DE112016000983T5

DE112016000983T5 - Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE112016000983T5
Application number: DE112016000983.6T
Authority: DE
Inventors: Yuji Harada; Hiroyuki Yamashita; Tatsuya Tanaka
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: US20180066600A1; WO2016152103A1; DE112016000983B4; US10119492B2; JP2016180326A; CN107429625B; CN107429625A; JP6056895B2

Abstract

Eine Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung (ein Motor-Controller 100) führt eine Haupteinspritzung über einen Zeitraum durch, der von einer letzten Stufe eines Verdichtungstakts bis zu einer Anfangsstufe eines Arbeitstakts reicht und führt zudem über einen Zeitraum, der von dem Ansaugtakt bis zu einer ersten Hälfte des Verdichtungstakts reicht, eine Voreinspritzung (71) durch, bei der eine kleinere Menge des Kraftstoffs als bei der Haupteinspritzung eingespritzt wird, und bestimmt auch, ob der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff während einer zweiten Hälfte des Ansaugtakts eine Teiloxidationsreaktion hervorruft, und führt beim Bestimmen, dass der Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorruft, zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung (73) durch. Die Zwischen-Einspritzung wird zu einem solchen Zeitpunkt durchgeführt, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet hat und bevor die Teiloxidationsreaktion eintritt, spontan zu zünden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kraftstoffeinspritzungsö-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Patentdokument 1 beschreibt, dass in einem Benzinmotor eine Selbstzündungs-Verbrennung durchgeführt wird, deren geometrisches Verdichtungsverhältnis dahingehend festgelegt wird, größer gleich 15 zu sein. Dieser Motor spritzt den Kraftstoff in einem Bereich hoher Last, in dem die Menge an eingespritztem Kraftstoff ansteigt, zweimal in einen Zylinder ein, so dass der Kraftstoff während dem Ansaugtakt und dem Verdichtungstakt getrennt eingespritzt wird. Der Motor ermöglicht einem Kraftstoff/Luft-Gemisch in einer Kavität, die an der Oberseite eines Kolbens vorgesehen ist, in der Umgebung des oberen Verdichtungs-Totpunkts die Selbstzündung. Der Motor ermöglicht dem Kraftstoff/Luft-Gemisch dann außerhalb der Aussparung mit der starken, durch die Verbrennung erzeugten Wärme während dem Arbeitstakt zu zünden und zu verbrennen. Dies ermöglicht das Ausführen einer Selbstzündungsverbrennung selbst in einem Bereich hoher Last, in der die Menge an eingespritztem Kraftstoff ansteigt, ohne dass das Verbrennungsgeräusch zunimmt.
Patentdokument 2 offenbart einen Motor mit Direkteinspritzung, der ein an der Mittelachse eines Zylinders angeordnetes, nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil besitzt, welches den Kraftstoff in Form eines Hohlkegels einspritzt. Bei diesem Motor mit Direkteinspritzung wird der Kraftstoff während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts in den Zylinder eingespritzt, wodurch sich in einer Brennkammer eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine die Kraftstoff/Luft-Gemischdchicht umgebende Gasschicht bilden. Der in Patentdokument 2 offenbarte Motor verringert den Kühlverlust, indem er die umgebende Gasschicht veranlasst, während der Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemischs als wärmeisolierende Schicht zu dienen.
PATENTDOKUMENTE

PATENTDOKUMENT 1: japanisches Patent Nr. 5477246
PATENTDOKUMENT 2: ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2013-57266

DARSTELLUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Das Bilden einer Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und einer Gasschicht, welche die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht umgibt, in der wie in Patentdokument 2 offenbarten Brennkammer begünstigt die Verringerung des Kühlverlustes. Je starker jedoch die auf den im Betrieb befindlichen Motor aufgebrachte Last ist, desto größer ist die Menge an eingespritztem Kraftstoff und desto schwerer ist das Bilden einer Gasschicht um das Kraftstoff/Luft-Gemisch.
In diesem Fall ermöglicht das Bilden einer Kraftstoff-mageren Gasschicht mittels Durchführen einer kleinen Menge an Voreinspritzung in einer frühen Stufe von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verbrennungstakts und das Bilden einer Kraftstoff-Luft-Gemischschicht näher an dem Zentralbereich der Brennkammer mittels Durchführen einer Haupteinspritzung zu einem Zeitraum, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bei zu einer Anfangsstufe des Arbeitstakts reicht, wie in Patentdokument 1 offenbart, es dem Kraftstoff/Luft-Gemisch, das sich um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht gebildet hat, als wärmeisolierende Schicht zu wirken und die Verbrennungstemperatur um die Wandfläche der Brennkammer zu senken, während der Motor unter Hochlast betrieben wird. Dies begünstigt eine Verringerung des Kühlverlustes.
Der während dem Zeitraum ab dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verbrennungstakts in den Zylinder eingesaugte Kraftstoff (also der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff) kann jedoch in einer Umgebung, in der der Druck und die Temperatur schrittweise in dem Zylinder ansteigen, wenn der Zylinder während dem Verdichtungstakt aufsteigt, eine Teiloxidations-Reaktion hervorrufen. Sobald der durch die Voreinspritzung angesaugte Kraftstoff eine Teiloxidations-Reaktion hervorgerufen hat, wird der während dem Zeitraum, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts andauert, eingespritzte Kraftstoff (d. h. der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff) spontan zünden, nachdem er eingespritzt wurde und bevor er sich gut mit der Luft vermischt hat (also ohne, dass ihm eine ausreichende Zündzeitpunktverzögerung gewährt wurde), wodurch möglicherweise Rauch entsteht oder die Verlängerung des Verbrennungszeitraums während dem Arbeitstakt derart verlängert wird, dass ein Anstieg der CO-Emission verursacht wird.
In Anbetracht des vorgenannten Hintergrunds ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen Abfall der Abgasemissionsleistung zu verringern, indem bei einem Motor mit Direkteinspritzung, der den Kraftstoff durch Spontanzündung verbrennt, indem diskrete Einspritzungen in einem Hochlastbereich vorgenommen werden, bei dem der Betrag des eingespritzten Kraftstoffs ansteigt, einem Kraftstoff, der durch Haupteinspritzung eingespritzt wird, die über einen Zeitpunkt, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts reicht, eine ausreichend lange Zündungszeitpunkt-Verzögerung gewährt wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung. Die Vorrichtung umfasst: einen Motorblock, der eine Brennkammer umfasst, die von einem Zylinderkopfdeckenabschnitt, einem für einen Zylinder vorgesehenen Zylinderblock, und einem sich im Inneren des Zylinders hin und her bewegenden Zylinder definiert wird; und eine Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungseinheit, die ein Kraftstoffeinspritzventil umfasst, das in der Brennkammer vorgesehen ist, um einen Flüssigkraftstoff einzuspritzen, und eingerichtet ist, den Kraftstoff zu einem vorgegeben Zeitpunkt in die Brennkammer einzuspritzen.
Die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung führt eine Haupteinspritzung durch während einem Zeitraum, der von einer letzten Stufe eines Verdichtungstakts bis zu einer Anfangsstufe eines Arbeitstakts reicht, und führt auch eine Voreinspritzung durch über einen Zeitraum, der von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verdichtungstakts andauert, bei der eine kleinere Menge Kraftstoff eingespritzt wird als bei der Haupteinspritzung. Ferner bestimmt die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, ob der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff während einer zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidationsreaktion hervorruft und führt beim Bestimmen, dass der Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorruft, zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung durch. Die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung führt die Zwischen-Einspritzung zu einem solchen Zeitpunkt durch, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet wurde und bevor die Teiloxidationsreaktion während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eintritt, spontan zu zünden.
Wie vorliegend verwendet bezeichnen „erste Hälfte des Verdichtungstakts” und „zweite Hälfte des Verdichtungstakts” jeweils die erste und zweite Hälfte, wenn der Verdichtungstakt in zwei gleiche Hälften aufgeteilt wird, nämlich eine erste und eine zweite Hälfte. Indessen bezeichnet vorliegend die „letzte Stufe des Verdichtungstakts” die letzte Stufe, wenn der Verdichtungstakt in drei gleiche Stufen unterteilt wird, nämlich eine Anfangsstufe, eine mittlere Stufe und die letzte Stufe. Ferner bezeichnet vorliegend die „Anfangsstufe des Arbeitstakts” eine Anfangsstufe, wenn der Arbeitstakt in drei gleiche Stufen unterteilt wird, nämlich die Anfangsstufe, eine mittlere Stufe und die letzte Stufe.
Gemäß dieser Ausgestaltung führt die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung diskrete Einspritzungen durch, die zumindest eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung umfassen. Dies ist in einem Bereich hoher Last, in der die Menge des eingespritzten Kraftstoffs zunimmt, von Vorteil. Die Voreinspritzung wird durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder über einen Zeitraum durchgeführt, der von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verdichtungstakts andauert. Da der Kraftstoff verhältnismäßig früh eingespritzt wird, diffundiert der eingespritzte Kraftstoff innerhalb der Brennkammer. Ferner spritzt die Voreinspritzung eine verhältnismäßig kleine Menge des Kraftstoffs ein, und bildet ein verhältnismäßig mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch.
Die Haupteinspritzung wird durch Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder über einen Zeitraum, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts reicht, durchgeführt. Da der Kraftstoff spät eingespritzt wird, konzentriert sich der Kraftstoffnebel in Richtung eines Zentralbereichs der Brennkammer. Die Haupteinspritzung spritzt eine verhältnismäßig große Menge des Kraftstoffs ein. Auf diese Weise bilden sich zu einem Zeitpunkt, wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch zündet, in der Brennkammer eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht umgebende, verhältnismäßig magere Gasschicht. Wenn die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht spontan in diesem Zustand zündet, wirkt die umgebende Gasschicht als eine wärmeisolierende Schicht, und die Verbrennungstemperatur um die Wandfläche der Brennkammer fällt ab, wodurch der Kühlverlust verringert werden kann.
Der durch die Voreinspritzung in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff wird mit Druck und Temperatur beaufschlagt, welche schrittweise ansteigen, wenn der Verdichtungstakt voranschreitet, was in manchen Fällen während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidations-Reaktion hervorruft. Wie vorliegend verwendet bezeichnet die „Teiloxidationsreaktion” eine Situation, bei der der Kraftstoff eine nur unzureichende thermische Flammreaktion zeigt, jedoch stattdessen eine Oxidationsreaktion hervorruft. Obgleich die Menge an durch die Teiloxidation erzeugter Wärme kleiner ist als in dem Fall einer vollständigen Oxidationsreaktion, verursacht sie dennoch einen Temperarturanstieg im Zylinder. Daher wird der während der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff danach spontan zünden, ohne dass ihm eine ausreichend lange Zündzeitverzögerung gewährt wird, sobald der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorgerufen hat.
Gemäß der obenstehend-beschriebenen Ausgestaltung bestimmt die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht, und wenn die Antwort JA lautet, führt sie eine Zwischen-Einspritzung zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung durch. Die Zwischen-Einspritzung wird vor dem Eintreten einer Niedrigtemperatur-Oxidationsreaktion durchgeführt. Die latente Hitze der Verdampfung des durch die Zwischen-Einspritzung in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs senkt die Temperatur in dem Zylinder, und verhindert somit im Wesentlichen das Eintreten der Teiloxidationsreaktion. Geeigneterweise wird die Zwischen-Einspritzung zu einem Zeitpunkt durchgeführt, bevor die Teiloxidationsreaktion eintritt. Dies ermöglicht es der Funktion zur Zwischen-Einspritzung, welche die Temperatur in dem Zylinder mit der latenten Wärme der Verdampfung senkt, das Eintreten der Teiloxidationsreaktion wirksam zu verhindern.
Auch könnte die Zwischen-Einspritzung die Funktion zur Unterbindung des Eintretens der Teiloxidation nicht vollständig durchführen, wenn die Zwischen-Einspritzung zu früh durchgeführt würde. Ferner könnte der durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzte Kraftstoff auch die Teiloxidationsreaktion hervorrufen. Die Zwischen-Einspritzung wird somit zu einem solchen Zeitpunkt durchgeführt, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, spontan während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet hat, zu zünden. Dies verhindert im Wesentlichen, dass der durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzte Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion verursacht.
Auf diese Weise gewährt das Verhindern der Teiloxidationsreaktion ab dem Eintreten während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts dem durch die Haupteinspritzung in den Zylinder eingespritzten Kraftstoff eine ausreichende Zündzeitverzögerung, was es ermöglicht, die Entstehung von Rauch oder den Anstieg der CO-Emission zu verhindern.
Der Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann auf Grundlage eines Drucks in dem Zylinder, einer Temperatur in dem Zylinder und einer Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder bestimmen, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht. Eine Bestimmung, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht kann auf Grundlage dieser Parameter exakt erfolgen. Somit verhindert das Durchführen der Zwischen-Einspritzung, wenn die Teiloxidation eintreten wird, im Wesentlichen das Eintreten der Teiloxidation.
Die Zwischen-Einspritzung kann eine kleinere Menge Kraftstoff einspritzen als die Haupteinspritzung.
Da die Zwischen-Einspritzung früher beginnt als die Haupteinspritzung sind Temperatur und Druck in dem Zylinder zum Zeitpunkt der Zwischen-Einspritzung noch nicht ausreichend hoch. Somit wird es immer wahrscheinlicher, dass der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffnebel sich länger fortbewegt als erwartet, und möglicherweise mit der Wandfläche der Brennkammer in Kontakt gelangt. Dies ist nachteilig beim Bilden der das Kraftstoff/Luft-Gemisch umgebenden Gasschicht. Aus diesem Grund ist die Menge an durch die Zwischen-Einspritzung eingespritztem Kraftstoff verhältnismäßig gering. Ferner ermöglicht die Verringerung des durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs die Einspritzung von viel Kraftstoff durch die Haupteinspritzung. Dies begünstigt das Motordrehmoment in dem Halb-bis-Volllast-Bereich, in dem die Gesamtmenge an eingespritztem Kraftstoff ansteigt.
Die Haupteinspritzung kann eine mehrstufige Einspritzung sein, die eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfasst, und ein Intervall zwischen einem Ende der Einspritzung der Zwischen-Einspritzung und einem Start der Einspritzung der Haupteinspritzung kann länger sein als ein Intervall zwischen ersten und zweiten Einspritzungen der Haupteinspritzung.
Werden diskrete Einspritzungen durchgeführt, kann der Nebel eines Kraftstoffs, der früher eingespritzt wird, sich mit dem Nebel eines später eingespritzten Kraftstoffs überlagern, was möglicherweise ein lokal übermäßig dichtes Kraftsoff-Luft-Gemisch erzeugt. In diesem Fall wird dies nicht nur zu einem Anstieg der Verbrennungstemperatur führen, sondern auch zu einem Rückgang der Abgasemissionsleistung. Gemäß der obenstehend beschriebenen Ausgestaltung verhindert die ausrechende Verlängerung des Einspritzintervalls zwischen der Zwischen-Einspritzung und der Haupteinspritzung im Wesentlichen, dass der Sprühnebel des durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs sich mit dem Sprühnebel des durch die Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs überlagert. Dies trägt vorteilhafterweise dazu bei, den Kühlverlust zu senken, indem die Verbrennungstemperatur gesenkt wird und im Wesentlichen die Entstehung von Rauch verhindert wird, indem eine lokale Bildung eines übermäßig dichten Kraftstoff/Luft-Gemischs beseitigt wird.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Wie der vorgenannten Beschreibung zu entnehmen ist, führt die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für den Motor mit Direkteinspritzung zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung durch, und verhindert somit durch Absenken der Temperatur in dem Zylinder mit der latenten Verdampfungshitze des eingespritzten Kraftstoffs im Wesentlichen das Eintreten einer Teiloxidationsreaktion. Im Ergebnis wird es dem durch die Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, spontan mit einer ausreichend lang gewährten Zündzeitverzögerung zu zünden, was eine Abnahme der Abgasemissionsleistung deutlich verringert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht schematisch eine Konfiguration für einen Motor mit Direkteinspritzung.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Konfiguration einer Brennkammer veranschaulicht.
3 veranschaulicht, wie die effektive Querschnittsfläche der Düsenblende eines sich nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzventils sich mit einer Taktmenge bzw. Hubmenge verändert.
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Betriebs-Kennfelds, wenn ein Motor warm ist.
5 veranschaulicht einen Kraftstoffeinspritzmodus in einem Volllast-Bereich.
Die obere Zeichnung von 6 veranschaulicht schematisch in einer Brennkammer gebildete Kraftstoffnebel, wenn in dem Volllast-Bereich eine Voreinspritzung durchgeführt wird und das untere Schaubild von 6 zeigt die Verteilung von Temperaturen in der Brennkammer in einer solchen Situation.
Die obere Zeichnung von 7 veranschaulicht schematisch in der Brennkammer gebildete Kraftstoffnebel an einem oberen Totpunkt in dem Vollast-Bereich und das untere Schaubild von 7 zeigt die Verteilung von Temperaturen in der Brennkammer in einer solchen Situation.
Die obere Zeichnung von 8 veranschaulicht schematisch einen in der Brennkammer gebildeten Kraftstoffnebel, wenn eine Haupteinspritzung in dem Volllast-Bereich abgeschlossen ist und das untere Schaubild von 8 veranschaulicht die Temperaturverteilung in der Brennkammer in einer solchen Situation.
9 veranschaulicht einen Kraftstoffeinspritzmodus in einem Halb-bis-Volllastbereich.
10 veranschaulicht schematisch eine in der Brennkammer gebildete Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Halb-bis-Volllastbereich.
11 zeigt, wie die Wärmeerzeugungsrate sich in Abhängigkeit dessen, ob eine Zwischen-Einspritzung durchgeführt wird oder nicht, verändert.
12 zeigt, wie sich die Zylinderinnentemperatur in Abhängigkeit dessen, ob die Zwischen-Einspritzung durchgeführt wird oder nicht, verändert.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft.
(Gesamtkonfiguration des Motors)
1 veranschaulicht eine Konfiguration für einen Motor 1 gemäß der Ausführungsform. Obgleich nicht dargestellt ist die Kurbelwelle 15 des Motors 1 über ein Getriebe mit Antriebsrädern gekoppelt. Die Leistung des Motors 1 wird über ein Getriebe 1 auf die Antriebsräder übertragen, was das Fahrzeug vorwärtstreibt. Der Kraftstoff des Fahrzeugs 1 in dieser Ausführungsform ist Benzin, kann aber auch Benzin enthaltend Bioethanol oder einen anderen Zusatzstoff sein. Die vorliegende Offenbarung ist weitreichend auf jedwede andere Art von vorgemischtem Kraftstoff anwendbar, der mittels Verdampfung eines Kraftstoffs zündet, der eingespritzt wurde, und der einen von verschiedenen Arten von Flüssigkraftstoffen nutzt.
Der Motor 1 umfasst einen Zylinderblock 12 und einen an dem Zylinderblock 12 montierten Zylinderkopf 13. Im Inneren des Zylinderblocks 12 ist eine Vielzahl von Zylindern 11 (von denen in 1 nur einer dargestellt ist) gebildet. Der Motor 1 ist ein Mehrzylinder-Motor. Obgleich nicht dargestellt ist im Inneren des Zylinderblocks 12 und des Zylinderblocks 13 ein Wassermantel gebildet, in dem Kühlwasser strömt. Ein Kolben 16, der über eine Verbindungsstange 14 mit der Kurbelwelle 15 gekoppelt ist, ist gleitend in jeden der Zylinder 11 eingesetzt. Der Kolben 16 definiert zusammen mit dem Zylinder 11 und dem Zylinderkopf 13 eine Brennkammer 17.
Bei dieser Ausführungsform ist der Deckenabschnitt 170 der Brennkammer 17 (also die Unterseite des Zylinderkopfs 13) eingerichtet, eine seitliche Ansaugsteigung 171 zu besitzen, die mit einer Öffnung 180 eines Ansauganschlusses 18 versehen ist und einen Aufwärtsgradienten hin zur Mitte des Zylinders 11 besitzt, und eine seitliche Auslasssteigung 172 zu besitzen, die mit einer Öffnung 190 eines Auslassanschlusses 19 versehen ist und die einen Aufwärtsgradienten hin zur Mitte des Zylinders 11 besitzt. Die Brennkammer 17 ist vom sogenannten „Pultdach-Typ”. Der First des Pultdachs kann mit dem Bohrungsmittelpunkt des Zylinders 11 übereinstimmen oder nicht. Wie ebenfalls in 2 dargestellt ist die Oberseite 160 des Kolbens 16 erhöht, um eine Spitzdachform bzw. Satteldachform zu bilden, die durch ansteigende Flächen 161, 162 gebildet wird, die jeweils einen Aufwärtsgradienten in Richtung des Kolbens 16 jeweils am der Ansaugseite und der Auslassseite, haben um jeweils der Steigung 171 der Ansaugseite und der Steigung 172 der Auslassseite des Deckenabschnitts 170 zugewandt zu sein. Somit wird das geometrische Verdichtungsverhältnis des Motors 1 eingestellt, um 15 oder mehr zu betragen. Auch besitzt die Oberseite 160 des Kolbens 16 eine eingelassene Kavität 163.
Obgleich in 1 nur ein Ansauganschluss 18 gezeigt ist, sind eigentlich zwei Ansauganschlüsse 18 für den Zylinderkopf 13 von jedem Zylinder 11 vorgesehen. Die jeweiligen Öffnungen 180 der beiden Ansauganschlüsse 18 sind nebeneinander in der Richtung der Ausgangswelle (also der Kurbelwelle 15) des Motors an der Steigung 171 der Ansaugseite des Zylinderkopfs 13 angeordnet. Die Ansauganschlüsse 18 kommunizieren durch diese Öffnungen 180 mit der Brennkammer 17. Gleichsam sind für den Zylinderkopf 13 von jedem Zylinder 11 zwei Ausgangsanschlüsse 19 bereitgestellt. Die jeweiligen Öffnungen 190 der beiden Auslassanschlüsse 19 sind nebeneinander in der Richtung der Ausgangswelle des Motors an der Steigung 172 der Auslassseite des Zylinderkopfs 13 angeordnet. Die Auslassanschlüsse 19 kommunizieren durch diese Öffnungen 190 mit der Brennkammer 17.
Jeder der Ansauganschlüsse 18 ist mit einer zugehörigen Ansaugpassage 181 verbunden. Ein Drosselventil 55 zum Steuern der Ansaugströmungsrate ist auf halber Strecke durch die Ansaugpassage 181 vorgesehen. Jeder der Auslassanschlüsse 19 ist mit einer zugehörigen Auslasspassage 191 verbunden. An der Auslasspassage 191 ist ein Abgasreinigungssystem mit einem oder mehr Katalysatoren angeordnet. Jeder der Katalysatoren kann einen Drei-Wege-Katalysator umfassen. Der Katalysator muss jedoch kein Drei-Wege-Katalysator sein.
Der Zylinderkopf 13 ist mit einem Ansaugventil 21 versehen, das angeordnet ist, um die Ansauganschlüsse 18 von der Brennkammer 17 zu trennen (also die Brennkammer 17 zu schließen). Das Ansaugventil 21 wird durch einen Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus angesteuert. Der Zylinderkopf 13 ist ebenfalls mit einem Auslassventil 22 angeordnet, um in der Lage zu sein, die Auslassanschlüsse 19 von der Brennkammer 17 zu trennen. Das Auslassventil 22 wird durch einen Auslassventil-Ansteuerungsmechanismus angesteuert. Das Ansaugventil 21 und das Auslassventil 22 bewegen sich zu einem vorgegebenen Zeitpunkt reziprok, um jeweils den Ansauganschluss 18 und/oder den Auslassanschluss 19 zu öffnen bzw. zu schließen, und dadurch in dem Zylinder 11 Gase auszutauschen.
Obgleich nicht dargestellt, umfasst der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus eine Ansaugnockenwelle, die mit der Kurbelwelle 15 wirkverbunden ist. Die Ansaugnockenwelle dreht sich synchron mit der Drehung der Kurbelwelle 15. Obgleich nicht dargestellt umfasst der Auslassventil-Ansteuerungsmechanismus eine Auslassnockenwelle, die mit der Kurbelwelle wirkverbunden ist. Die Auslass-Nockenwelle dreht sich synchron mit der Drehung der Kurbelwelle 15.
Bei diesem Beispiel umfasst der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus zumindest einen hydraulischen oder elektrisch-variablen Ventilsteuerungs(VTT)mechanismus 23, der in der Lage ist, die Phase der Ansaugnockenwelle fortwährend innerhalb einer vorgegebenen Winkelspanne zu verändern. Der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus kann ferner einen VVT-Mechanismus umfassen, der in der Lage ist, den Ventilhubbetrag sowie den VVT-Mechanismus 23 zu verändern.
Bei diesem Beispiel umfasst der Auslassventil-Ansteuerungsmechanismus einen hydraulischen und/oder elektrisch-variablen Ventilsteuerungs-Mechanismus VVT 24, der in der Lage ist, die Phase der Auslassnockenwelle fortwährend innerhalb einer vorgegebenen Winkelspanne zu verändern. Der Ansaugventil-Ansteuerungsmechanismus kann ferner einen variablen Ventilhubmechanismus umfassen, der in der Lage ist, den Ventilhubbetrag sowie den VVT-Mechanismus 24 zu verändern.
Der variable Ventilhubmechanismus kann auch ein durchgehender, variabler Ventilhubmechanismus (CVVL) sein, der in der Lage ist, den Ventilhubbetrag fortwährend zu verändern. Es sei angemerkt, dass der Ventilansteuerungsmechanismus zum Ansteuern des Ansaugventils 21 und des Auslassventils 22 auch eine andere Art Ansteuerungsmechanismus sein kann, wie beispielsweise ein hydraulischer oder elektromagnetischer Ansteuerungsmechanismus.
Wie in 2 in einem größeren Maßstab gezeigt ist, ist an dem Zylinderkopf 13 ein Kraftstoffeinspritzventil 6 zum Direkteinspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer 17 angebracht. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 ist an dem Pultdachfirst angeordnet, an dem sich die Steigung 171 der Ansaugseitige und die Steigung 172 der Auslassseite schneiden. Auch ist das Kraftstoffeinspritzventil 6 derart angeordnet, dass seine Einspritzachse S an der Achse des Zylinders 11 ausgerichtet und das Ende der Spitze seiner Einspritzöffnung dem Inneren der Brennkammer 17 zugewandt ist. Es sei angemerkt, dass die Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 mit der Achse des Zylinders 11 ausgerichtet sein kann oder nicht ausgerichtet sein kann.
Die Kavität 163 des Kolbens 16 ist angeordnet, um dem Kraftstoffeinspritzventil 6 zugewandt zu sein. Das Kraftstoffeinspritzventil 6 spritzt den Kraftstoff in die Kavität 163 ein.
Bei diesem Beispiel ist das Kraftstoffeinspritzventil 6 ein sich nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil. Das sich nach außen öffnende Kraftstoffeinspritzventil 6 besitzt einen Düsenkörper 60 mit einer Düsenblende 61 durch die der Kraftstoff eingespritzt wird, und ein sich nach außen öffnendes Ventil 62, das die Düsenblende 61 öffnet und schließt, die in 3 gezeigt ist, in der das Ende seiner Spitze in einem größeren Maßstab zeigt.
Der Düsenkörper 60 ist als ein röhrenförmiges Glied derart gebildet, dass Kraftstoff durch das Innere des Düsenkörpers 60 strömt. Die Düsenöffnung 61 ist an dem Ende der Spitze des Düsenkörpers 60 vorgesehen. Die Düsenblende 61 ist derart verjüngt, dass der Durchmesser schrittweise in Richtung der Spitze zunimmt.
Das sich nach außen öffnende öffnende Ventil 62 besitzt einen Ventilkörper 63, der zur Außenseite des Ventilkörpers 60 an der Spitze des Düsenkörpers 60 freilegt, und einen Verbindungsabschnitt 64, der sich von dem Ventilkörper 63 erstreckt, durch den Düsenkörper 60 erstreckt und mit einem (nicht gezeigten) piezoelektrischen Element verbunden ist. Der Ventilkörper 63 umfasst einen Sitzabschnitt 65, der im Wesentlichen die gleiche Form besitzt die die verjüngte Düsenöffnung 61. Es gibt einen Abschnitt 66 verringerten Durchmessers, zwischen dem Sitzabschnitt 65 und dem Verbindungsabschnitt 64 des Ventilkörpers 63. Wie in 3 gezeigt besitzt der Abschnitt 66 verringerten Durchmessers eine Neigung, die sich von dem Sitzabschnitt 65 unterscheidet. Konkret neigt sich der Abschnitt 66 verringerten Durchmessers von dem Bodenende hin zur Spitze schwacher als der Sitzabschnitt 65.
Wie durch die Zweipunktlinie in 3 angedeutet, ist die Düsenöffnung 61 geschlossen, während der Sitzabschnitt 65 an der Düsenöffnung 61 anliegt. Das piezoelektrische Element wird beim Anlegen einer Spannung daran verformt, und hebt somit das sich nach außen öffnende Ventil 62 entlang der Einspritzachse S an. Folglich bewegt sich der Sitzabschnitt 65, wie durch die durchgezogene Linie in 3 angedeutet weg von der Düsenöffnung 61, und öffnet somit die Düsenöffnung 61, sich zu öffnen. Wenn die Düsenöffnung 61 geöffnet ist, wird der Kraftstoff durch die Düsenöffnung 61 in eine sich bezüglich der Einspritzachse S neigende Richtung und sich radial von der Einspritzachse S ausbreitende Richtung eingespritzt. Konkret wird der Kraftstoff in Form eines Hohlkegels eingespritzt, dessen Mittelachse durch die Einspritzachse S definiert ist. Stoppt das Anlegen der Spannung an das piezoelektrische Element, nimmt das piezoelektrische Element wieder seine ursprüngliche Form an, bei der der Sitzabschnitt 65 des sich nach außen öffnenden Ventils 62 an der Düsenöffnung 61 anliegt und die Düsenöffnung 61 erneut schließt.
Sobald die an das piezoelektrische Element angelegte Spannung zunimmt, nimmt die Hubmenge des sich nach außen öffnenden Ventils 62 aus dem Zustand, in dem die Düsenöffnung 61 geschlossen wird, zu. Wie aus 3 deutlich wird, ist der Öffnungsgrad (also die effektive Querschnittsfläche) desto größer, je größer die Hubmenge der Düsenöffnung 61 wird. In diesem Fall, wird die effektive Querschnittsfläche durch den Abstand von der Düsenöffnung 61 zu dem Sitzabschnitt 65 definiert. Sobald die Hubmenge zunimmt, nimmt auch die Größe der Partikel des Kraftstoffnebels zu, der durch die Düsenöffnung 61 in die Brennkammer 17 eingespritzt wird. Umgekehrt nimmt, wenn die Hubmenge ansteigt, auch die Größe der Partikel des durch die Düsenöffnung 61 in die Brennkammer 17 eingespritzten Kraftstoffnebels zu. Auch strömt der Kraftstoff entlang dem Abschnitt 66 mit verringertem Durchmesser während er durch die Düsenöffnung 61 gelangt. Wenn die Hubmenge zunimmt, wird der Abschnitt 66 verringerten Durchmesser weiter von der Düsenöffnung 61 beabstandet und daher wird der Sprühwinkel des Kraftstoffs (also der Verjüngungswinkel des Hohlkegels) schmaler. Unterdessen gelangt der Abschnitt 66 verringerten Durchmessers näher an die Düsenöffnung 61, und daher wird der Sprühwinkel des Kraftstoffs (also der Verjüngungswinkel des Hohlkegels) breiter.
Auch wird angenommen, dass der Kraftstoffdruck konstant ist je breiter die effektive Querschnittsfläche ist, desto geringer wird die erreichte Einspritzrate. Hingegen nimmt die Einspritzrate zu, wenn sich die effektive Querschnittsfläche vergrößert. Wird die effektive Querschnittsfläche jedoch zu klein, wird die Wirkung der durch die Wandfläche der Einspritzöffnung verursachte Reibwiderstand auf den Kraftstoff so deutlich, dass die Einspritzrate niedrig wird. Somit gibt es einen Hubbetrag, zu dem die Kraftstoffeinspritzrate maximal wird. Die Kraftstoffeinspritzrate fällt ab, unabhängig davon ob die Hubmenge größer oder kleiner ist als die Maximalrate des Hubbetrags. Es sei angemerkt, dass dieser maximale Hubbetrag verhältnismäßig klein ist.
Wie in 2 dargestellt besitzt der Deckenabschnitt 170 des Zylinderkopfs 13 eine Aussparung 173, die aus der Deckenfläche ausgenommen ist, und das Ende der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 ist in der Aussparung 173 aufgenommen. Die Innenfläche der Aussparung 173 besitzt eine derartige Steigung, dass ihr Innendurchmesser schrittweise hin zum Inneren der Brennkammer 17 zunimmt. Das Anordnen des Endes der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 an einer Position, die tiefer ist als die Deckenfläche des Zylinderkopfs 13, kann den Spalt zwischen der Oberseite 160 des Kolbens 16 und dem Ende der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 so breit wie möglich machen, wenn der Kolben 16 den oberen Totpunkt erreicht, während das geometrische Verdichtungsverhältnis zunimmt. Dies begünstigt das Bilden der wärmeisolierenden Gasschicht um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht, wie später beschrieben wird. Ferner weitet sich der Spalt zwischen dem Ende der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 und der Innenfläche der Aussparung 173 so weit auf, um zu verhindern, dass sich der von dem Kraftstoffeinspritzventil 6 eingespritzte Kraftstoffnebel entlang der Deckenfläche des Zylinderkopf 13 aufgrund des Coanda-Effekts anlagert.
Ein Kraftstoffzufuhrsystem 57 umfasst eine elektrische Schaltung zum Ansteuern des sich nach außen öffnenden Ventils 62 und ein Kraftstoffzufuhrsystem, das den Kraftstoff an das Kraftstoffeinspritzventil 6 zuführt. Der Motor-Controller 100 gibt zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein Einspritzsignal mit einer dem Hubbetrag entsprechenden Spannung an die elektrische Schaltung aus, und betreibt somit über die elektrische Schaltung das sich nach außen öffnende Ventil 62, so dass eine gewünschte Menge des Kraftstoffs in den Zylinder eingespritzt wird. Wird das Einspritzsignal nicht ausgegeben (also wenn das Einspritzsignal eine Spannung von null besitzt), wird die Düsenöffnung 61 durch das sich nach außen öffnende Ventil 62 geschlossen. Auf diese Weise wird der Betrieb des piezoelektrischen Elements durch das Einspritzsignal von dem Motor-Controller 100 gesteuert. Der Motor-Controller 100 steuert den Betrieb des piezoelektrischen Elements und steuert dadurch die Einspritzung des Kraftstoffs durch die Düsenöffnung 61 des Kraftstoffeinspritzventils 6 und den Hubbetrag zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung. Da das piezoelektrische Element leicht ansprechbar ist, können mehrstufige Einspritzungen durchgeführt werden, beispielsweise können in 1 bis 2 Millisekunden etwa zwanzig Einspritzungen durchgeführt werden. Die Einrichtungen zum Betreiben des sich nach außen öffnenden Ventils 62 sind jedoch nicht auf ein piezoelektrisches Element beschränkt.
Wenngleich nicht gezeigt, ist das Kraftstoffzufuhrsystem mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe und einem Common Rail versehen. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe führt den Kraftstoff, der aus einem Kraftstofftank durch eine Niederdruck-Kraftstoffpumpe zugeführt wurde, unter Druck an das Common Rail zu, welches den unter Druck zugeführten Kraftstoff bei einem vorgegebenen Kraftstoffdruck speichert. Dann wird das Kraftstoffeinspritzventil 6 betrieben (also das sich nach außen öffnende Ventil 62 wird angehoben) um den in dem Common Rail gespeicherten Kraftstoff durch die Düsenöffnung 61 einzuspritzen. Eine Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung weist den Motor-Controller 100 und das Kraftstoffeinspritzventil 6 auf.
Wie später detailliert beschrieben wird, ist die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung derart eingerichtet, dass eine (verbrennbare) Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht umgebende wärmeisolierende Gasschicht in der Brennkammer 17 gebildet werden können (also in der Kavität 163), wie schematisch in 2 gezeigt ist.
Dieser Motor 1 ist eingerichtet, um quasi im gesamten Betriebsspektrum, das in dem Zylinder 11 gebildete Kraftstoff/Luft-Gemisch durch Kompressionszündung (also durch gesteuerte Selbstzündung, (eng. CAI)) zu verbrennen. Der Motor 1 umfasst ein Zündungsassistenzsystem 56 um das Kraftstoff/Luft-Gemisch bei Zündung in einer vorgegebenen Umgebung beim Zünden zu unterstützen. Das Zündungsassistenzsystem 56 kann beispielsweise eine Entladungskerze sein, die der Brennkammer 17 zugewandt angeordnet ist. Mit anderen Worten ermöglicht das Anlegen von gesteuerten Impulsen einer hohen Spannung an der Elektrode der Entladungskerze, eine extrem kurze Pulsentladung in der Brennkammer 17 zu erzeugen, dass eine Stromentladung in der Brennkammer erzeugt wird, wodurch Ozon in dem Zylinder entsteht. Das Ozon unterstützt die CAI. Es sei angemerkt, dass das Zündungsassistenzsystem nicht als Entladungskerze zur Erzeugung von Ozon ausgebildet sein muss, sondern auch eine „Spur”-Kerze zur Unterstützung der CAI sein kann, indem durch eine Funkenentladung Energie auf das Kraftstoff/Luft-Gemisch aufgebracht wird.
Der Motor 1 beinhaltet ferner ein AGR-System 512, welches eingerichtet ist, ein verbranntes Gas wieder in den Zylinder 11 einzubringen. Das AGR-System 512 beinhaltet sowohl ein äußeres AGR-System zur Wiedereinbringung des verbrannten Gases in den Zylinder 11 durch eine AGR-Passage, die den Auspuff und die Ansaugpassagen 191 und 181 des Motors 1 verbindet, als auch ein internes AGR-System, um es einem Teil des verbrannten Gases in dem Zylinder 11 zu ermöglichen, im Wesentlichen in dem Zylinder 11 zu verbleiben.
Der Motor-Controller 100 ist ein Controller, der einen aus dem Stand der Technik bekannten Mikrocomputer als Grundelement beinhaltet. Der Motor-Controller 100 beinhaltet eine CPU (Hauptprozessor), die Programme ausführt, einen Speicher, der beispielsweise als RAM oder ROM eingerichtet ist und Programme und Daten speichert, und einen I/O-Bus, der elektrische Signale ein- und ausgibt.
Der Motor-Controller 100 empfängt zumindest ein Signal, das die Strömungsrate von Ansaugluft von einem Luftmassenmesser 51 angibt, ein Kurbelwellenwinkel-Impulssignal von einem Kurbelwellenwinkelsensor 52, ein Gaspedal-Öffnungssignal von einem Gaspedal-Öffnungssensor 53, der den Grad des Herunterdrückens des Gaspedals erfasst, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 54, das Signal Kühlwassertemperatur des Motors 1 von einem Wassertemperatursensor 58, ein Ansaugtemperatursignal von einem Ansaugtemperatursensor 59, ein Ansaugdrucksignal von einem Ansaugdrucksensor 510 und ein Sauerstoffkonzentration-im-Abgas-Signal von einem linearen Sauerstoffsensor 511. Auf Grundlage dieser Eingangssignale berechnet der Motor-Controller 100 Parameter zur Steuerung des Motors 1, etwa ein Soll-Drosselöffnungssignal, Kraftstoffeinspritzimpuls, Zündungsassistenzsignal, und Ventilphasenwinkelsignal. Dann gibt der Motor-Controller 100 diese Signale an das Drosselventil 55 (insbesondere einen Drosselaktuator, der das Drosselventil 55 bedient), den VVT-Mechanismus 23, 24, das Kraftstoffzufuhrsystem 57, das Zündungsassistenzassistenzsystem 56, das AGR-System 510, und so weiter aus.
Das geometrische Verdichtungsverhältnis ε des Motors 1 soll größer gleich 15 sein, wie oben beschrieben. Das geometrische Verdichtungsverhältnis kann kleiner gleich 40 sein, und liegt geeigneterweise im Bereich von 20 bis 35. Der Motor 1 ist eingerichtet, ein Expansionsverhältnis zu haben, das mit zunehmenden Verdichtungsverhältnis ansteigt. Somit hat der Motor 1 ein hohes Verdichtungsverhältnis und gleichzeitig ein vergleichsweise hohes Expansionsverhältnis. Ein hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis stabilisiert die CAI-Verbrennung.
Die Brennkammer 17 wird durch die Innenwandfläche des Zylinders 11, die Oberseite 160 des Kolbens 16, die Unterseite (also die Deckenfläche 170) des Zylinderkopfs 13 und die jeweiligen Ventilkopfflächen des Ansaugventils 21 und des Auslassventils 22 gebildet. Wärmeabschirmungsschichten werden jeweils an den obengenannten Flächen vorgesehen, um den Kühlverlust zu verringern. Dies isoliert die Brennkammer 17 von Hitze. Die Wärmeabschirmungsschichten können an allen oder einem Teil der definierenden Flächen vorgesehen sein. Ferner kann die Wärmeabschirmungsschicht auch an den Wandflächen der Ansaugöffnung 18 und der Abgasöffnung 19 nahe der Öffnungen an dem Deckenabschnitt 170 der Brennkammer 17 vorgesehen sein, obgleich solche Wandflächen nicht diejenigen Wandflächen sind, welche die Brennkammer 17 unmittelbar definieren.
Diese Wärmeabschirmungsschichten sind ausgestaltet, um eine geringere thermische Leitfähigkeit als das Grundmetallglied zu haben, welches die Brennkammer 17 bildet, um im Wesentlichen zu verhindern, dass die Wärme des Verbrennungsgases in der Brennkammer 17 durch die definierenden Flächen abgeführt wird.
Die Wärmeabschirmungsschichten haben geeigneterweise eine geringere spezifische volumetrische Wärme als die Grundglieder, um den Kühlverlust zu verringern. Mit anderen Worten ist es deshalb vorteilhaft, die thermische Kapazität der Wärmeabschirmungsschichten zu verringern, so dass die Temperatur der die Brennkammer 17 definierenden Flächen sich gemäß der Änderung in der Gastemperatur in der Brennkammer 17 ändert.
Die Wärmeabschirmungsschichten können gebildet werden, indem ein Grundglied mit einem keramischen Material wie beispielsweise ZrO₂ durch Plasma-Spritzbeschichtung beschichtet wird. Das keramische Material kann eine große Anzahl von Poren haben. Dies ermöglicht es, dass die thermische Leitfähigkeit und die volumetrische spezifische Wärme der Wärmeabschirmungsschichten weiter verringert werden.
Gemäß dieser Ausführungsformen ermöglichen nicht nur das Übernehmen der Wärmeabschirmungsstruktur für die Brennkammer, sondern auch das Bilden einer wärmeisolierenden Gasschicht in der Brennkammer 17, während der Motor 1 warm ist (also eine Temperatur größer gleich einer vorgegebenen Temperatur hat), dass der Kühlverlust deutlich verringert werden kann.
Insbesondere das Einspritzen des Kraftstoffs durch das Spitzenende der Einspritzdüse der Kraftstoffeinspritzungsventils 6 in den Hohlraum 163 bei oder nach dem Verdichtungstakt derart, dass eine Gasschicht beinhaltend frische Luft in einem Randbereich innerhalb der Brennkammer 17 gebildet wird und eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Zentralbereich der Kammer gebildet wird, ermöglicht die Implementierung einer Schichtstruktur, bei der die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Zentralbereich innerhalb des Hohlraums 163 in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 6 gebildet wird und eine wärmeisolierende Gasschicht beinhaltend frische Luft gebildet wird, um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht wie in 2 dargestellt zu umgeben. Wenn hierbei Bezug genommen wird auf die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht, kann die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht als eine Schicht definiert sein, die ein verbrennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch aufweist, bei dem es sich um ein Kraftstoff/Luft-Gemisch mit z. B. einem Kraftstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis φ von 0,1 oder mehr handelt. Je länger die Zeit, die seit dem Start des Einspritzens von Kraftstoff verstrichen ist, desto mehr verteilt sich der Sprühnebel des Kraftstoffs. Somit ist die Größe der Kraftstoff/Luft-Gemischschicht die Größe, die zum Zeitpunkt der Zündung gemessen wird. Ein Kraftstoff kann als gezündet betrachtet werden, wenn beispielsweise das Brennmassenverhältnis des Kraftstoffs größer gleich 1% wird. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch zündet in der Nähe des oberen Totpunkts der Verdichtung.
Die wärmeisolierende Gasschicht kann im Wesentlichen aus frischer Luft bestehen oder zusätzlich ein verbranntes Gas (also ein AGR-Gas) sowie frische Luft beinhalten. Es gibt kein Problem, selbst wenn die wärmeisolierende Gasschicht eine geringe Menge des Kraftstoffs beinhaltet. Eher muss die wärmeisolierende Gasschicht magerer sein als die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht, um als eine wärmeisolierende Schicht zu wirken. Wie später beschrieben werden wird, wenn die Last an dem Motor 1 ansteigt, um die Menge an eingespritztem Kraftstoff zu erhöhen, wird die wärmeisolierende Gasschicht eine Schicht sein, die eine kleine Menge des Kraftstoffs umfasst, wird aber immer noch magerer an Kraftstoff sein als es die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht ist.
Wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch CAI-Verbrennung in einem Zustand erzeugt, bei dem eine wärmeisolierende Gasschicht und eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht wie in 2 gezeigt gebildet wurden, verhindert die wärmeisolierende Gasschicht, die sich zwischen der Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und der Wandfläche der Brennkammer 17 befindet, nicht nur im Wesentlichen, dass die Flamme der Kraftstoff/Luft-Gemischschicht mit der Wandfläche der Brennkammer 17 in Berührung kommt, sondern fungiert auch als wärmeisolierende Schicht, um im Wesentlichen Wärme daran zu hindern, aus dem Inneren der Brennkammer 17 auf die Wandfläche der Brennkammer 17 übertragen zu werden.
Es sei angemerkt, dass das ledigliche Verringern des Kühlverlusts ermöglichen kann, dass sich die Abnahme des Kühlverlusts in einen Abgasverlust wandelt, was nicht auf besondere Weise zur Verbesserung des angegebenen Wärmewirkungsgrads beiträgt. Jedoch wandelt dieser Motor 1 die Energie des Verbrennungsgases, entsprechend der Abnahme in dem Kühlverlust, effizient in mechanische Arbeit um, indem das Expansionsverhältnis, das mit der Zunahme in dem Verdichtungsverhältnis einhergeht, erhöht wird. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass der Motor 1 den angegeben Wärmewirkungsgrad deutlich verbessert, indem eine Ausgestaltung zur Verringerung sowohl des Kühlverlusts als auch des Abgasverlusts ausgeführt wird.
Um eine solche Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und eine solche wärmeisolierende Gasschicht in der Brennkammer 17 zu bilden, ist der Gasfluss innerhalb der Brennkammer 17 auf geeignete Weise zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung schwach. Zu diesem Zweck sind die Ansaugöffnungen eingerichtet, eine gerade Form zu haben, welche die Entstehung eines Wirbels innerhalb der Brennkammer 17 entweder verhindert oder deutlich verringert und um die Tumble-Strömung so schwach wie möglich zu halten.
(Details der Kraftstoffeinspritzungssteuerung)
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Bedienkennfeld des Motors 1. Dieses Bedienkennfeld ist in der Lastrichtung in einen Leicht-bis-Halblastbereich A, einen Halb-bis-Volllastbereich B und einen Volllastbereich C unterteilt. Der Leicht-bis-Volllastbereich A, der Leicht-bis-Volllastbereich B und der Volllastbereich C unterscheiden sich hauptsächlich bezüglich des Einspritzmodus.
Der Leicht-bis-Halblastbereich A ist ein Bereich, in dem die Last an dem Motor 1 die Schwächste ist. Da die Last die schwächste ist, wird die Menge an eingespritztem Kraftstoff die Kleinste. In diesem Leicht-bis-Halblastbereich A wird eine CAI-Verbrennung mit einem Kraftstoff/Luft-Gemischschicht und einer wärmeisolierenden Gasschicht durchgeführt, umfassend im Wesentlichen keinen Kraftstoff, der wie obenstehend beschrieben in der Brennkammer 17 gebildet wurde. Gleichwohl nicht dargestellt spritzt das Kraftstoffeinspritzventil 6 den Kraftstoff während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts in den Zylinder 11 ein. Der Kraftstoff kann entweder nur einmal oder mehrere Male eingespritzt wurden. Das Einspritzen des Kraftstoffs während dem Verbrennungstakt-Zeitraum, bei der der Druck und die Temperatur in dem Zylinder 11 im Wesentlichen hoch werden, verhindert im Wesentlichen, dass der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoffnebel sich länger fortbewegt als erwartet. Somit kann in dem Zentralbereich der Brennkammer 17 eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht gebildet werden und eine wärmeisolierende Gasschicht kann um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht gebildet werden. Die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht zündet spontan in der Umgebung des oberen Verdichtungstotpunkts. Es sei angemerkt, dass in diesem Leicht-bis-Halblastbereich A ein Teil des verbrannten Gases durch das AGR-System 512 in den Zylinder 11 eingeleitet wird.
Der Volllastbereich C ist ein Bereich, in dem die Last an dem Motor 1 die Stärkste ist. Da die Last die Stärkste ist, wird die Menge des eingespritzten Kraftstoffs die Größte. Es dem Kraftstoff zu ermöglichen, spontan in dem Volllastbereich C zu zünden, würde es dem Druck ermöglichen, so steil währen der Verbrennung anzusteigen, dass der Verbrennungsgeräuschpegel ansteigt. Somit wird in dem Volllastbereich C der Zündzeitpunkt verzögert bis hin zu einem vorgegeben Zeitpunkt während dem Arbeitstakts, was dazu führt, dass sich der Zündzeitpunkt mit einem Zeitpunkt überschneidet, wenn die Druckrate während dem Betrieb des Motors den negativen Maximalwert erreicht. Dies verringert die Druckanstiegsrate während der Verbrennung und senkt den Verbrennungsgeräuschpegel.
Jedoch fällt die Temperatur in dem Zylinder 11 ab, wenn der Arbeitstakt voranschreitet. Somit würde ein zu starkes Verzögern des Zündzeitpunkts ein unbeabsichtigtes Feuer verursachen. Insbesondere besitzt dieser Motor 1 ein so hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis, dass die Temperatur in dem Zylinder 11 während dem Arbeitstakt schnell abfällt. Daher ist es schwierig, den Zündzeitpunkt bis zu einem Punkt zu verzögern, an dem der Verbrennungsgeräuschpegel ausreichend verringert werden kann.
Somit führt der Motor in diesem Volllastbereich C zwei Kraftstoffeinspritzungen durch, nämlich eine Voreinspritzung 71 und eine Haupteinspritzung 72 nach der Voreinspritzung 71, führt also diskrete Einspritzungen durch, wie dies in 5 gezeigt ist. Indem der durch die Voreinspritzung 71 in den Zylinder 11 eingespritzte Kraftstoff eine Teiloxidationsreaktion verursacht, kann eine konstante Temperatur in dem Zylinder 11 beibehalten werden, selbst an oder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt, was es dem durch die Haupteinspritzung 72 eingespritztem Kraftstoff ermöglicht, spontan während oder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu zünden. Die Voreinspritzung wird durchgeführt, um die Innentemperatur des Zylinders abzuheben, wohingegen die Haupteinspritzung 72 durchgeführt wird, um eine spontane Zündung und Verbrennung während dem Arbeitstakt herbeizuführen.
5 zeigt einen Einspritzmodus im Volllastbereich C. Die obere Zeichnung aus 6 veranschaulicht Sprühnebel von einem in der Brennkammer 17 gebildeten Kraftstoffnebel, wenn die Voreinspritzung 71 in dem Vollastbereich C durchgeführt wird, und das untere Schaubild von 6 zeigt die Temperaturverteilung in der Brennkammer 17 in einer solchen Situation. Die obere Zeichnung aus 7 veranschaulicht schematisch Sprühnebel des Kraftstoffs, die in der Brennkammer 17 an dem oberen Verdichtungstotpunkt in dem Vollastbereich C gebildet werden, und das untere Schaubild aus 7 zeigt die Verteilung von Temperaturen in der Brennkammer 17 in einer solchen Situation. Die obere Zeichnung aus 8 veranschaulicht schematisch einen in der Brennkammer 17 gebildeten Kraftstoffnebel, wenn die Haupteinspritzung 17 in dem Vollastbereich abgeschlossen ist, und das untere Schaubild aus 8 zeit die Temperaturverteilung in der Brennkammer 17, wenn eine Hauptverbrennung stattfindet.
In dem Volllastbereich C stoppt der Motor-Controller 100 den Rückfluss des AGR-Gases. Der Motor-Controller 100 stoppt den Rückfluss des AGR-Gases, da die benötigte Last in dem Vollastbereich C so stark ist, dass ein Luftvolumen, das der Volllast entspricht, benötigt wird.
Außerdem führt der Motor-Controller 100 Steuerung derart durch, dass der Überschussluftfaktor λ größer kleiner gleich einem in dem Vollastbereich C wird. Es wird nun der Kraftstoffeinspritzmodus in dem Vollastbereich detailliert beschrieben.
Die Voreinspritzung 71 wird, vor der mittleren Stufe des Verdichtungstakts durchgeführt. Insbesondere wird die Voreinspritzung 71 durchgeführt, nachdem das Ansaugventil 21 des Motors 1 während dem Verdichtungstakt geschlossen wurde. Die Voreinspritzung 71 kann beispielsweise zu einem solchen Zeitpunkt erfolgen, der es der Voreinspritzung ermöglicht, bei 120–190 Grad vor dem oberen Verdichtungstotpunkt zu enden.
Die Voreinspritzung 71 setzt sich aus einer vorgegebenen Anzahl (zum Beispiel zwei in dem Beispiel in 5) an Kraftstoffeinspritzungen 80, 80 zusammen, bei denen die Hubmenge des Kraftstoffeinspritzventils 6 größer festgelegt ist als der der Haupteinspritzung 72, und das Kraftstoffeinspritzintervall ist länger festgelegt als das der Haupteinspritzung 72. Da die Hubmenge angestiegen ist, besitzt der Nebel von durch die Voreinspritzung eingespritztem Kraftstoff eine größere Partikelgröße und einen größeren Impuls.
Außerdem verringert der längere Abstand zwischen den Einspritzungen den Unterdruck in der Umgebung der Einspritzachse 6 des Kraftstoffeinspritzventils 6. Der Strom des Sprühnebels, der in der Brennkammer 17 durch die Einspritzung des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil 6 gebildet wird, wird die Umgebungsluft einholen (oder ein Gas beinhaltend die Luft). Es ist jedoch für die Luft schwierig, in den Sprühnebel des Kraftstoffs zu gelangen, der durch das Ende der Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 6 in eine Hohlkegelform eingespritzt wurde. Ist das Intervall zwischen den Einspritzungen eng, verlangsamt sich die Wiederherstellung des Unterdrucks in der Umgebung der Einspritzachse S, und daher nimmt der Unterdruck zu. Ist das Intervall zwischen den Einspritzungen hingegen weit, wird die Wiederherstellung des Unterdrucks in der Umgebung der Einspritzachse S beschleunigt, und daher nimmt der Unterdruck ab.
Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs besitzt eine größere Partikelgröße, einen größeren Impuls und einen geringeren Unterdruck. Somit wird der Sprühnebel nicht leicht hin zu dem Unterdruck gezogen. Im Ergebnis breitet sich der Kraftstoffnebel bezüglich der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 als seine Mittelachse großflächig radial nach außen aus und legt eine verhältnismäßig lange Strecke zurück. Zu einem Zeitpunkt, wenn der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoffnebel eine Teiloxidation verursacht, hat der Kraftstoffnebel einen radialen (also in der Radialrichtung des Zylinders 11) Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 erreicht. Vorliegend bezeichnet der „radiale Umfangsbereich eines Zylinders” den äußeren Bereich, wenn der Zylinder radial in zwei Bereiche bei halbem Maximaldurchmesser geteilt wird, wie beispielsweise in 6 gezeigt. Der „radial mittlere Bereich des Zylinders” bezeichnet hingegen vorliegend den inneren Bereich, wenn der Zylinder radial in zwei Bereiche bei halben Maximaldurchmesser geteilt wird. Anders gesagt wird die Voreinspritzung 71 zu einem solchen Zeitpunkt durchgeführt, der es dem Kraftstoffsprühnebel ermöglicht, den radialen Umfangsbereich 17 erreicht zu haben, wenn der Sprühnebel eine Oxidationsreaktion hervorruft. Im Ergebnis wird zu einem Zeitpunkt, wenn der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs eine Oxidationsreaktion hervorruft, die Konzentration des Kraftstoffs in dem radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 höher als die des Kraftstoffs in dem radial mittigen Bereich 17a derselben.
In diesem Fall wird die Voreinspritzung 71 durchgeführt, nachdem das Ansaugventil 21 wie obenstehend beschrieben geschlossen wurde. Somit hat sich der Strom der Ansaugluft bereits in gewissem Ausmaß eingependelt, und daher hat der Strom des Kraftstoffs, der den radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 erreicht hat, die Neigung, dort zu verbleiben.
Die Menge des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs wird dahingehend festgelegt, eine Menge zu sein, die durch ein solches Kraftstoff/Luft-Verhältnis definiert ist, bei dem der Kraftstoff eine Teiloxidationsreaktion hervorruft. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis, bei dem der Kraftstoff eine Teiloxidationsreaktion hervorruft, kann ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis sein, zu dem der Überschussluftfaktor λ größer gleich 8 wird. Das Festlegen des Überschussluftfaktors λ dahingehend, größer gleich 8 zu sein, verringert die Reaktion bei der es CO in dem Kraftstoff ermöglicht wird, in CO₂ umgewandelt zu werden. Das soll heißen, dass der Kraftstoff eine Oxidationsreaktion hervorruft, jedoch nur eine unzureichende thermale Flammreaktion hervorruft.
Unterdessen kann die Haupteinspritzung 72 durchgeführt werden, um zu einem Zeitpunkt vor dem oberen Verdichtungstotpunkt zu beginnen, und zu einem Zeitpunkt nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu enden. Insbesondere kann der Einspritzzeitpunkt der Haupteinspritzung 72 dahingehend festgelegt werden, ein solcher Zeitpunkt zu sein, der es dem Kraftstoff ermöglicht, zu einem vorgegebenen verzögerten Zeitraum des Arbeitstakts zu zünden. Vorliegend bezeichnet der „vorgegebene verzögerte Zeitraum” einen Verbrennungszeitraum, der sich mit einem Zeitpunkt überschneidet, bei dem die Druckanstiegsrate in dem Zylinder 11 während des Betriebs des Motors einen negativen Maximalwert erreicht.
Die Haupteinspritzung 72 weist eine vorgegebene Anzahl (beispielsweise sechs in dem in 5 veranschaulichten Beispiel) von Kraftstoffeinspritzungen 90, 90 ...., auf, bei denen die Hubmenge des Kraftstoffeinspritzventils 6 festgelegt wird, um kleiner zu sein als die der Voreinspritzung 71 und bei denen das Kraftstoffeinspritzintervall festgelegt wird, um kürzer zu sein als das der Voreinspritzung 71. Dies bedeutet, dass der Sprühnebel des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs eine kleinere Partikelgröße besitzt und einen kleineren Impuls. Ferner, da das Intervall zwischen den Kraftstoffeinspritzungen schmal ist, wird die Wiederherstellung des Unterdrucks in der Umgebung der Einspritzachse S des Kraftstoffeinspritzventils 6 wie obenstehend beschrieben verlangsamt, wodurch der Unterdruck in der Umgebung der Einspritzachse S ansteigt. Der Sprühnebel des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs besitzt eine kleinere Partikelgröße und einen kleineren Impuls, und wird dadurch durch den Unterdruck so stark beeinflusst, dass er sich bezüglich der Einspritzachse S als Mittelachse weniger weit radial nach außen ausbreitet und nur eine verhältnismäßig kurze Stecke zurücklegt. Folglich neigt der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffsprühnebel dazu, in dem radial mittleren Bereich 17a der Brennkammer 17 zu verbleiben, wie in der oberen Zeichnung von 7 veranschaulicht ist. Im Ergebnis wird zu einem Zeitpunkt, wenn der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffsprühnebel zündet, die Konzentration des Kraftstoffs in dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 höher als die des Kraftstoffs in dem radialen Umfangsbereich 17b derselben.
Die Haupteinspritzung 72 ist eine Einspritzung, um eine Hauptverbrennung (also eine Verbrennung, die die größte Menge Wärme in einem Takt erzeugt) zu erzeugen, die ein Motordrehmoment erzeugt. Somit ist ihre Kraftstoffmenge dahingehend festgelegt, eine bezüglich dem erforderlichen Drehmoment angemessen bestimmte Menge zu sein. Beispielsweise werden bei der Haupteinspritzung 72 zumindest ¾ der Kraftstoff-Gesamtmenge eingespritzt, was die Summe der durch die Voreinspritzung 71 und der des durch den durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs ist.
Zunächst wird beschrieben, wie das durch die oben beschriebene Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 zu verbrennen ist.
Die Voreinspritzung 71 wird während dem Verdichtungstakt durchgeführt, wie durch die obere Zeichnung in 6 dargestellt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs bewegt sich hin zum radialen Umfangsabschnitt 17b der Brennkammer 17, wie obenstehend beschrieben ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Temperatur in der Brennkammer 17 eine radial gleichmäßige vorgegebene Temperatur (von beispielsweise 1000 K), wie in dem unteren Schaubild von 6 gezeigt ist.
Danach, sobald der Verdichtungstakt fortschreitet, steigt die Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemischs umfassend den durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffnebel mit der Verdichtung an.
Im Anschluss daran beginnt die Haupteinspritzung 72 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt vor dem oberen Verdichtungstotpunkt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs geht, wie oben beschrieben, konzentriert hin zum radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 (siehe obere Zeichnung aus 7).
Unterdessen verbleibt der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs in dem radialen Umfangsabschnitt 17b. Sobald die Zylinderinnentemperatur mit dem Verdichtungstakt ansteigt, wird der Kraftstoffnebel bald eine Oxidationsreaktion hervorrufen. Diese Oxidationsreaktion kann zum Beispiel in der Umgebung des oberen Verdichtungstotpunkt hervorgerufen werden. Jedoch ist der durch die Oxidationsreaktion hervorgerufene Temperaturanstieg nicht so deutlich, da diese Oxidationsreaktion eine Teiloxidationsreaktion ist. Ferner wird diese Teiloxidationsreaktion hauptsächlich in dem radialen Umfangsabschnitt 17b der Brennkammer 17 verursacht. Darum steigt die Zylinderinnentemperatur in dem radialen Umfangsbereich 17b steil an, wie in dem unteren Schaubild aus 7 gezeigt ist. Die Temperatur in dem radialen Umfangsbereich 17b kann beispielsweise um mehrere hundert Kelvin K ansteigen. Die Zweipunktstrichlinie in 7 deutet die Zylinderinnentemperatur an, wenn die Voreinspritzung 71 durchgeführt wird. In diesem Fall weitet sich das Kraftstoff/Luftgemisch in dem radialen Umfangsbereich 17b durch die Oxidationsreaktion aus, und daher ist das Kraftstoff/Luftgemisch oder die Luft in dem radial mittigen Bereich 17a adiabatischer Verdichtung ausgesetzt, und bekommt somit eine erhöhte Temperatur. Die Temperatur kann in dem radial mittigen Bereich 17a beispielsweise um mehrere zig K ansteigen.
Es sei angemerkt, dass dadurch, dass der Rückstrom des AGR-Gases in dem Vollastbereich gestoppt wird, die Umgebung innerhalb der Brennkammer 17 sich in einem Zustand befindet, bei dem der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Sprühnebel des Kraftstoffs relativ leicht zu Oxidation neigt.
Unterdessen wird die Haupteinspritzung 72 fortgesetzt, während der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoff die Oxidationsreaktion hervorruft, und endet zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem oberen Verdichtungstotpunkt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs gelangt konzentriert hin zu dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17, die in der oberen Zeichnung aus 8 angedeutet. Die Temperatur in dem radial mittigen Bereich 17a ist durch die Teiloxidationsreaktion des Kraftstoffs in dem radialen Umfangsbereich 17b angestiegen, wie oben beschrieben. Somit wird die Temperatur des radial mittigen Bereichs 17a für eine Weile bei einer Temperatur gehalten, bei der der Kraftstoff spontan zünden kann, selbst nach dem Eintritt in dem Arbeitstakt. Im Ergebnis wird der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel spontan bei einer vorgegebenen Zündzeitverzögerung zünden, nachdem die Einspritzung beendet wurde. Dies erzeugt die Hauptverbrennung, was die Temperatur in dem radial mittigen Bereich 17a veranlasst, steil anzusteigen, wie in der unteren Zeichnung aus 8 zu erkennen ist. In 8 gibt die Zweipunktstrichlinie die Zylinderinnentemperatur an, wenn der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoff eine Oxidationsreaktion hervorruft.
Normalerweise gibt es bei einer verzögerten Hauptverbrennung eine zeitliche Begrenzung der Verzögerung. Das bedeutet, dass sobald der Ansaugtakt fortschreitet, die Zylinderinnentemperatur mit einer Volumenzunahme der Brennkammer 17 abfällt. Darum würde eine übermäßige Verzögerung der Hauptverbrennung ein unbeabsichtigtes Feuer verursachen. Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto höher die Abnahmerate bei der Zylinderinnentemperatur während dem Ansaugtakt. Somit ist die zulässige Länge der Verzögerung desto kürzer, je höher das Verdichtungsverhältnis ist. Das Aufrechterhalten der Temperatur in dem radial mittigen Bereich 17a, in dem sich der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel verteilt, ermöglicht jedoch durch die Voreinspritzung 71 die zulässige Länge der Hauptverbrennung selbst nach dem oberen Verdichtungstotpunkt zu verlängern.
Dennoch würde die ausschließliche Anhebung der Zylinderinnentemperatur an oder nach dem oberen Verdichtungstotpunkt es dem durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoff ermöglichen, lokal zu zünden, bevor er sich mit der Luft in der Brennkammer 17 vermischt hat, was möglicherweise Ruß erzeugen würde. Jedoch kann das Induzieren des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffnebels die Oxidationsreaktion in einen anderen Bereich als den, in dem sich der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel verteilt, einen übermäßigen Temperaturanstieg in dem Bereich verhindern, bei dem der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoffnebel verteilt wird. In der Folge verhindert dies im Wesentlichen, dass der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftstoff örtliche Verrußungen hervorruft.
Der somit verzögerte Verbrennungszeitraum der Hauptverbrennung (also ein Zeitraum, in dem der Kraftstoff ein Verbrennungsmassenverhältnis von 10–90% besitzt) überschneidet sich mit einem Zeitpunkt, wenn die Druckanstiegsrate während dem Betrieb des Motors einen negativen Maximalwert erreicht. Alternativ überschneidet sich der Schwerpunkt der somit verzögerten Hauptverbrennung mit einem Zeitraum, bei dem die Brennkammer eine deutliche Unterdruckanstiegsrate besitzt (beispielsweise 10 bis 20 Grad nach dem oberen Verdichtungstotpunkt). Das bedeutet, dass die verzögerte Spontanzündung und Verbrennung in einem Zeitraum stattfindet, bei der die Druckanstiegsrate von Natur aus niedrig ist. Aus diesem Grund hat sich der Maximalwert der Druckanstiegsrate, wenn die Verbrennung als die verzögerte Spontanzündung und Verbrennung verwirklicht ist, verglichen mit dem Maximalwert der Druckanstiegsrate, wenn die Verbrennung als normale Spontanzündung und Verbrennung verwirklicht ist, deutlich verringert. Im Ergebnis wird der Geräuschpegel der Verbrennung (d. h. ein Teil des Geräuschs, Schwingung und Knirschen (englisch NVH)) der verzögerten Spontanzündung und Verbrennung verglichen mit dem Geräuschpegel der Verbrennung einer normalen Spontanzündung und Verbrennung deutlich verringert.
Es sei angemerkt, dass zum Verringern der Druckanstiegsrate während der Verbrennung die AGR-Menge erhöht werden muss. Das Anheben der AGR-Menge würde jedoch zu einer verringerten Frischluftmenge führen. Im Ergebnis könnte kein ausreichendes Drehmoment sichergestellt werden. Die Größe der Druckanstiegsrate wird insbesondere in einem Volllastbetrieb-Bereich zu einem Problem, in dem ein deutliches Drehmoment erforderlich ist. Hingegen stellt die obengenannte Ausgestaltung eine benötigte Frischluftmenge sicher, wodurch die Erzeugung eines ausreichenden Drehmoments sichergestellt wird.
Unter Rückbezug auf das in 4 gezeigte Betriebskennfeld ist der Halb- bis Volllastbereich B ein Bereich, bei dem die Last an dem Motor 1 zwischen dem Leicht- bis Volllastbereich A und dem Volllastbereich C liegt. Im Halb- bis Volllastbereich B wird eine kleinere Kraftstoffmenge eingespritzt als im Vollastbereich C. Wird dem Kraftstoff in dem Halb- bis Volllastbereich B eine Spontanzündung ermöglicht, besteht kein Bedarf an einem verzögerten Zündzeitpunkt während dem Arbeitstakt, anders als im Vollastbereich C. Indessen bekommt der Halb- bis Volllastbereich B eine größere Menge Kraftstoff eingespritzt als der Leicht-bis-Halblastbereich A. Im Ergebnis erleichtert das die Bildung von Rauch in dem Halb- bis Volllastbereich B verglichen mit dem Leicht- bis Volllastbereich A. Es ist somit empfehlenswert, im Wesentlichen zu verhindern, dass die Kraftstoffkonzentration zu stark ansteigt, indem die Luft in der Brennkammer effektiv genutzt wird.
In dem Halb- bis Schwerlastbereich B verhindert somit das oben beschriebene, breite Verteilen des Kraftstoffnebels in der Brennkammer unter Aufrechterhaltung der adiabatischen Funktion der Gasschicht oberhalb eines gewissen Ausmaßes im Wesentlichen die Entstehung von Rauch. Insbesondere, wie dies in 9 gezeigt ist, wird der Kraftstoff zweimal durch die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 eingespritzt. 9 zeigt einen Kraftstoffeinspritzmodus in dem Halb- bis Volllastbereich B. 10 stellt schematisch eine in der Brennkammer 17, in dem Halb- bis Volllastbereich B gebildete Kraftstoff/Luft-Gemischschicht dar.
In dem Halb- bis Volllastbereich B veranlasst der Motor-Controller 100 das AGR-System 512, das AGR-Gas aus der Abgaspassage 191 in die Ansaugpassage 181 zurückzuströmen. In diesem Halb- bis Volllastbereich B ist das rückzuströmende AGR-Gas ein AGR-Gas, das durch einen AGR-Kühler gekühlt wurde.
Der Motor-Controller 100 führt eine Steuerung derart durch, dass der Überschussluftfaktor λ durch Rückströmen des AGR-Gases in den Halb- bis Volllastbereich B nahezu gleich 1 wird (d. h. λ ≈ 1). Das Einstellen des Überschussluftfaktors λ ermöglicht es einem Dreiwege-Katalysator, die Abgasreinigungsfunktion durchzuführen. Als nächstes werden die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 in dem Halb- bis-Volllastbereich B detailliert beschrieben.
Die Voreinspritzung 71 in dem Halb-bis-Volllastbereich B wird vor der mittleren Stufe des Verdichtungstakts durchgeführt. Insbesondere wird die Voreinspritzung 71 durchgeführt, nachdem das Einlassventil 21 des Motors 1 während dem Verdichtungstakt geschlossen wurde. Die Voreinspritzung 71 kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, der derart liegt, dass er es der Kraftstoffeinspritzung ermöglicht, bei 120 bis 90 Grad vor dem oberen Verdichtungstotpunkt zu enden. Alternativ kann die Voreinspritzung 71 auch über einen Zeitraum durchgeführt werden, der von dem Ansaugtakt bis zu ersten Hälfte des Verdichtungstakts reicht.
Die Voreinspritzung 71 wird bei einer relativ großen Hubmenge durchgeführt. Der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs besitzt eine größere Partikelgröße und einen größeren Impuls. Somit legt der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs eine relativ lange Strecke zurück.
Ferner, da die Voreinspritzung 71 vor der Haupteinspritzung 72 durchgeführt wird, erreicht der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs den radialen (also in Radialrichtung des Zylinders 11) Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17, wenn die Haupteinspritzung 72 durchgeführt wird (vgl. 10). In dem radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 verbleibt ein schmaler Spalt 17c (nachfolgend als „Quetschbereich” bezeichnet) zwischen einem Umfangsabschnitt des Kolbens 16 und dem Deckenabschnitt des Zylinders 11. Zumindest zum Zeitpunkt der Zündung hat der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoffnebel den Quetschbereich 17c erreicht. Mit anderen Worten wird die Voreinspritzung 71 zu einem Zeitpunkt durchgeführt, der derart liegt, dass er es ihrem Kraftstoffnebel ermöglicht, zum Zeitpunkt der Zündung den Quetschbereich 17c zu erreichen.
In diesem Fall hat sich der Strom der Ansaugluft, wenn die Voreinspritzung 71 durchgeführt wurde, nachdem das Einlassventil 21 wie oben beschrieben geschlossen wurde, bereits zu einem gewissen Grad angesiedelt, und daher neigt der Kraftstoffnebel, der den radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 erreicht hat, dazu, dort zu verbleiben.
Es sei angemerkt, dass die durch die Voreinspritzung eingespritzte Menge an Kraftstoff kleiner ist als die der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Menge.
Die Haupteinspritzung 72 kann zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, der derart liegt, dass er es der Einspritzung ermöglicht, vor dem oberen Verdichtungstotpunkt und nach der Voreinspritzung 71 abgeschlossen zu sein. Die Haupteinspritzung 72 kann in einem Zeitraum durchgeführt werden, der von der letzten Stufe des Verdichtungstakts bis zur Anfangsstufe des Arbeitstakts andauert. Die Haupteinspritzung 72 ist eine mehrstufige Einspritzung, die eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorgängen umfasst.
Insbesondere umfasst die Haupteinspritzung 72 eine erste Gruppe von Einspritzungen 8 und eine zweite Gruppe von Einspritzungen 9. Die erste Gruppe von Einspritzungen 8 setzt sich aus einer vorgegebenen Anzahl (beispielsweise zwei in dem in 9 veranschaulichten Beispiel) von Kraftstoffeinspritzungen 80, 80 zusammen, bei denen die Hubmenge des Kraftstoffeinspritzventils 6 dahingehend festgelegt ist, größer zu sein als die der zweiten Gruppe von Einspritzungen 9 und das Kraftstoffeinspritzintervall dahingehend festgelegt ist, länger zu sein als das der zweiten Gruppe von Einspritzungen 9. Die zweite Gruppe Einspritzungen 9 weist eine vorgegebene Anzahl (beispielsweise vier in dem in 9 veranschaulichten Beispiel) an Kraftstoffeinspritzungen 90, 90... auf, bei denen die Hubmenge des Kraftstoffeinspritzventils 6 dahingehend festgelegt ist, kleiner zu sein als die der ersten Gruppe von Einspritzungen 8 und das Kraftstoffeinspritzintervall dahingehend festgelegt ist, kürzer zu sein das das der ersten Gruppe von Einspritzungen 8. Die Hubmenge der ersten Gruppe von Einspritzungen 8 ist ungefähr die gleiche wie diejenige der Voreinspritzung 71. Die Hubmenge der zweiten Gruppe von Einspritzungen 9 ist kleiner als diejenige der Voreinspritzung 71. Es sei angemerkt, dass die in 9 gezeigten Kraftstoffeinspritzungen 80 nicht unbedingt die gleiche Hubmenge besitzen wie die in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzungen 80. Ebenso besitzen die in 9 gezeigten Kraftstoffeinspritzungen 90 nicht unbedingt die gleiche Hubmenge wie die in 5 gezeigten Kraftstoffeinspritzungen 90.
Die erste Gruppe von Kraftstoffeinspritzungen 8 bildet einen Sprühnebel des Kraftstoffs mit einer größeren Partikelgröße und besitzt wie obenstehend beschrieben einen ausgedehnten Unterdruckbereich und bildet daher in der Fortbewegungsrichtung einen Sprühnebel des sich über eine verhältnismäßig lange Strecke fortbewegenden und sich in Radialrichtung weit ausgebreiteten Kraftstoffs. Hingegen bildet die zweite Gruppe von Einspritzungen 9 einen Sprühnebel des Kraftstoffs mit einer kleineren Partikelgröße und besitzt einen geschrumpften Unterdruckbereich, und bildet daher einen Sprühnebel des sich in der Fortbewegungsrichtung fortbewegenden und schmal in der Radialrichtung ausgebreiteten Kraftstoffs.
Im Ergebnis dieser Kraftstoffeinspritzungen durch die erste und zweite Gruppe von Einspritzungen 8 und 9 hat sich der Kraftstoffnebel zum Zeitpunkt der Zündung (also zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem oberen Verdichtungstotpunkt) bereits weitflächig bis zu einem gewissen Ausmaß in der Radialrichtung innerhalb der Brennkammer 17 ausgebreitet.
Insbesondere wird durch die Voreinspritzung 71 zu einem verhältnismäßig frühen Zeitpunkt ein Kraftstoffnebel mit einer verhältnismäßig großen Partikelgröße (also mit einem größeren Impuls) eingespritzt. Somit wird zumindest zu einem Zeitpunkt, zu dem die Voreinspritzung 72 durchgeführt wird, ein Kraftstoff/Luftgemisch gebildet, bei dem der Kraftstoff in dem radialen Umfangsbereich 17b stärker konzentriert ist als in dem radial mittigen Bereich 17a in der Brennkammer 17. In diesem Fall ermöglicht es die Durchführung der Voreinspritzung 71 als einstufige Einspritzung dem Kraftstoffnebel, sich verglichen mit der Durchführung der Voreinspritzung 71 als mehrstufige Einspritzungen über eine längere Strecke fortzubewegen.
Danach wird ein Kraftstoffnebel mit einer verhältnismäßig kleinen Partikelgröße (also mit einem kleineren Impuls) zu einem verhältnismäßig späten Zeitpunkt durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzt, um einen erweiterten Unterdruckbereich zu bilden. Somit wird zumindest zu einem Zeitpunkt der Zündung, in der Brennkammer 17 ein Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet, bei dem der Kraftstoff in dem radial mittigen Bereich 17a eine höhere Konzentration besitzt als in dem radialen Umfangsbereich 17b. In diesem Fall bildet die Kombination der ersten Gruppe von Einspritzungen 8, bei der die Hubmenge des Kraftstoffeinspritzventils 6 dahingehend festgelegt ist, relativ groß zu sein und das Kraftstoffeinspritzintervall bei der zweiten Gruppe von Einspritzungen 9, bei der die Hubmenge dahingehend festgelegt ist, verhältnismäßig klein zu sein, in der Fortbewegungsrichtung einen Kraftstoffnebel des Kraftstoffs, der eine verhältnismäßig lange Strecke in der Fortbewegungsrichtung zurücklegt und sich in der Radialrichtung weit ausbreitet und einen Sprühnebel des Kraftstoffs, der eine verhältnismäßig kurze Stecke in der Fortbewegungsrichtung zurücklegt und sich schmal in der Radialrichtung ausbreitet, was es ermöglicht, dass sich der Kraftstoffnebel weit in dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 ausbreitet.
Es sei angemerkt, dass der Sprühnebel des durch die erste Gruppe von Einspritzungen 8 eingespritzten Kraftstoffs nur eine längere Strecke zurücklegt und sich radial weiter ausbreitet, als der Sprühnebel des durch die zweite Gruppe von Einspritzungen 9 eingespritzten Kraftstoffs. Somit legt der Sprühnebel des durch die erste Gruppe von Einspritzungen 8 eingespritzten Kraftstoffs eine kürzere Strecke zurück und breitet sich radial weniger weit aus als der Sprühnebel des durch die Voreinspritzung 71 eingespritzten Kraftstoffs.
Wie obenstehend beschrieben weist die die Voreinspritzung 71 den Sprühnebel des verteilten Kraftstoffs in dem radialen Umfangsbereich 17b der Brennkammer 17 in einer größeren Menge auf als in dem radial mittigen Bereich 17a derselben. Andererseits weist die Haupteinspritzung 72 den Kraftstoffnebel mit einer größeren Menge in dem radial mittigen Bereich 17a der Brennkammer 17 auf als in dem radialen Umfangsbereich 17b derselben. Diese Vor- bzw. Haupteinspritzungen 71, 72 bilden ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, das in der Brennkammer 17 radial weiter verteilt wird als zum Zeitpunkt der Zündung. Das soll heißen, dass diese Vor- und Haupteinspritzungen 71, 72 im Wesentlichen verhindern, dass sich ein Abschnitt mit einer lokal höheren Kraftstoffkonzentration bildet.
Wenn dann die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 abgeschlossen sind, wird der Kraftstoff zünden. Dies bedeutet, dass der Kraftstoffnebel zündet, nachdem ein Kraftstoff/Luft-Gemisch gebildet wurde, dass sich in der Brennkammer 17 radial weit verteilen soll. Somit verhindert dies im Wesentlichen, dass Rauch entsteht.
In diesem Fall wird die Voreinspritzung 71 verhältnismäßig früh durchgeführt, jedoch ist die Menge an durch die Voreinspritzung 71 eingespritztem Kraftstoff kleiner als die durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Menge Kraftstoff und ist nicht so groß, was die Vermeidung einer verfrühten Zündung ermöglicht. Ferner ist in diesem Betriebsbereich das AGR-Gas als ein Inertgas in der Brennkammer 17 vorhanden. Dies ermöglicht im Wesentlichen auch zu vermeiden, dass die Voreinspritzung 71 den Sprühnebel verfrüht zündet.
(Kraftstoffeinspritzsteuerung im Halb- bis Volllastbereich)
In dem Halb- bis Volllastbereich B wird der Kraftstoff wie oben beschrieben quasi zweimal eingespritzt, durch die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72. In diesem Fall kann abhängig vom Druckzustand in dem Zylinder 11, dem Temperaturzustand in dem Zylinder 11 und der Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder 11 der durch die Voreinspritzung 71 in den Zylinder 11 eingespritzte Kraftstoff während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidationsreaktion hervorrufen. Sobald die Teiloxidationsreaktion hervorgerufen wurde, steigt die Temperatur in dem Zylinder 11 dementsprechend an. Somit wird der durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzte Kraftsoff spontan zünden, noch bevor ihm eine ausreichende Zündzeitverzögerung gewährt wurde, wodurch er entweder Rauch produziert oder den Verbrennungszeitraum während dem Arbeitstakt verlängert, um die CO-Emission zu steigern.
11 zeigt eine beispielhafte Variation bei der Wärmeerzeugungsrate in dem Zylinder 11 in dem Halb- bis Volllastbereich B. 12 zeigt eine beispielhafte Variation der Durchschnittstemperatur in dem Halb- bis Volllastbereich B. Die gestrichelten Kennlinien in 11 und 12 zeigen eine Situation, bei der der Kraftstoff zweimal eingespritzt wurde, durch die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72, und zeigen ein Beispiel, bei dem der durch die Voreinspritzung 71 eingespritzte Kraftstoff während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eine Teiloxidationsreaktion bewirkt. Wie in 11 dargestellt führt die Erzeugung der Teiloxidationsreaktion zur Erzeugung von Wärme, wenn auch nur von einer kleinen Menge. Ferner steigt, wie in 12 dargestellt, die Temperatur in dem Zylinder 11 ebenfalls an.
Das Durchführen der Haupteinspritzung 72 in einem solchen Zustand ermöglicht es dem durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoff, sich spontan in der Umgebung des oberen Verdichtungstotpunkts zu entzünden, ohne dass ihm eine ausreichende Zündzeitverzögerung gewährt wurde. Die unzureichende Vermischung von Kraftstoff und Luft führt zur Entstehung von Rauch. Ferner ermöglicht die unzureichende Vermischung des Kraftstoffs und der Luft, dass die Wärme fortwährend erzeugt wird, selbst während der zweiten Hälfte der Verbrennung, was somit einen Anstieg der CO-Emissionen verursacht.
Somit bestimmt bei diesem Motor 1 der Motor-Controller 100, ob es während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird. Lautet die Antwort JA, führt der Motor-Controller 100 zwischen der Voreinspritzung 71 und der Haupteinspritzung 72 eine durch die Phantomlinie in 9 angedeutete Zwischen-Einspritzung durch. Die latente Verdampfungswärme des durch die Zwischen-Einspritzung in den Zylinder 11 eingespritzten Kraftstoffnebels führt zu einem Temperaturabfall in dem Zylinder 11, und unterbindet somit das Eintreten der Teiloxidationsreaktion.
Der Motor-Controller 100 schätzt auf Grundlage der durch den Wassertemperatursensor 58 detektierten Kühlwassertemperatur und der durch den Ansaugluftsensor 59 detektierten Ansauglufttemperatur den Temperaturzustand in dem Zylinder 11. Auch schätzt der Motor-Controller 100 auf Grundlage des durch den Ansaugluftsensor 510 detektieren Ansaugluftdrucks den Druckzustand in dem Zylinder 11. Der Motor-Controller 100 schätz ferner auf Grundlage der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, das durch den Linear-Sauerstoffsensor 511 detektiert wurde, die Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder 11, und bestimmt somit, ob es während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird. Beispielsweise kann der Motor-Controller 100 im Vorfeld auf Grundlage eines vorgegebenen Modells und den jeweiligen, obenstehend beschriebenen Parametern bestimmen, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht. Alternativ kann der Motor-Controller 100 auch später auf Grundlage der Bestandteile des Abgases bestimmen, dass die Teiloxidationsreaktion eingetreten ist.
Die Zwischen-Einspritzung 73 wird während einem vorgegebenen Zeitraum zwischen der Voreinspritzung 71 und der Haupteinspritzung 72 durchgeführt, wie durch die Punktlinien in 9 angedeutet ist. Die Zwischen-Einspritzung 73 ist eine einstufige Kraftstoffeinspritzung. Die Zwischen-Einspritzung 73 wird durchgeführt, bevor während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts die Teiloxidationsreaktion eintritt. Wie oben beschrieben wird die Zwischen-Einspritzung 73 geeigneterweise durchgeführt, bevor die Teiloxidationsreaktion eintritt, um das Eintreten der Teiloxidationsreaktion zu verhindern, in dem die Temperatur in dem Zylinder 11 mit der latenten Verdampfungshitze des eingespritzten Kraftstoffs gesenkt wird.
Ein verfrühtes Durchführen der Zwischen-Einspritzung 73 würde die Temperatur in dem Zylinder 11 mit der latenten Verdampfungshitze vor einem Zeitraum absenken, bei dem die Teiloxidationsreaktion eintreten wird. In diesem Fall würde die Funktion zur Verhinderung des Eintretens der Teiloxidationsreaktion nicht ausreichend durchgeführt werden. Ferner würde der durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzte Kraftstoff auch der Hochtemperatur/Hochdruck-Umgebung in dem Zylinder 11 ausgesetzt werden, was möglicherweise währen der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts die Teiloxidationsreaktion verursachen würde. Somit wird die Zwischen-Einspritzung 73 geeigneterweise zu einem Zeitpunkt durchgeführt, der derart ist, dass er es dem durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nach der Zündung des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs spontan zu zünden.
Dies gibt der Zwischen-Einspritzung 73 ein verhältnismäßig langes Intervall zwischen sich 73 und der auf sie folgenden Haupteinspritzung 72. Konkret ist das Intervall zwischen dem Ende der Einspritzung der Zwischen-Einspritzung 73 und dem Beginn der Haupteinspritzung 72 länger als das Intervall zwischen ersten und zweiten Einspritzungen der Haupteinspritzung 72, bei der es sich um eine Mehrstufen-Einspritzung handelt. Dies verhindert im Wesentlichen, dass der Sprühnebel der durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoffs sich mit dem Sprühnebel des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs überlagert. Dies trägt vorteilhafterweise dazu bei, den Kühlverlust zu senken, indem die Verbrennungstemperatur gesenkt wird und im Wesentlichen die Entstehung von Rauch verhindert wird, indem eine lokale Bildung eines übermäßig dichten Kraftstoff/Luft-Gemischs beseitigt wird.
Die Menge des durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoffs ist kleiner als diejenige des durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoffs. Da die Zwischen-Einspritzung 73 zu einem früheren Zeitpunkt beginnt als die Haupteinspritzung 72, sind Temperatur und Druck in dem Zylinder 11 zum Zeitpunkt der Zwischen-Einspritzung 73 noch nicht ausreichend hoch. Somit wird es immer wahrscheinlicher, dass sich der in den Zylinder 11 eingespritzte Kraftstoffnebel länger fortbewegt als erwartet, und möglicherweise mit der Wandfläche der Brennkammer 17 in Kontakt gelangt. Dies ist nachteilig beim Bilden der das Kraftstoff/Luft-Gemisch umgebenden Gasschicht. Aus diesem Grund ist die Menge an durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritztem Kraftstoff verhältnismäßig gering. Ferner ermöglicht die Verringerung des durch die Zwischen-Einspritzung 73 eingespritzten Kraftstoffs die Einspritzung von viel Kraftstoff durch die Haupteinspritzung 72. Dies begünstigt das Motordrehmoment in dem Halb- bis Volllast-Bereich B, in dem die Gesamtmenge an eingespritztem Kraftstoff ansteigt.
In den 11 und 12 gibt die durchgezogene Kennlinie eine beispielhafte Abweichung der Wärmeerzeugungsrate und eine beispielhafte Abweichung der Durchschnittstemperatur in dem Zylinder 11 an, jeweils in einer Situation in der die Voreinspritzung 71, die Zwischen-Einspritzung 73 und die Haupteinspritzung 72 durchgeführt werden. Wie obenstehend beschrieben ermöglicht das Durchführen der Zwischen-Einspritzung 73 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, dass die Temperatur in dem Zylinder 11 wie in 12 gezeigt gesenkt wird, was somit im Wesentlichen verhindert, dass die Teiloxidationsreaktion eintritt (vgl. 11). Dem durch die Haupteinspritzung 72 eingespritzten Kraftstoff wird ermöglicht, spontan und ohne die Gewährung einer ausreichenden Zündzeitverzögerung zu zünden. In 11 ist der Höhepunkt der Wärmeerzeugung, die mit der Spontanzündung einhergeht, wie durch die durchgezogene Kennlinie angegeben, in Bezug auf den Höhepunkt der Wärmeerzeugung, wie durch die gestrichelte Kennlinie angegeben, verzögert. Auch endet die Verbrennung rasch während der zweiten Hälfte der Verbrennung. Dies ermöglicht es, die CO-Emission zu senken. Auf diese Weise wird die Teiloxidationsreaktion in dem Volllastbereich C absichtlich genutzt, wohingegen ein Eintreten der Teiloxidationsreaktion in dem Halb- bis Volllastbereich B im Wesentlichen verhindert wird.
Es sei angemerkt, dass bei den in den 5 und 9 gezeigten Beispielen die Voreinspritzung 71 und die Haupteinspritzung 72 jeweils als Mehrstufen-Einspritzung verwirklicht sind, die eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen umfassen. Alternativ können die Kraftstoffeinspritzungen auch fortwährend unter Beibehaltung des konstanten Hubbetrags des Kraftstoffeinspritzventils 6 für eine vorgegebene Zeit durchgeführt werden. Selbst in diesem Fall kann der Kraftstoffnebel auch auf die gleiche Weise gebildet werden wie bei den mehrstufigen Einspritzungen.
Bei dem oben-beschriebenen Beispiel wird als Kraftstoffeinspritzventil 6 ein sich nach außen öffnendes Kraftstoffeinspritzventil 6 verwendet. Beispielsweise kann ein Injektor vom VCO-Typ (Valve Covered Orifice) die effektive Querschnittsfläche der Einspritzdüsenöffnung auch verändern, indem der Kavitätsgrad, der durch die Düsenöffnung erzeugt wird, angepasst wird. Folglich, selbst wenn der in der 5 oder 9 dargestellte Kraftstoffeinspritzmodus angewendet wird, kann eine Kraftstoff/Luft-Gemischschicht in dem Zentralbereich der Kavität 163 gebildet werden, eine wärmeisolierende Gasschicht kann um die Kraftstoff/Luft-Gemischschicht gebildet werden, und ein übermäßig dichtes Kraftstoff/Luft-Gemisch kann auf die gleiche Weise wie bei dem nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzungsventil im Wesentlichen davon abgehalten werden, sich lokal zu bilden.
In dem oben beschriebenen Beispiel wird eine Wärmeabschirmungsstruktur für die Brennkammer und die Ansaugöffnung verwendet und eine wärmeisolierende Gasschicht wird innerhalb der Brennkammer gebildet. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung auch auf einen Motor anwendbar, bei dem eine solche Wärmeabschirmungsstruktur nicht eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Motor
100: Motor-Controller (Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung)
11: Zylinder
12: Zylinderblock
13: Zylinderkopf
16: Kolben
17: Brennkammer
6: Kraftstoffeinspritzventil

Claims

Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für einen Motor mit Direkteinspritzung, die Steuerungsvorrichtung aufweisend: einen Motorblock, der eine Brennkammer umfasst, die von einem Zylinderkopfdeckenabschnitt, einen für einen Zylinder vorgesehenen Zylinderblock, und einen sich im Inneren des Zylinders hin- und her bewegenden Zylinder definiert wird; und eine Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, die ein Kraftstoffeinspritzventil umfasst, das innerhalb der Brennkammer vorgesehen ist, um einen Flüssigkraftstoff einzuspritzen, und das eingerichtet ist, den Kraftstoff zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in die Brennkammer einzuspritzen, wobei die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eine Haupteinspritzung über einen Zeitraum durchführt, der von einer letzten Stufe eines Verdichtungstakts bis zu einer Anfangsstufe eines Arbeitstakts reicht und auch eine Voreinspritzung über einen Zeitraum, der von dem Ansaugtakt bis zu einer ersten Hälfte des Verdichtungstakts andauert, durchführt, bei der eine kleinere Menge des Kraftstoffs als bei der Haupteinspritzung eingespritzt wird, und die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung auch bestimmt, ob der durch die Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoff während einer zweiten Hälfte des Ansaugtakts eine Teiloxidationsreaktion hervorruft, und beim Bestimmen, dass der Kraftstoff die Teiloxidationsreaktion hervorruft, zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung eine Zwischen-Einspritzung durchführt, und die Einheit zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung die Zwischen-Einspritzung zu einem solchen Zeitpunkt durchführt, der es dem durch die Zwischen-Einspritzung eingespritzten Kraftstoff ermöglicht, während oder nachdem der durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff spontan gezündet hat und bevor die Teiloxidationsreaktion während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts eintritt, spontan zu zünden.
Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für den Motor mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungseinheit auf Grundlage eines Drucks in dem Zylinder, einer Temperatur in dem Zylinder und einer Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder bestimmt, ob es zu einer Teiloxidationsreaktion kommen wird oder nicht.
Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für den Motor mit Direkteinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischen-Einspritzung eine kleinere Menge des Kraftstoffs einspritzt als die Haupteinspritzung.
Kraftstoffeinspritzungs-Steuerungsvorrichtung für den Motor mit Direkteinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Haupteinspritzung eine mehrstufige Einspritzung umfassend eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen ist, ein Intervall zwischen einem Ende der Einspritzung der Zwischen-Einspritzung und einem Beginn der Einspritzung der Haupteinspritzung länger ist als ein Intervall zwischen ersten und zweiten Einspritzungen der Haupteinspritzung.