DE10109192A1

DE10109192A1 - Direkteinspritzmotor

Info

Publication number: DE10109192A1
Application number: DE10109192A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Yoshida; Hidefumi Iwaki; Toshio Hori; Kentarou Shiga; Yoshikuni Kurashima
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-02-21
Also published as: US20020011234A1; JP2002038953A; US6543410B2

Abstract

In einem Direkteinspritzmotor, der die Menge von abgegebenem NO¶x¶ so weit wie möglich verringern kann und in dem eine AGR in großem Umfang verwirklicht ist und bei dem die Grenze für eine stabile Verbrennung hinausgeschoben ist, sind Kraftstoffeinspritzventile zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in Brennkammern angeordnet, sind Zündkerzen in den Brennkammern vorgesehen und in diese gerichtet und sind Einlaßöffnungen zum Erzeugen einer Taumelgasströmung in den Brennkammern vorgesehen. Die Einlaßöffnungen sind durch Trennwände in Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitte mit hoher Einlaßluft-Strömungsgeschwindigkeit und in Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte mit niedriger Einlaßluft-Strömungsgeschwindigkeit unterteilt, sind Durchlaßventile zum Öffnen und Schließen der Einlaßöffnungen in der Nähe der einlaßseitigen Enden der Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte angeordnet und ist ein AGR-Durchlaß zum Einleiten von AGR-Gas mit den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitten verbunden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Direkteinspritzmotor, der so beschaffen ist, daß Kraftstoff direkt in eine Brennkammer eingespritzt und zugeführt wird, und insbesondere auf einen Direkteinspritzmotor, bei dem hauptsächlich angestrebt wird, die Ausstoßmenge einer schädlichen NO_x-Komponente so weit wie möglich zu verringern.

BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK

In letzter Zeit haben Direkteinspritzmotoren, in denen Kraftstoff direkt in Brennkammern eingespritzt und zugeführt wird, in Viertakt-Benzinmotoren für Fahrzeuge Verbreitung gefunden. Bei solchen Direkteinspritzmotoren wird Einlaßluft gewöhnlich angesaugt, um in Brennkammern eine Verwirbelung (Verwir belung, Taumelströmung oder dergleichen) zu erzeugen, um eine Schichtladungsverbrennung (Verbrennung in einem Zu stand, in dem in der Nähe von Zündkerzen, die in den Brenn kammern vorgesehen sind, eine Gemischschicht mit fettem Luft-/Kraftstoffverhältnis gebildet wird und an den Seiten wandoberflächen (äußeren Umfangsflächen) der Brennkammern in einem Abstand von den Zündkerzen eine Gemischschicht mit magerem Luft-/Kraftstoffverhältnis (eine Luftschicht) gebildet wird) zu bewirken. Dadurch wird ein Betrieb mit äußerst magerer Verbrennung ermöglicht, außerdem werden der Pumpverlust und der Wärmeverlust verringert, wodurch eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.

Ferner bezieht sich jene Erfindung, die in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-103078 beschrieben ist, auf ein AGR-System (Abgasrückführungssystem) für Moto ren des Direkteinspritztyps, in dem AGR-Gas, das in die Umge bung einer im Mittelabschnitt einer Brennkammer angeordne ten Zündkerze zurückgeführt werden soll, konzentriert wird und der Brennkammer jedes der Zylinder zugeführt wird und in dem ein AGR-Steuerventil in einer AGR-Rohrleitung vorgesehen ist, um die Menge des zurückgeführten AGR-Gases zu steuern.

In dem obenerwähnten herkömmlichen Direkteinspritzmotor kann jedoch eine während des Magerverbrennungsbetriebs abgegebene NO_x-Komponente nicht durch einen normalen Dreifachkatalysator gereinigt werden, so daß sie an die Atmo sphäre abgegeben wird. Da ferner hinsichtlich der Dauer des Magerverbrennungsbetriebs und der NO_x-Menge trotz der Verwendung von NO_x-Katalysatoren Beschränkungen bestehen, stellt die Verringerung der Menge des abgegebenen (erzeugten) NO_x in einem Motor (in einer Brennkammer) einen wichtigen Punkt dar. Um dieses Problem zu beseitigen, könnte es wirksam sein, eine AGR für die Rückführung von Abgasen von einem Abgassystem über ein Einlaßsystem in die Brennkammern auszuführen.

Bei herkömmlichen Direkteinspritzmotoren ermöglicht zwar die Ausführung der AGR in gewissem Umfang eine Verringerung der Menge des abgegebenen NO_x, die Verbrennungsqualität wird jedoch verschlechtert, so daß hinsichtlich der Menge der Abgase, die einer AGR unterworfen werden, Beschränkungen bestehen und die Ausführung einer AGR stark erschwert wird und das Hinausschieben der Grenze einer stabilen Verbrennung unmöglich ist. Außerdem wird in dem AGR-System für Motoren des Direkteinspritztyps ein AGR-Gas in einen Mittelabschnitt in der Umgebung einer Zündkerze zugeführt, ferner werden das AGR-Gas und die Einlaßluft in einer Brennkammer verwirbelt mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt. Daher wirkt die Einlaßluft nicht in der Weise, daß sie das AGR-Gas schließlich in einem Mittelabschnitt der Brennkammer umgibt, außerdem wird die Stabilität der Schichtladungsverbrennung in vertikaler Richtung der Brennkammer nicht berücksichtigt, woraus sich die Probleme ergeben, daß eine Verringerung der Menge des abgegebenen NO_x verbessert werden sollte und dann, wenn die Menge des zurückgeführten AGR-Gases erhöht wird, eine Verringerung des Ausstoßes bewirkt werden sollte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist im Hinblick auf die obenerwähnten Probleme gemacht worden und hat die Aufgabe, einen Direkteinspritz motor zu schaffen, der die Menge des abgegebenen NO_x so weit wie möglich verringern kann, der eine AGR in großem Umfang verwirklichen kann und der die Grenze für eine stabile Verbrennung hinausschiebt.

Um die obenerwähnte Aufgabe zu lösen, schafft die Erfindung einen Direkteinspritzmotor, der Einlaßöffnungen zum Zuführen von Luft und von AGR-Gas in Brennkammern, Kraftstoffein spritzventile, die den Kraftstoff direkt einspritzen, sowie Zünd kerzen umfaßt, wobei die Luft und das AGR-Gas den Brenn kammern in der Weise zugeführt werden, daß die Luft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit und das AGR-Gas mit niedri ger Strömungsgeschwindigkeit eine Taumelgasströmung erzeu gen, um einen Verteilungszustand zu schaffen, in dem das Luft-/Kraft stoffverhältnis in der Umgebung der Zündkerzen auf der fetten Seite mit wenig Frischluft und viel AGR-Gas liegt und sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen der mageren Seite mit viel Frischluft und wenig AGR-Gas annähert.

Ferner umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Direkteinspritzmotor Einlaßöffnungen und Brennkammern, die Kraftstoffeinspritzventile besitzen und in die Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die Einlaßöffnungen jeweils in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströmungsgeschwindigkeit und einen Niedrigge schwindigkeitsöffnungsabschnitt mit niedriger Einlaßströ mungsgeschwindigkeit unterteilt sind, und wobei ein AGR-Gas in die Niedriggeschwindigkeitseinlaßabschnitte eingeleitet wird.

Ferner umfaßt in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Direkteinspritzmotor Brennkammern, in denen Kraftstoffeinspritzventile, die Kraftstoff direkt einspritzen, sowie Zündkerzen angeordnet sind, sowie Einlaßöffnungen, die so beschaffen sind, daß sie in den Brennkammern eine Taumel gasströmung, die aus Luft und AGR-Gas gebildet ist, erzeugen, wobei Trennwände die jeweiligen Einlaßöffnungen in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströ mungsgeschwindigkeit und ein Niedriggeschwindigkeitsöff nungsabschnitt mit niedriger Einlaßströmungsgeschwindigkeit unterteilen und wobei Durchlaßventile zum Öffnen und Schlie ßen der Öffnungsabschnitte in der Nähe der einlaßseitigen Enden der Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte angeord net sind und AGR-Durchlässe zum Einleiten des AGR-Gases mit den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitten verbunden sind. Ferner wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungs form der Erfindung bevorzugt, daß die jeweiligen Einlaßöffnun gen in allen Zylindern des Motors durch Trennwände in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströ mungsgeschwindigkeit und einen Niedriggeschwindigkeitsöff nungsabschnitt mit niedriger Einlaßströmungsgeschwindigkeit unterteilt sind und in allen Zylindern AGR-Gas-Einleitungsöff nungen in den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitten vorgesehen sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind AGR-Durchlässe vorgesehen, um die Niedriggeschwindig keitsöffnungsabschnitte der jeweiligen Zylinder mit Abgas durchlässen zu verbinden, einen einzigen gemeinsamen Durchlaßabschnitt an den Einlaßseiten zu bilden und an den Auslaßseiten Verzweigungsdurchlaßabschnitte zu bilden, wobei die Verzweigungen vom gemeinsamen Durchlaßabschnitt mit den entsprechenden Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnit ten verbunden sind und ein AGR-Steuerventil in dem gemein samen Durchlaßabschnitt vorgesehen ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Menge des eingeleiteten AGR-Gases durch Steuern des Öffnungsgrades der Durchlaßventile eingestellt.

Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtladungsverbrennung in einem Direkteinspritzmo tor, in dem Luft und AGR-Gas Brennkammern zugeführt wer den und Kraftstoff direkt in die Brennkammern eingespritzt wird, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfaßt: Aus führen einer Schichtladungsverbrennung durch Erzeugen eines Verteilungszustands, in dem das Luft-/Kraftstoffverhältnis in den Brennkammern in der Nähe der Zündkerzen auf der fetten Seite mit wenig Frischluft und viel AGR-Gas liegt und sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen der mageren Seite mit viel Frischluft und wenig AGR-Gas annähert, mittels einer Taumelgasströmung. Während der ersten Verbrennung wird die Verbrennung in einem Zustand bewirkt, in dem die Verbren nungstemperatur niedrig gehalten wird, ferner wird nach der mittleren Periode der Verbrennung diese in einem Zustand fortgeführt, in dem die Verbrennungstemperatur niedrig gehal ten wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines Direkteinspritz motors gemäß der Erfindung, der wie oben beschrieben kon struiert ist, wird AGR-Gas einzeln in die jeweiligen Zylinder (die Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte) eingeleitet. Daher wird im Vergleich zu einem herkömmlichen Direkteinspritzmo tor, in dem AGR-Gas auf einmal in einen Sammeldurchlaßab schnitt (auf der Einlaßseite der Einlaßöffnungen einer Einlaß leitung) eingeleitet wird, erfindungsgemäß eine Verbesserung hinsichtlich der Zuführungsqualität erzielt, wodurch die Streuung der Mengen des AGR-Gases zwischen den jeweiligen Zylindern verringert wird, so daß in allen Zylindern ein mageres Grenz-Luft-/Kraftstoffverhältnis koordiniert werden kann, um eine AGR in großem Umfang zu verwirklichen.

Außerdem wird in einem Direkteinspritzmotor Einlaßluft gewöhnlich in die Brennkammern in der Weise angesaugt, daß eine Taumelströmung erzeugt wird und eine Schichtladungs verbrennung in der Weise bewerkstelligt wird, daß das Luft-/Kraft stoffverhältnis in der Nähe der Zündkerzen fett ist, so daß bei Einleitung von AGR-Gas in die Niedriggeschwindigkeitsöff nungsabschnitte der Einlaßöffnungen in der obenerwähnten Weise die Strömungsgeschwindigkeit einer Verwirbelungsströ mung der Einlaßluft, die das in die Brennkammern angesaugte AGR-Gas enthält, von den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsab schnitten kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit einer Ver wirbelungsströmung von Einlaßluft von den Hochgeschwindig keitsöffnungsabschnitten ist, die lediglich aus in die Brenn kammern angesaugter Luft besteht. Daher werden nacheinan der beginnend bei der Umgebung der Zündkerzen in Richtung zum äußeren Umfang in vertikaler Richtung eine Schicht, die im wesentlichen nur aus AGR-Gas gebildet ist, eine Einlaßluft schicht, die AGR-Gas in großer Menge enthält, und eine Einlaß luftschicht, die im wesentlichen nur aus Luft gebildet ist, erzeugt, was einen Zustand zur Folge hat, in dem das AGR-Gas in vertikaler Richtung von Luft (Frischluft O₂) umgeben ist. Mit anderen Worten, das Luft-/Kraftstoffverhältnis liegt in den Brennkammern in der Nähe der Zündkerzen auf der fetten Seite mit wenig Frischluft und viel AGR-Gas und nähert sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen einer mageren Seite an, um zu einem Verteilungszustand mit viel Frischluft und wenig AGR-Gas zu führen. Im Ergebnis ist eine in der Nähe der Zündkerzen auftretende anfängliche Verbrennung eine Verbrennung mit Luft, die AGR-Gas in großer Menge enthält, so daß im Vergleich zum Stand der Technik die Verbrennungstem peratur gesenkt wird, um zu einer Verringerung der Menge von abgegebenen NO_x zu führen, und während der Flammenaus breitung nach der mittleren Periode der Verbrennung Frischluft zugeführt wird, was eine Auslöschung der Verbrennung und eine zufällige Zündung zur Folge hat.

Auf diese Weise wird in dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung AGR-Gas einzeln in die jeweiligen Zylinder eingeleitet und wird die Einlaßluft auf Höhe des AGR-Gases geschichtet, so daß die Streuung der Menge des AGR-Gases zwischen den einzelnen Zylindern im Vergleich zum herkömmlichen Fall verringert wird und die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird. Da darüber hinaus die Verbrennung in einem Zustand erfolgt, in dem die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird, kann die Menge des abgegebenen NO_x stark verringert werden und kann die Grenze für eine stabile Verbrennung hinausgeschoben werden, ferner wird die Einlaßluft geschichtet, um die Verbrennungsperiode zu verlängern, wodurch eine Verringerung der Menge von abgegebenem HC aufgrund der Nachverbrennung oder dergleichen verringert werden kann.

Ferner werden die Unterdrücke an den AGR-Gas-Einleitungs öffnungen durch Steuern der Öffnungsgrade der Durchlaßven tile, die in der Nähe der Einlaßenden der Niedriggeschwindig keitsöffnungsabschnitte angeordnet sind, geändert, wobei die Durchlaßventile ermöglichen, die Mengen des eingeleiteten AGR-Gases einzustellen. Daher ist es im Stand der Technik notwendig, einen Schrittmotor oder dergleichen zu verwenden, um den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils, das in dem AGR- Durchlaß vorgesehen ist, genau zu steuern, um die AGR-Gas menge zu steuern. Bei der Erfindung genügt ein einfaches Öffnen und Schließen des AGR-Steuerventils, so daß die Ver wendung eines kostengünstigen elektromagnetischen Ventils (EIN- und AUS-Ventil) möglich ist und die Kosten gesenkt werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht, die eine Ausführungs form eines Direkteinspritzmotors gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Direkteinspritzmotors;

Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht, die eine Ausführungs form eines Direkteinspritzmotors des Standes der Technik zeigt;

Fig. 4 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Streuung der Menge von eingeleitetem AGR-Gas zwischen den Zylindern in dem herkömmlichen Direkteinspritzmotor;

Fig. 5 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Verbrennungsstabilität und dem Verhältnis zwischen der Einlaßgasmenge und der Kraftstoffmenge zeigt;

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Schichtladungsverbrennung in einen Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer Schichtladung der Einlaßluft in dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 8 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Menge von erzeugtem NO_x und der Temperatur des Verbrennungsga ses zeigt;

Fig. 9A und 9B sind Ansichten, die eine Einlaßluft-Schichtla dungsverteilung und eine Kraftstoff-Schichtladungsverteilung in dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung zeigen;

Fig. 10A und 10B sind Ansichten, die eine Einlaßluft-Schicht ladungsverteilung und eine Kraftstoff-Schichtladungsverteilung in dem Direkteinspritzmotor des Standes der Technik zeigen;

Fig. 11A ist eine Ansicht zur Erläuterung der Verbrennungscha rakteristik einer Nachverbrennung oder dergleichen in dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 11B ist eine Ansicht zur Erläuterung der Verbrennungscha rakteristik einer Nachverbrennung oder dergleichen in dem Direkteinspritzmotor des Standes der Technik;

Fig. 12 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Verbrennungstem peratur und der Verbrennungsstabilität in dem Direktein spritzmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 13 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Verbrennungstem peratur und der Verbrennungsstabilität in dem Direktein spritzmotor des Standes der Technik;

Fig. 14 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Tem peratur des Verbrennungsgases und einem Kurbelwinkel (einer Laufzeit) in dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung bzw. des Standes der Technik zeigt;

Fig. 15 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der NO_x- Ausstoßmenge und dem Verhältnis zwischen der Einlaßgas menge und der Kraftstoffmenge in dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung bzw. des Standes der Technik zeigt;

Fig. 16 ist eine Ansicht, die die Beziehungen zwischen der AGR- Menge und dem Druck (Unterdruck) in der Einlaßöffnung und in dem Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitt zeigt;

Fig. 17 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Zeitverlaufs zwischen der Ausführung einer AGR und ihrer Beendigung; und

Fig. 18 ist eine Ansicht, die die Restmenge des AGR-Gases in dem Zeitverlauf zwischen der Ausführung einer AGR und ihrer Beendigung zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nun werden Ausführungsform gemäß der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Die Fig. 1 und 2 sind eine schematische Draufsicht bzw. eine schematische vertikale Querschnittsansicht, die eine Ausfüh rungsform eines Direkteinspritzmotors gemäß der Erfindung zeigen.

Ein Direkteinspritzmotor 10 gemäß einer gezeigten Ausfüh rungsform ist ein Reihenvierzylinder-Benzinmotor. In entspre chende Zylinder Nr. 1 bis Nr. 4, die in einem Zylinderblock 12 vorgesehen sind, sind Kolben 14 eingepaßt und eingesetzt, wobei eine Hin- und Herbewegung der jeweiligen Kolben 14 über Verbindungsstangen 16 in Drehbewegungen einer Kurbel welle 18 umgesetzt wird. Eine Brennkammer 15, die beispiels weise vom dachförmigen Typ ist, ist über dem Kolben 14 ausge bildet, wobei Einlaßöffnungen 21, 22, 23 und 24, die von einem Sammeldurchlaßabschnitt 20A eines Einlaßdurchlasses 20 abzweigen, mit den Brennkammern 15 der jeweiligen Zylinder Nr. 1 bis Nr. 4 verbunden sind, und Auslaßöffnungen 41, 42, 43 und 44, die einen einlaßseitigen Abschnitt eines Abgasdurch lasses 40 definieren, ebenfalls damit verbunden sind.

Die auslaßseitigen Enden der Einlaßöffnungen 21 bis 24 und die einlaßseitigen Enden der Abgasöffnungen 41 bis 44 sind jeweils so beschaffen, daß sie zu vorgegebenen Zeitpunkten durch Einlaßventile 46 bzw. Auslaßventile 47 geöffnet und geschlossen werden können. Die jeweiligen Einlaßöffnungen 21 bis 24 sind so beschaffen, daß sie in den Brennkammern eine Taumelgasströmung erzeugen, wobei eine Trennwand 27 einen Innenraum der jeweiligen Einlaßöffnungen vertikal in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt 25 mit hoher Einlaß strömungsgeschwindigkeit und einen Niedriggeschwindigkeits öffnungsabschnitt 26 mit niedriger Einlaßströmungsgeschwin digkeit unterteilt. In der Nähe eines einlaßseitigen Endes des Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitts 26 ist ein Durchlaß ventil 28 zum Öffnen und Schließen des Öffnungsabschnitts 26 angeordnet.

In der Nähe der Mitte eines Dachabschnitts der Brennkammer 15 ist eine Zündkerze 30 vorgesehen, mit der eine Zündspule 39 verbunden ist. Ein Kraftstoffeinspritzventil 32, das Kraftstoff direkt in die Brennkammer 15 einspritzt und diese versorgt, ist in einem Umfangsrandabschnitt auf seiten der Einlaßöffnungen 21 bis 24 in der Brennkammer 15 angeordnet.

In dem Sammeldurchlaßabschnitt 20A, der eine Einlaßseite des Einlaßdurchlasses 20 definiert, sind ein Luftreiniger 19, ein Einlaßluftmengensensor 45 und ein Drosselventil 35 in dieser Reihenfolge beginnend bei der Einlaßseite angeordnet. In dem Abgasdurchlaß 20 sind ein Luft-/Kraftstoffverhältnis-Sensor 48 und ein katalytischer Abgasreinigungsumsetzer 45 angeordnet.

Weiterhin sind AGR-Durchlässe 50 vorgesehen, die den Abgas durchlaß 40 mit den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnit ten 26 (AGR-Gas-Einleitungsöffnungen 56 der Einlaßöffnungen 21 bis 24) in den jeweiligen Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 verbinden. Die AGR-Durchlässe 50 sind auf ihren Einlaßseiten zu einem gemeinsamen Durchlaßabschnitt 50A zusammengefaßt und verzweigen auf ihren Auslaßseiten in Durchlaßabschnitte 51, 52, 53 und 54, die vom gemeinsamen Durchlaßabschnitt 50A verzweigen und mit den AGR-Gas-Einleitungsöffnungen 56 in den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitten 26 verbunden sind. In dem gemeinsamen Durchlaßabschnitt 50A ist ein AGR- Steuerventil 55, das ein elektromagnetisch öffnendes und schließendes Ventil zum einfachen Öffnungen und Schließen (EIN und AUS) des Durchlasses umfaßt, vorgesehen.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Steu ereinheit 100, die einen Mikrocomputer enthält, vorgesehen, um die jeweilige Teile des Motors zu steuern, die mit Erfassungssi gnalen vom Einlaßluftmengensensor 45, von einem Drosselöff nungsgradsensor 46, einem Drehzahlsensor 49, einem Luft-/Kraft stoffverhältnis-Sensor 48 und dergleichen versorgt wird. Anhand der Erfassungssignale steuert die Steuereinheit 100 die Kraftstoffeinspritzmenge, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt und steuert ferner den Öffnungsgrad des Drosselventils 35, die Öffnungsgrade der Durchlaßventile 28 und einen Öffnungs- und Schließvorgang (EIN/AUS) des AGR- Steuerventils 55.

Im folgenden werden die Funktionsweise und die Wirkung des Direkteinspritzmotors 10 gemäß der vorliegenden Ausfüh rungsform, der wie oben beschrieben konstruiert ist, im Ver gleich zu einem herkömmlichen Direkteinspritzmotor 10', der in Fig. 3 gezeigt ist und bei dem AGR-Gas auf einmal in den Sammeldurchlaßabschnitt 20A (auf der Einlaßseite der Einlaß öffnungen 21 bis 24) des Einlaßdurchlasses 20 eingeleitet wird, erläutert.

Bei dem herkömmlichen Direkteinspritzmotor 10', bei dem das AGR-Gas auf einmal in den Sammeldurchlaßabschnitt 20A des Einlaßdurchlasses 20 eingeleitet wird, sind die AGR-Mengen zwischen den Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 stark unterschiedlich, wie in Fig. 4 gezeigt ist, insbesondere weichen die AGR-Mengen, die den Zylindern Nr. 1 und Nr. 4 an den beiden Enden zuge führt werden, wahrscheinlich stark von den Soll-AGR-Mengen ab. Hingegen wird beim Direkteinspritzmotor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform (der Erfindung), bei dem das AGR-Gas in (den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitt 26) die jeweiligen Zylinder Nr. 1 bis Nr. 4 eingeleitet wird, eine Verbesserung hinsichtlich der Zuführqualität erzielt, um die Streuung der Mengen des AGR-Gases zwischen den jeweiligen Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 zu verringern. Auf diese Weise werden die Streubeträge des AGR-Gases zwischen den Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 verringert, wodurch ein mageres Grenz-Luft- Kraftstoffverhältnis (Verhältnis der Einlaßgasmenge G zur Kraftstoffmenge F) zwischen allen Zylindern Nr. 1 bis Nr. 4 koordiniert werden kann, wie in Fig. 5 gezeigt ist, um eine große AGR-Menge zu verwirklichen und um das magere Grenz-G/F- Verhältnis auf der mageren Seite zu setzen.

Wenn bei dem Direkteinspritzmotor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das AGR-Gas in die Niedriggeschwindigkeits öffnungsabschnitte 26 der Einlaßöffnungen 21 bis 24 eingeleitet wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit einer Verwirbelungs strömung der Einlaßluft, die das AGR-Gas enthält und von den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitten 26 in die Brenn kammern 15 angesaugt wird, niedriger als die Strömungsge schwindigkeit einer Verwirbelungsströmung der Einlaßluft, die lediglich aus Luft gebildet ist und von den Hochgeschwindig keitsöffnungsabschnitten 25 in die Brennkammern 15 ange saugt wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Daher werden, wie in den Fig. 7 und 9A gezeigt ist, nacheinander beginnend bei der Umgebung der Zündkerzen 30 bis zum äußeren Umfang eine Schicht, die im wesentlichen nur aus AGR-Gas (CO₂) gebildet ist, eine Einlaßluftschicht (CO₂ + O₂), die AGR-Gas (CO₂) in großer Menge enthält, um eine Einlaßluftschicht, die im we sentlichen nur aus Luft (O₂) gebildet ist, gebildet, so daß in vertikaler Richtung eine Taumelgasströmung gebildet wird, derart, daß das AGR-Gas (CO₂) von Luft (Frischluft O₂) umge ben ist. Mit anderen Worten, in der Nähe der Zündkerzen 30 der Brennkammern 15 liegt das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf der fetten Seite mit wenig Frischluft und viel AGR-Gas und nähert sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen 30 der mageren Seite an und ist in einem Verteilungszustand mit viel Frischluft und wenig AGR-Gas. Dann wird, wie in Fig. 9B gezeigt ist, eine Kraftstoffmengen-Schichtladungsverteilung geschaffen, derart, daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis in der Nähe der Zündkerzen 30 auf der fetten Seite liegt und sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen 30 der mageren Seite annähert.

Hingegen wird zwar auch bei dem herkömmlichen Direktein spritzmotor 10' Einlaßluft in die Brennkammern 15 in der Weise angesaugt, daß eine Taumelströmung erzeugt wird und, wie in Fig. 10B gezeigt ist, das Luft-/Kraftstoffverhältnis in der Nähe der Zündkerzen 30 auf der fetten Seite liegt und sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen 30 der mageren Seite annähert, das AGR-Gas (CO₂) und die Luft (O₂) in der Brennkammer 15 sind jedoch vermischt, wie in Fig. 10A gezeigt ist.

Daher wird bei dem Direkteinspritzmotor 10 gemäß der Erfin dung Frischluft während der Flammenausbreitung selbst nach der mittleren Periode der Verbrennung zugeführt, wie in Fig. 11A gezeigt ist, so daß die Verbrennungsperiode verlängert wird, die Auslöschung der Verbrennung aufgrund eines Ausbla sens und eine zufällige Zündung beseitigt werden und eine Verringerung einer Abgabemenge durch Nachverbrennung erzielt wird. Wie in Fig. 12 gezeigt ist, beginnt eine anfängliche Verbrennung an einer Position, an der das Verhältnis des AGR- Gases zur Frischluft-Komponente (Abszissenachse) groß ist, d. h. in einem Abschnitt, in dem das AGR-Gas reichlich vorhan den ist, ferner werden eine Verbrennung der mittleren Periode und eine Verbrennung der späten Periode ausgeführt, wobei sich die Verbrennung allmählich zu einem Abschnitt verschiebt, in dem das AGR-Gas kaum vorhanden ist. Hingegen ist in dem herkömmlichen Direkteinspritzmotor 10' Luft (O₂) selbst nach der mittleren Periode der Verbrennung kaum vorhanden, wie in Fig. 11B gezeigt ist, so daß die Nachverbrennungsperiode kurz ist, ferner tritt, wie in Fig. 13 gezeigt ist, an einer Position, an der das Verhältnis des AGR-Gases zur Frischgaskomponente (Abszissenachse) im wesentlichen gleich ist, eine Gesamt verbrennung auf.

Daher wird bei dem Direkteinspritzmotor 10 gemäß der Erfin dung, wie in Fig. 14 durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist, die Temperatur des Verbrennungsgases zum Zeitpunkt der anfänglichen Verbrennung nicht hoch, tritt die Verbrennung in einem Zustand auf, in dem die Verbrennungstemperatur niedri ger als herkömmliche Verbrennungstemperaturen ist und niedrig gehalten wird, und tritt außerdem eine Verbrennung nach der mittleren Periode der Verbrennung in einem Abschnitt auf, in dem das AGR-Gas allmählich weniger wird und die Frischluft reichlich vorhanden ist, so daß die Temperatur des Verbrennungsgases im wesentlichen die gleiche wie in der anfänglichen Periode der Verbrennung bleibt.

Hingegen tritt in dem herkömmlichen Direkteinspritzmotor 10' eine Verbrennung in einem Bereich mit fettem Luft-/Kraft stoffverhältnis, wie in Fig. 14 durch eine unterbrochene Linie gezeigt ist, in der Periode der anfänglichen Verbrennung auf, so daß die Temperatur des Verbrennungsgases erheblich höher als jene in dem Direkteinspritzmotor 10 gemäß der Erfindung ist, die in Fig. 14 durch eine unterbrochene Linie gezeigt ist, wor aufhin (nach der mittleren Periode der Verbrennung) eine Verbrennung in einem Bereich mit magerem Luft-/Kraftstoff verhältnis auftritt, was eine schnelle Abnahme der Temperatur des Verbrennungsgases zur Folge hat.

Im allgemeinen wird um so mehr NO_x erzeugt, je höher die maximale Temperatur des Abgases ist, wie in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Fall wird bei dem Direkteinspritzmotor 10 gemäß der Erfindung die Temperatur des Verbrennungsgases in einer Periode, die bei der anfänglichen Periode der Verbrennung beginnt und bis zur letzten Periode der Verbrennung dauert, nicht so hoch, so daß die Menge von abgegebenem NO_x verrin gert wird. Hingegen wird bei dem herkömmlichen Direktein spritzmotor 10' ein Spitzenabschnitt (von einem Kreis umgebe ner Abschnitt), der der anfänglichen Periode der Verbrennung entspricht, in einer in Fig. 14 durch eine unterbrochene Linie gezeigten Kurve zu einer Temperaturzone, in der eine große Menge NO_x erzeugt wird, mit der Folge, daß die Menge von abgegebenem NO_x deutlich ansteigt.

Auf diese Weise wird bei dem Direkteinspritzmotor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das AGR-Gas einzeln in die jeweiligen Zylinder Nr. 1 bis Nr. 4 eingeleitet und wird Einlaßluft auf AGR-Gas-Pegel geschichtet, so daß der Streubetrag des AGR-Gases zwischen den Zylindern im Vergleich zum her kömmlichen Motor verringert wird und die Verbrennungstempe ratur erniedrigt ist. Daher ist es möglich, die Menge von abge gebenem NO_x stark zu reduzieren und die Grenze einer stabilen Verbrennung hinauszuschieben, ferner wird Einlaßluft ge schichtet, um die Verbrennungsperiode zu verlängern, so daß eine Verringerung der Menge von abgegebenem HC aufgrund einer Nachverbrennung oder dergleichen ermöglicht wird.

Weiterhin ist in Fig. 15 die Beziehung zwischen der Menge von abgegebenem NO_x und dem G/F für den Direkteinspritzmotor 10 gemäß der Erfindung sowie für den herkömmlichen Direkt einspritzmotor 10' gezeigt, wobei erfindungsgemäß eine robuste Charakteristik sichergestellt ist.

Ferner werden die Unterdrücke in den AGR-Gas-Einlaßöffnun gen 56 durch Steuern der Öffnungsgrade der Durchlaßventile 28, die in der Nähe der Einlaßenden der Niedriggeschwindig keitsöffnungsabschnitte 26 vorgesehen sind, geändert, wodurch die Durchlaßventile 28 ermöglichen, die Mengen von eingeleite tem AGR-Gas einzustellen (siehe Fig. 16). Daher ist im Stand der Technik die Verwendung eines Schrittmotors oder derglei chen notwendig, um den Öffnungsgrad des AGR-Steuerventils 55' (Fig. 3), das in dem AGR-Durchlaß 50 zum Steuern der AGR-Gasmenge vorgesehen ist, genau zu steuern. Erfindungs gemäß genügt ein Öffnen und Schließen des AGR-Steuerventils 55, so daß die Verwendung eines kostengünstigen elektroma gnetischen Ventils (EIN- und AUS-Ventil) möglich ist und die Kosten verringert werden können.

Weiterhin dauert es vergleichsweise lang, und das Ansprechver halten des Drehmomentanstiegs ist verschlechtert, wie durch die unterbrochenen Linien in Fig. 17 und die leeren Bereiche in Fig. 18 gezeigt ist, wenn das AGR-Gas in herkömmlicher Weise auf einmal in den Sammeldurchlaßabschnitt 20A (auf der Einlaßseite der Einlaßöffnungen 21 bis 24) des Einlaßdurch lasses 20 eingeleitet wird, wenn die AGR von einer Ausführung zu einer Unterbrechung übergeht, nachdem beispielsweise das Drosselventil 31 aus ihrer geschlossenen Stellung geöffnet worden ist und das AGR-Steuerventil 55 geschlossen wird und vor der tatsächlichen Beendigung der Rückführung von AGR- Gas, wie in Fig. 17 gezeigt ist. Hingegen besteht gemäß der Erfindung der Vorteil, daß das Ansprechverhalten erhöht ist, da das AGR-Gas einzeln in die jeweiligen Zylinder (Niedrigge schwindigkeitsöffnungsabschnitte) eingeleitet wird.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird bei dem Direkteinspritzmotor gemäß der Erfindung das AGR-Gas einzeln in die jeweiligen Zylinder eingeleitet und wird Einlaßluft auf AGR-Gas-Pegel geschichtet, so daß die Streuung der AGR- Gasmenge zwischen den Zylindern im Vergleich zum herkömm lichen Fall verringert wird und die Verbrennungstemperatur erniedrigt wird. Daher ist es möglich, die Menge von abgegebe nem NO_x stark zu verringern und die Grenze einer stabilen Verbrennung hinauszuschieben, ferner wird Einlaßluft ge schichtet, um die Periode der Verbrennung zu verlängern, wodurch eine Verringerung der Menge von abgegebenem HC aufgrund einer Nachverbrennung oder dergleichen ermöglicht wird.

Weiterhin werden die Unterdrücke an den AGR-Gas-Einlaßöff nungen durch Steuern der Öffnungsgrade der Durchlaßventile, die in der Nähe der einlaßseitigen Enden der Niedriggeschwin digkeitsöffnungsabschnitte angeordnet sind, geändert, so daß die Durchlaßventile ermöglichen, die Mengen von eingeleitetem AGR-Gas einzustellen. Daher ist im Stand der Technik die Verwendung eines Schrittmotors oder dergleichen notwendig, um den Öffnungsgrad des im AGR-Durchlaß vorgesehenen AGR-Steuerventils einzustellen, um die Menge des AGR-Gases zu steuern. Erfindungsgemäß genügt ein einfaches Öffnen und Schließen des AGR-Steuerventils, so daß die Verwendung eines kostengünstigen elektromagnetischen Ventils (EIN- und AUS- Ventil) möglich ist, wodurch die Kosten gesenkt werden.

Claims

1. Direkteinspritzmotor mit Einlaßöffnungen zum Zufüh ren von Luft und von AGR-Gas in Brennkammern, Kraft stoffeinspritzventilen, die Kraftstoff direkt einspritzen, und Zündkerzen, wobei die Luft und das AGR-Gas den Brenn kammern in der Weise zugeführt werden, daß die Luft, die eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hat, und das AGR-Gas, das eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit hat, eine Taumelgas strömung erzeugen, um einen Verteilungszustand zu schaffen, bei dem das Luft-/Kraftstoffverhältnis in der Nähe der Zündker zen auf der fetten Seite mit wenig Frischluft und viel AGR-Gas liegt und sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen der mageren Seite mit viel Frischluft und wenig AGR-Gas annä hert.

2. Direkteinspritzmotor mit Einlaßöffnungen und Brenn kammern, die Kraftstoffeinspritzventile besitzen und in die Kraftstoff direkt eingespritzt wird, wobei die Einlaßöffnungen jeweils in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströmungsgeschwindigkeit und in einen Niedrigge schwindigkeitsöffnungsabschnitt mit niedriger Einlaßströ mungsgeschwindigkeit unterteilt sind und AGR-Gas in die Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte eingeleitet wird.

3. Direkteinspritzmotor mit Brennkammern, in denen Kraftstoffeinspritzventile, die Kraftstoff direkt einspritzen, und Zündkerzen angeordnet sind, und Einlaßöffnungen, die so be schaffen sind, daß sie in den Brennkammern eine Taumelgas strömung erzeugen, die aus Luft und AGR-Gas gebildet ist, wobei Trennwände die jeweiligen Einlaßöffnungen in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströ ungsgeschwindigkeit und einen Niedriggeschwindigkeitsöff nungsbschnitt mit niedriger Einlaßströmungsgeschwindigkeit unterteilen und wobei Durchlaßventile zum Öffnen und Schließen der Öffnungsabschnitte in der Nähe der einlaßsei tigen Enden der Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte angeordnet sind und AGR-Durchlässe für die Einleitung des AGR-Gases mit den Niedriggeschwindigkeitsöffnungsab schnitten verbunden sind.

4. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Einlaßöffnungen in allen Zylindern des Motors durch Trennwände in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströmungsgeschwindigkeit und einen Niedrig geschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit niedriger Einlaßströ mungsgeschwindigkeit unterteilt sind und wobei die AGR-Gas- Einleitungsabschnitte in allen Zylindern in den Niedrigge schwindigkeitsöffnungsabschnitten vorgesehen sind.

5. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 2, wobei die jeweilige Einlaßöffnungen in allen Zylindern des Motors durch Trennwände in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströmungsgeschwindigkeit und einen Niedrig geschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit niedriger Einlaßströ mungsgeschwindigkeit unterteilt sind und wobei AGR-Gas- Einleitungsöffnungen in allen Zylindern in den Niedrigge schwindigkeitsöffnungsabschnitten vorgesehen sind.

6. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 3, wobei die jeweiligen Einlaßöffnungen in allen Zylindern des Motors durch Trennwände in einen Hochgeschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit hoher Einlaßströmungsgeschwindigkeit und einen Niedrig geschwindigkeitsöffnungsabschnitt mit niedriger Einlaßströ mungsgeschwindigkeit unterteilt sind und wobei die AGR-Gas- Einleitungsöffnungen in allen Zylindlern in den Niedrigge schwindigkeitsöffnungsabschnitten vorgesehen sind.

7. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 3, wobei die AGR- Durchlässe die Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte der jeweiligen Zylinder mit Auslaßdurchlässen verbinden, auf ihren Einlaßseiten einen einzigen gemeinsamen Durchlaßabschnitt bilden und auf ihrer jeweiligen Auslaßseite Verzweigungs durchlaßabschnitte besitzen, die vom gemeinsamen Durchlaß abschnitt verzweigen, um mit den jeweiligen Niedriggeschwin digkeitsöffnungsabschnitten verbunden zu werden, und wobei in dem gemeinsamen Durchlaßabschnitt ein AGR-Steuerventil vorgesehen ist.

8. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 4, wobei die AGR- Durchlässe die Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte der jeweiligen Zylinder mit Auslaßdurchlässen verbinden, auf ihren Einlaßseiten einen einzigen gemeinsamen Durchlaßabschnitt bilden und auf ihrer jeweiligen Auslaßseite Verzweigungs durchlaßabschnitte bilden, die vom gemeinsamen Durchlaßab schnitt verzweigen, um mit den jeweiligen Niedriggeschwindig keitsöffnungsabschnitten verbunden zu werden, und wobei in dem gemeinsamen Durchlaßabschnitt ein AGR-Steuerventil vorgesehen ist.

9. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 5, wobei die AGR- Durchlässe die Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte der jeweiligen Zylinder mit Auslaßdurchlässen verbinden, auf ihren Einlaßseiten einen einzigen gemeinsamen Durchlaßabschnitt bilden und auf ihrer jeweiligen Auslaßseite Verzweigungs durchlaßabschnitte bilden, die vom gemeinsamen Durchlaßab schnitt verzweigen, um mit den jeweiligen Niedriggeschwindig keitsöffnungsabschnitten verbunden zu werden, und wobei in dem gemeinsamen Durchlaßabschnitt ein AGR-Steuerventil vorgesehen ist.

10. Direkteinspritzmotor nach Anspruch 6, wobei die AGR- Durchlässe die Niedriggeschwindigkeitsöffnungsabschnitte der jeweiligen Zylinder mit Auslaßdurchlässen verbinden, auf ihren Einlaßseiten einen einzigen gemeinsamen Durchlaßabschnitt bilden und auf ihrer jeweiligen Auslaßseite Verzweigungs durchlaßabschnitte bilden, die vom gemeinsamen Durchlaßab schnitt verzweigen, um mit den jeweiligen Niedriggeschwindig keitsöffnungsabschnitten verbunden zu werden, und wobei in dem gemeinsamen Durchlaßabschnitt ein AGR-Steuerventil vorgesehen ist.

11. Direkteinspritzmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Menge des eingeleiteten AGR-Gases durch Steu ern der Öffnungsgrade der Durchlaßventile eingestellt wird.

12. Verfahren zum Ausführen einer Schichtladungs verbrennung in einem Direkteinspritzmotor, in dem Luft und AGR-Gas an Brennkammern zugeführt werden und Kraftstoff direkt in die Brennkammern eingespritzt wird, wobei das Ver fahren den folgenden Schritt umfaßt: Ausführen einer Schicht ladungsverbrennung durch Erzeugen eines Verteilungszustands mittels Taumelgasströmung, in dem das Luft-/Kraftstoff verhältnis in der Nähe der Zündkerzen in den Brennkammern auf der fetten Seite mit wenig Frischluft und viel AGR-Gas liegt und sich mit zunehmendem Abstand von den Zündkerzen der mageren Seite mit viel Frischluft und wenig AGR-Gas annähert.

13. Verfahren zum Ausführen einer Schichtladungs verbrennung in einem Direkteinspritzmotor nach Anspruch 12, bei dem während der anfänglichen Verbrennung diese in einem Zustand erfolgt, in dem die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird und nach der mittleren Verbrennungsperiode in einen Zustand übergeht, in dem die Verbrennungstemperatur niedrig gehalten wird.