durchgeführt werden.
Fig. 4 zeigt einen Betriebszustand mit mittlerer Last. Das Einlaßsteuerventil 107 ist auf einen Winkel θ2 eingestellt, bei dem der Hauptkanal 110 geschlossen gehalten ist und der Lufteinlaß- Unterkanal 101b offengehalten ist. Die Luft 108, die stromauf des Hauptkanals 110 strömt, gelangt durch die Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b und erzeugt zwei Wirbel 111a und 111b innerhalb der Brennkammer 103. Die Wirbel 111a und 111b zirkulieren derart, so daß sie die Kraftstoffnebel 106a bzw. 106b einhüllen. Die Wirbel 111a und 111b verbessern das Mischen von Luft und Kraftstoff mehr, als im Fall eines einzelnen Wirbels mit derselben Einlaßluftströmungsrate, und der Nebel wird nicht auf die Seite an die Brennkammerwand geblasen. Dadurch kann die Verbrennung gut durchgeführt werden.
Fig. 5 zeigt einen Betriebszustand mit hoher Last. Das Einlaßsteuerventil 107 ist auf einen Winkel θ3 eingestellt. Dabei gelangt der größte Teil der Einlaßluft 108 durch den Hauptkanal 110, um in die Brennkammer 103 angesaugt zu werden. Wegen des Fehlens einer Wirbelerzeugungseinrichtung, wie z. B. einer spiralförmigen Öffnung, ist folglich der Ansaugströmungswiderstand gering und es kann eine große Luftmenge angesaugt werden. Dadurch kann eine erforderliche Ausgangsleistung erreicht werden. Dabei ist, obwohl die Einlaßluft-Unterkanäle 101a und 101b offengehalten werden, jeder der Luftströmungsraten, die durch den jeweiligen Kanal gelangen, ungefähr proportional zu den jeweiligen Querschnittsflächen. Deswegen sind die Luftströmungsraten, die durch die Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b gelangen, klein und erzeugen folglich keine Wirbel.
Obwohl zur Vereinfachung der Erklärung die Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels die Fälle betrifft, in denen das Einlaßsteuerventil 107 geöffnet oder geschlossen ist, d.h., die jeweiligen Kanäle öffnet oder schließt, ist es möglich, die Kanäle in einen halb geöffneten Zustand einzustellen, beispielsweise die Öffnung des Steuerventils 107 derart einzustellen, daß der Hauptluftkanal 110 halb geöffnet ist. Dies ermöglicht eine Erweiterung des Betriebsbereichs des Motors, in dem Wirbel erzeugt werden.
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zum Einstellen der Öffnung des Einlaßsteuerventils, wenn die vorliegende Erfindung bei einem Motor in einem Fahrzeug angewendet wird. Zuerst wird die Absicht eines Fahrers erfaßt und die erforderliche Drehzahl und das erforderliche Drehmoment des Motors berechnet. Die Absicht des Fahrers wird definiert als ein Wert benötigten Leistungsbedarfs, der beispielsweise aus dem Grad des Betrages des Niederdrückens eines Gaspedals oder der Änderung im Betrag des Niederdrückens berechnet wird. Die Betriebsbedingung des Motors, d.h., die Drehzahl und das erforderliche Drehmoment werden nun aus dem Wert und der Information über Fahrzeuggeschwindigkeit und Gangstellung berechnet. Als nächstes wird unter Bezugnahme auf eine Tabelle mit Motorsteuerwerten herausgesucht, welche Wirbel am besten für die auf Grundlage der Information eingestellten Betriebsbedingung in der Brennkammer erzeugt werden.
Zunächst wird beurteilt, ob die Bedingung für einen einseitig gerichteten Wirbel geeignet ist, oder nicht. Wenn sie für einen einseitig gerichteten Wirbel geeignet ist, wird die Öffnung des Einlaßsteuerventils auf θ1 eingestellt, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn sie nicht für einen einseitig gerichteten Wirbel geeignet ist, wird beurteilt, ob die Bedingung für einen zweiseitig gerichteten Wirbel geeignet ist, oder nicht. Wenn sie für einen zweiseitig gerichteten Wirbel geeignet ist, wird beurteilt, ob die Bedingung in dem Bereich ist, in dem die Lufteinlaßströmungsrate wirksam ausschließlich durch die Lufteinlaß-Unterkanäle geliefert werden kann. Wenn die Lufteinlaßströmungsrate ausschließlich von den Lufteinlaß-Unterkanälen wirksam geliefert werden kann, wird die Öffnung des Einlaßsteuerventils auf θ2 eingestellt, wie in Fig. 4 gezeigt, um zweiseitig gerichtete Wirbel zu erzeugen. Wenn die Lufteinlaßströmungsrate ausschließlich durch die Lufteinlaß-Unterkanäle nicht wirksam geliefert werden kann, wird die Öffnung des Einlaßsteuerventils auf θ2' eingestellt, was einen Zwischenzustand zwischen θ2, gezeigt in Fig. 4, und θ3, gezeigt in Fig. 5, darstellt. Dadurch ist der Betriebsbereich mit zweiseitig gerichteten Wirbeln durch Zuführen eines zusätzlichen Luftstroms durch den Hauptkanal mittels beinahe derselben Menge an Luftströmungsrate, wie durch die Lufteinlaß-Unterkanäle bei Maximum gelangt, erweiterbar. Wenn die Bedingung weder für einen einseitig gerichteten Wirbel noch für einen zweiseitig gerichteten Wirbel geeignet ist, ist die Öffnung des Einlaßsteuerventils auf θ3 eingestellt, um den Hauptkanal offenzuhalten. Wie oben beschrieben, sind für einen Betriebszustand geeignete Wirbel in der Brennkammer erzeugbar und damit ist es möglich, eine magere Verbrennung durch Verbesserung der Verbrennung zu realisieren.
Fig. 7 und Fig. 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel zum Verändern des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, des Zündzeitpunkts und der Richtung der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit der Stärke der Wirbel. Das verwendete Kraftstoffeinspritzventil 105 ist eine luftunterstützte Einspritzdüse, die die Zerstäubung mittels Luft fördert und den Kraftstoffnebelstrom durch die für die Zerstäubung benutzte Luft ablenkt, um die Richtung der Kraftstoffeinspritzung zu verändern.
Fig. 7 zeigt einen Fall, in dem kein Wirbel erzeugt wurde. Luft 108 strömt durch den Hauptkanal 110, ihre Geschwindigkeit ist gering und folglich ist auch die Verbrennungsgeschwindigkeit langsam. Deswegen ist es, um den Kraftstoff gut zu zünden, notwendig sobald ein Kolben 112 in die Nähe des oberen Totpunkts der Verdichtung gelangt, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt früher einzustellen und auch den Zündzeitpunkt früher einzustellen. Die Einspritzrichtung des Kraftstoffnebels 106 ist so eingestellt, daß sie in der Figur von der Richtung der Verbindungslinie zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil und den zwei Einlaßventilen ein wenig nach unten zeigt und der größte Anteil des Kraftstoffs in dieser Richtung eingespritzt wird unter Berücksichtigung, daß der Nebel wegen der Luftströmung aus dem Hauptkanal 110 wegwandert. Dadurch kann eine dichte Mischung in der Nähe der Zündkerze 104 ausgebildet werden. Fig. 8 zeigt einen Fall, in dem ein Wirbel erzeugt ist. Luft 108 strömt durch den Lufteinlaß-Unterkanal 101 und erzeugt einen Wirbel 101 mit einer hohen Geschwindigkeit. Dabei ist die Verbrennungsgeschwindigkeit hoch. Deswegen ist es um den Kraftstoff gut zu zünden, notwendig, sobald ein Kolben 112 in die Nähe des oberen Totpunkts der Verdichtung gelangt, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt später einzustellen, als in dem Fall der Fig. 7, und auch den Zündzeitpunkt später einzustellen. Weil sich der Kraftstoff und die Einlaßluft nicht stören, ist die Einspritzrichtung des Kraftstoffnebels 106 so eingestellt, daß sie eher in die Verbindungslinie zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil und den zwei Einlaßventilen zeigt, als im Fall der Fig. 7. Dadurch kann, wie in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben, das Vermischen von Kraftstoff und Luft unterstützt werden und es kann verhindert werden, daß der Kraftstoffnebel an der Wandung der Lufteinlaßleitung oder der Wandung der Brennkammer anhaftet.
Fig. 9, Fig. 10 und Fig. 11 zeigen einen Grenzbereich eines mageren Luft-/Kraftstoffverhältnisses und einen Betriebsbereich eines Motors, in einem Fall, in dem genau ein Lufteinlaß-Unterkanal verwendet wird, bzw. in einem Fall, in dem zwei Lufteinlaß-Unterkanäle verwendet werden, und bzw. in einem Fall, in dem die Anzahl der Lufteinlaß-Unterkanäle gemäß dem Diagramm in Fig. 6 variiert. Fig. 12 und Fig. 13 zeigen den Grenzbereich für ein mageres Luft-/Kraftstoffverhältnis und den Betriebsbereich eins Motors im Fall eines herkömmlichen Motors mit einem Wirbelerzeugungsmechanismus bzw. ohne Wirbelerzeugungsmechanismus.
Der Bereich außerhalb der Abgrenzung in jeder der Figuren bestimmt einen Bereich, in dem der Motor mit der jeweiligen Drehzahl und dem Drehmoment an diesem Punkt nicht betrieben werden kann. Jede der Zahlen in der Figur zeigt die Grenze eines mageren Luft-/Kraftstoffverhältnisses in jeder der Bereiche an. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist es verständlich, daß der erfindungsgemäße Motor einen großen Bereich aufweist, in dem der Motor mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis betreibbar ist und dieselbe hohe Ausgangsleistung erhalten kann, wie ein Motor ohne Wirbelerzeugungsmechanismus.
In Fig. 14 ist ein Hauptkanal 110 einer Lufteinlaßleitung auf eine Brennkammer 103 eines Motors mit zwei Einlaßventilen 102 gerichtet. Ein Lufteinlaßsteuerventil 107 ist in dem Hauptkanal 110 vorgesehen und stromauf des Lufteinlaßsteuerventils sind Lufteinlaß- Unterkanäle 101a, 101b, 101c und 101d vorgesehen um den Hauptkanal 110 zu umgehen. Die Gesamtquerschnittsfläche der vier Lufteinlaß-Unterkanäle 101a bis 101d ist so gestaltet, daß sie 1/5 bis 1/2 der Querschnittsfläche stromauf des Hauptkanals 110 ausmacht. Das Einlaßsteuerventil 107 ist derart aufgebaut, daß es eine größere Querschnittsfläche aufweist, als die Querschnittsfläche stromauf des Hauptkanals 110, und die Einlässe der Lufteinlaß- Unterkanäle 101c, 101b und 101d sind mit der Öffnung des Lufteinlaßsteuerventils 107 nacheinander verschließbar. Ein Kraftstoffeinspritzventil 105 bildet zwei Nebelströme 106a und 106b, die von dem Hauptkanal 110 zu den zwei Einlaßventilen 102 gerichtet sind.
Die Auslässe der Lufteinlaß-Unterkanäle 101a, 101b, 101c und 101d öffnen an einer Position in der Nähe der Einlaßventile 102. Jeder der Luftströme, die durch die Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101b strömen und die Luftströme, die durch die Lufteinlaß- Unterkanäle strömen, bilden ein Paar von Strahlströmen, die in die Brennkammer 103 durch die Lücken eintreten, die zwischen dem Einlaßventil und dem entsprechenden Ventilsitz liegen, von der äußeren Seite der zwei Einlaßventile 102, die jeweils einander zugewandt sind, um die Wirbel 111a und 111b zu erzeugen. Dabei ist der Wirbel 111a derart ausgebildet, daß er den Nebel 106a einhüllt und der Wirbel 111b ist derart ausgebildet, daß er den Nebel 106b einhüllt. Und jeder der Wirbel zirkuliert entlang der oberen Oberfläche eines Kolbens 112 und strömt dann auf eine Zündkerze 104 zu. Der Betrieb des Einlaßsteuerventils 107 wird durch einen Schrittmotor 201 ausgeführt und die Einstellung der Öffnung des Einlaßsteuerventils wird durch einen Computer 202 durchgeführt.
Mit dem oben beschriebenen Aufbau wird, wenn der Motor in einem Betriebszustand mit geringer Last betrieben wird und deswegen die Menge an Einlaßluftströmungsrate gering ist, nur der Lufteinlaß- Unterkanal 101a verwendet und die Geschwindigkeit der Einlaßluft kann ähnlich zu Fig. 3 angehoben werden. Wenn die Last ansteigt und es erforderlich ist, daß die Lufteinlaßströmungsrate erhöht wird, können durch die Verwendung der zwei Lufteinlaß-Unterkanäle 101a und 101d mittels Öffnen des Einlaßsteuerventils 107 ähnlich wie in Fig. 4 zweiseitig gerichtete Wirbel erzeugt werden. Wenn die Last weiter ansteigt, kann die Menge an Einlaßluftströmungsrate unter Beibehaltung der zweiseitig gerichteten Wirbel angehoben werden, indem die vier Lufteinlaß-Unterkanäle 101a bis 101d mittels weiterem Öffnen des Lufteinlaßsteuerventils 107 verwendet werden. Überflüssig, darauf hinzuweisen, daß es möglich ist, die Öffnung des Steuerventils 107 derart einzustellen, daß der Hauptkanal 110 ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung halb geöffnet ist. Dies kann den Bereich der Betriebsbedingung des Motors, in dem Wirbel erzeugt werden, erweitern.
Obwohl in diesen Ausführungsbeispielen die Fälle von zwei und vier Lufteinlaß-Unterkanälen beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Fälle beschränkt. Wirbel können mit einer beliebigen Anzahl von Lufteinlaß-Unterkanälen erzeugt werden. Des weiteren können, obwohl die Fälle von genau einem und zwei Wirbeln beschreiben worden sind, mehrere Wirbel in der Brennkammer erzeugt werden mittels Einstellen eines jeden Lufteinlaß-Unterkanals mit unterschiedlichen Positionen und Richtungen ihrer Auslässe. Es erübrigt sich, in diesem Fall darauf hinzuweisen, daß die Vermischung von Luft und Kraftstoff gefördert wurde, um eine gute Verbrennung durchzuführen mittels Verändern des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts.
Erfindungsgemäß können die innerhalb der Brennkammer erzeugten Wirbel innerhalb des, im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor breiteren Betriebsbereichs des Motors, auf eine angemessene Stärke eingestellt werden weil die Querschnittsfläche des Lufteinlaßkanals in vielen Stufen mittels Variieren der Anzahl von Lufteinlaß-Unterkanälen verändert werden. Dadurch kann die Verbrennung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine verbessert werden und im Fall der Magerverbrennung eine gute Verbrennung erreicht werden.
Weiter ist, weil in dem Hauptluftkanal keine Wirbel erzeugende Einrichtung, wie beispielsweise eine spiralförmige Öffnung, vorgesehen werden muß, der Einlaßluftströmungswiderstand des Hauptkanals klein und es kann eine hohe Ausgangsleistung beibehalten werden.
Des weiteren sind durch Verwendung einer Vielzahl von Lufteinlaß- Unterkanälen innerhalb der Brennkammer eine Vielzahl von Wirbeln erzeugbar. Dadurch kann die Verwirbelung in der Brennkammer mit derselben Einlaßluftströmungsrate, verglichen mit dem Fall genau eines Wirbels, erhöht werden und folglich wird die Vermischung von Luft und Kraftstoff gefördert, um die Wirksamkeit der Verbrennung zu erhöhen. Deswegen ist die Verbrennung sogar bei einer Magerverbrennung stabil und die Einschränkung einer Magerverbrennung kann erweitert werden und schädliche Bestandteile im Abgas, wie beispielsweise HC, NOx und dergleichen können verringert werden.
Darüber hinaus kann der Kraftstoff davon abgehalten werden, seitlich in die Nähe der Wandung der Brennkammer geblasen zu werden, mittels Regulieren des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, des Zündzeitpunkts und der Kraftstoffeinspritzrichtung derart, daß mehrere Flammen um den Kraftstoffnebel herum erzeugt werden und der Kraftstoff nicht durch Einlaßluft gestört wird. Auf diese Weise kann eine gute Verbrennung im und nahe des Zentrums der Brennkammer durchgeführt werden und schädliche Bestandteile im Abgas, wie beispielsweise HC, NOx und dergleichen sind verringert.

Claims

1. Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine, mit

- einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine durch Vorsehen einer veränderlichen Anzahl von Umgehungskanälen (101a-d), die Luft eine Drosselklappe (107) zum Begrenzen einer Einlaßluftströmungsrate der Brennkraftmaschine umgehen lassen und die Umgebungsluft hereinströmen lassen, um mit den Einlaßanschlüssen der betreffenden Zylinder auf der stromabwärtigen Seite der Drosselklappe (107) in Verbindung zu stehen,

- einer Steuereinrichtung (202), die Signale von einer Einrichtung zur Erfassung einer Absicht eines Fahrers aufnimmt, um die Absicht des Fahrers zur Steuerung eines Öffnungsgrades der Drosselklappe (107) zu erfassen, um eine Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine auf Grundlage der erfaßten Absicht des Fahrers zu steuern und die beste Wirbelart (111a, 111b) für die erfaßte Absicht des Fahrers und den Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu bestimmen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Kraftstoffeinspritzventil (105) vorgesehen ist zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Haupt-Einlaßkanal (110), der den Kraftstoffnebelstrom ablenken kann, um die Richtung der Kraftstoffeinspritzung zu ändern, und

- die Steuereinrichtung (202) die Anzahl der von der Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln verwendeten Umgehungskanäle (101a-d) und die Kraftstoffeinspritzrichtung für die gewünschte Wirbelbedingung festlegt.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbeln mindestens zwei Wirbel (111a, 111b) mit unterschiedlichen Mittelachsen erzeugt, wenn die Umgehungskanäle (101a-d) mit dem Lufteinlaßanschluß in Verbindung stehen.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtsumme der Querschnittsflächen der Umgehungskanäle (101a-d) kleiner ist als die Querschnittsfläche des Haupt-Einlaßkanals (110).

4. Steuervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuereinrichtung (202) ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt gesteuert ist, um die gewünschte Wirbelbedingung zu erzielen.

5. Steuervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuereinrichtung (202) ein Zündzeitpunkt gesteuert ist, um die gewünschte Wirbelbedingung zu erzielen.

6. Steuervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Sensoren zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Gangstellung, eines Öffnungsgrades eines Gaspedals, einer Einlaßluftströmungsrate und dergleichen, wobei die Steuereinrichtung (202) Signale aus den Sensoren aufnimmt, um den Betriebszustand der Brennkraftmaschine wie z. B. Drehzahl und Drehmoment zu bestimmen.

7. Steuervorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (202) die beste Art Wirbel (111a, 111b) aufgrund des Betriebszustands der Brennkraftmaschine und ein Magerverbrennungssteuersignal bestimmt.