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Die Erfindung bezieht sich auf eine
selbstgezündete
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Tokkai Hei 7-332141, veröffentlicht
vom Japanischen Patentamt im Jahr 1995, offenbart eine Brennkraftmaschine
angefertigt zum Auszuführen
einer Selbstzündung,
um den Wärmenutzwert
zu erhöhen.
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In dieser Maschine wird Benzinkraftstoff
in einen Einlasskanal eingespritzt, um ein vorgemischtes Kraftstoffgemisch
auszubilden, und so eine Selbstzündung
durch Verdichten des vorgemischten Kraftstoffgemischs mit dem hohen
Verdichtungsverhältnis
einer Direkteinspritzdieselmaschine, d. h. 14 bis 20 ausgelöst. Weil
die Selbstzündung
an vielen Orten in der Brennkammer erfolgt, kann der Verbrennungszeitraum
verkürzt
werden, sogar im Fall eines Kraftstoffgemischs mit einem mageren
Luft-Kraftstoffverhältnis,
im Vergleich zu dem Fall, wenn Funkenzündung durchgeführt wird.
Aus diesem Grund kann ein Betrieb bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis durchgeführt werden,
was bei einer Funkenzündungsmaschine
unmöglich
war, und der Kraftstoffverbrauch kann erheblich reduziert werden.
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Die Maschine ist zudem mit einer
Zündkerze ausgerüstet, und
führt die
Funkenzündung
unter Betriebsbedingungen durch, die ein Kraftstoffgemisch in der
Nähe des
stöchiometrischen
Luft-Kraftstoffverhältnisses
verlangen, wie beispielsweise der Betrieb unter Volllast.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Jedoch, wenn das Verdichtungsverhältnis erhöht wird
und Funkenzündung
in einem Kraftstoffgemisch in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses
durchgeführt
wird, tritt leicht Klopfen auf. Um das Klopfen zu verhindern, ist
es notwendig, das Vorausgehen des Zündzeitpunkts zu begrenzen.
Jedoch reduziert das Begrenzen des Vorausgehens des Zündzeitpunkts
das erzeugte Drehmoment erheblich im Vergleich zu einer Funkenzündungsbrennkraftmaschine
mit einem gewöhnlichen Verdichtungsverhältnis.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, das
Verdichtungsverhältnis
einer Brennkraftmaschine, die Verdichtungsselbstzündung und
Funkenzündung
zusammen ausführt,
zu verbessern.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung,
den Zustand in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine zu verbessern,
um Verdichtungsselbstzündung
auszuführen.
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Um die obigen Ziele zu erreichen,
stellt die Erfindung eine selbstzündende Brennkraftmaschine nach
Anspruch 1 bereit.
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Die Details sowie weitere Merkmale
und Vorteile dieser Erfindung werden im Rest der Beschreibung dargelegt
und in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Prinzipdarstellung einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung.
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2A und 2B sind Ablaufdiagramme zur Beschreibung
eines Ventilhubzeitpunkts eines Einlassventils und Auslassventils,
mit dem die Maschine ausgerüstet
ist.
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3A bis 3E sind Diagramme, die verschiedene
Zustände
einer Brennkammer zeigen, wenn die Maschine auf Niedriglast läuft.
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4A bis 4D sind Diagramme, die verschiedene
Zustände
einer Brennkammer zeigen, wenn die Maschine auf Hochlast läuft.
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5A und 5B sind Diagramme zum Beschreiben
des Verhältnisses
zwischen der Maschinenlast, dem Ventilhub und einem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt.
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6A und 6B sind Diagramme zum Beschreiben
des Verhältnisses
zwischen einer Maschinendrehzahl, dem Ventilhub und dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt.
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7 ist
ein Flussdiagramm zum Beschreiben einer Steuerroutine des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts
und eines Zündmoduswechsel,
durchgeführt von
einer elektronischen Steuereinheit, gemäß der Erfindung.
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8 ist
ein Diagramm, das den Inhalt einer Zündmodus- und Kraftstoffeinspritzzeitpunktstabelle zeigt,
die von elektronischen Steuereinheit gespeichert wird.
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9 ist
ein Schaubild, das den Inhalt einer Zündmodustabelle zeigt, die von
der elektronischen Steuereinheit gespeichert wird.
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10A und 10B sind ähnlich zu den 5A und 5B,
zeigen jedoch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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11A und 11B sind ähnlich zu den 6A und 6B,
zeigen aber das zweite Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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12A–12D sind Schaubilder, die
verschiedene Zustände
der Brennkammer einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigen, wenn die Maschine auf Niedriglast läuft.
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13 ist
ein Ablaufdiagramm zum Beschreiben des Ventilhubs, des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts
und eines Zündzeitpunkts
der Maschine nach dem dritten Ausführungsbeispiel.
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14 ist ähnlich zu 13, zeigt aber ein viertes
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung.
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15 ist
ein Schaubild zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen der Maschinenlast,
dem Ventilhub, dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt
einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine nach dem fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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16 ist ähnlich zur 15, zeigt aber ein sechstes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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17 ist ähnlich zu 13 und zeigt ein siebtes
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Mit Bezug auf 1 der Zeichnungen umfasst eine Selbstzündende Viertaktzyklusbrennkraftmaschine 10 für Fahrzeuge
gemäß dieser
Erfindung eine Brennkammer 11, die durch einen sich hin-
und herbewegenden Kolben 12 expandiert und kontrahiert
wird.
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Ein der Brennkammer 11 zugewandter
Einlasskanal 13 und ein Auslasskanal 16 sind in
der Maschine 10 ausgebildet.
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Ein Einlassventil 14 ist
im Einlasskanal 13 angeordnet.
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Eine Einlasspassage 13A ist
mit dem Einlasskanal 13 verbunden. Luft wird aus der Einlasspassage 13A durch
den Einlasskanal 13 in die Brennkammer 11 eingesaugt,
wenn das Einlassventil 14 geöffnet ist. Eine Klappe 22,
die die Einlassluftflussmenge einstellt, ist in der Einlasspassage 13A vorgesehen.
Ein Kraftstoffeinspritzer 19 und eine Zündkerze 20, die der
Brennkammer 11 zugewandt sind, sind in der Maschine 10 vorgesehen.
Der durch den Kraftstoffeinspritzer 19 in die Brennkammer 11 eingespritzte
Kraftstoff wird mit der aus dem Einlasskanal 13 angesaugten
Luft vermischt. Der Kolben 12 verdichtet dieses Kraftstoffgemisch.
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Das verdichtete Kraftstoffgemisch
verbrennt durch Selbstzündung
aufgrund der Hitze der Verdichtung, oder durch Funkenzündung aufgrund
eines Funkens der Zündkerze 20.
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Ein Auslassventil 17 ist
im Auslasskanal 16 angeordnet. Rauchgas wird durch eine
Auslasspassage, nicht gezeigt, aus dem Auslasskanal 16 in
die Atmosphäre
abgelassen, wenn das Auslassventil 17 geöffnet ist.
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Ein Ventiltaktungseinstellmechanismus 15 ist
vorgesehen, um den Öffnungs-/Schließzeitpunkt des
Einlassventils 14 zu verändern, und ein Ventiltaktungseinstellmechanismus 18 ist
vorgesehen, um den Öffnungs-/Schließzeitpunkt
des Auslassventils 17 zu verändern. Die Ventiltatktungseinstellmechanismen 17 und 18 können Einrichtungen
sein, die mit vielen Nocken mit unterschiedlichen Profilen versehen
sind, um die Ventile zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu betätigen, und
mit einem Mechanismus, um gezielt einen dieser Nocken einzusetzen.
Solche Einrichtungen werden durch die Tokkai Hei 9-203307 offenbart,
die vom Japanischen Patentamt im Jahr 1997 veröffentlicht wurde. Alternativ
kann auch ein Magnetventilöffnungs-/Schließmechanismus
eingesetzt werden.
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Die Kraftstoffeinspritzmenge und
der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzers 19, der Zündzeitpunkt
der Zündkerze 20,
die Öffnung
der Klappe 22, und der Öffnungs-/Schließzeitpunkt
des Einlassventils 14 und des Auslassventils 17 durch
die Ventiltaktungseinstellmechanismen 15, 18 werden von
Signalen gesteuert, die von einer elektronischen Steuereinheit 1 (nachstehend
abgekürzt
als ECU 1) ausgegeben werden.
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Um diese Steuerung durchzuführen, werden Signale
von einem Luftmengenmesser 21, der eine Lufteinlassmenge
in der Einlasspassage 13A ermittelt, von einem Kurbelwinkelsensor 22,
der einen Kurbelwinkel der Maschine 10 ermittelt, von einem
Beschleunigungspedaldrucksensor 24, der die Eindrückmenge
eines Beschleunigungspedals ermittelt, und von einem Startschalter 25,
der das Anlassen der Maschine 10 ermittelt, in die ECU 1 eingegeben.
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Die ECU 1 umfasst einen
Mikrocomputer, ausgerüstet
mit einer Zentraleinheit (CPU), einem Festspeicher (ROM), einem
Direktzugriffsspeicher (RAM) und einer Eingabe-/ Ausgabeschnittstelle (I/O-Schnittstelle).
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Mit dem obigen Aufbau bestimmt die
elektronische Steuereinheit 1 in Abhängigkeit einer Rotationsgeschwindigkeit
N, berechnet aus dem Kurbelwinkel der Maschine 10, und
einer Maschinenlast T, dargestellt durch die Eindrückmenge
des Beschleunigungspedals, entweder die Funkenzündungsverbrennung oder die
Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
durchzuführen.
Entsprechend dem Bestimmungsergebnis werden die Klappenöffnung,
die Ventiltaktung des Einlassventils 14 und Auslassventils 17,
die Kraftstoffeinspritzmenge und Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzers 19 und
der Zündzeitpunkt
der Zündkerze 20 bestimmt
und entsprechende Signale ausgegeben.
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Als nächstes wird die Steuerung der
Ventiltaktung, durchgeführt
von der ECU 1, mit Bezug auf die 2A und 2B beschrieben.
Wenn die Funkenzündung
durchgeführt
wird, steuert die ECU 1 das Einlassventil 14 und
das Auslassventil 17 so, dass sich deren Ventilöffnungsphasen
in der Nähe
des oberen Verdichtungstotpunkts (TDC) des Auslasshubs des Kolbens 12 überlappen,
wie in 2A gezeigt wird.
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Wenn die Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
ausgeführt
wird, überlappen
sich die Ventilschließphasen
des Einlassventils 14 und des Auslassventils 17 in
der Nähe
des oberen Verdichtungstotpunkts (TDC) des Auslasshubs des Kolbens 12, wie
in 2B gezeigt wird.
Während
dieser Überlappungsphase
ist die Brennkammer 11 abgedichtet.
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Als nächstes wird der Zustand jedes
Hubs während
eines Niedriglastbetriebs der Maschine 10 mit Bezug auf
die 3A–3E beschrieben.
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Während
der Niedriglast werden von den Ventiltaktungsmechanismen 15 und 18 die
Ventiltaktungen für
die Verdichtungsselbstzündungsverbrennung,
wie in 2B gezeigt, eingesetzt.
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In der ersten Hälfte des Auslasshubs des Kolbens 12 wird,
wie in 3A gezeigt, Abgas
aus der Brennkammer über
den Auslasskanal 16 wie in einer gewöhnlichen Maschine vom Auslassventil 17 ausgestoßen.
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In der zweiten Hälfte des Auslasshubs schließt das Auslassventil 17 und
der aufsteigende Kolben 12 verdichtet das Abgas in der
Brennkammer 11, wie in 3B gezeigt
wird. Aufgrund der Verdichtung erreicht das Abgas hohe Temperatur
und hohen Druck. Am Ende des Auslasshubs wird Kraftstoff vom Kraftstoffeinspritzer 19 in
die Brennkammer 11, die sich in einem abgedichteten Zustand
befindet, eingespritzt.
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Aufgrund des Einspritzens des Kraftstoffs
in das Hochtemperaturgas treten Vor-Verbrennungsreaktionen auf, und die
Zusammensetzung des Benzins wechselt zu einer reaktiveren Zusammensetzung,
die Aldehyde enthält.
Das Ausmaß dieser
Zusammensetzungsveränderung
hängt von
der Zeit ab, die das Benzin in dem heißen Gas verbleibt. Wenn der
Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverstellt wird, wird die Benzinzusammensetzung
auf ein höheres
Niveau gehoben, gerade bevor die Verbrennung startet. Umgekehrt,
wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt verzögert wird, findet die Zusammensetzungsveränderung
nur in einem kleinen Anteil des eingespritzten Kraftstoffs statt.
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In der ersten Hälfte des folgenden Einlasshubs
wird das Kraftstoffgemisch, das Benzin veränderter Zusammensetzung enthält, auf
nahezu atmosphärischen
Druck expandiert, während
das Einlassventil 14 und Auslassventil 17 geschlossen
bleibt. In der zweiten Hälfte
des Einlasshubs wird das Einlassventil 14 geöffnet und
frische Luft aus dem Einlasskanal 13 zur Brennkammer 11 angesaugt,
wie in 3C gezeigt wird.
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Im Verdichtungshub wird das Gemisch
heißen
Luft-Kraftstoffs veränderter
Zusammensetzung und frischer Luft, wie in 3D gezeigt, verdichtet und letztendlich
tritt die Verdichtungsselbstzündung ein,
wie in 3E gezeigt wird.
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Aufgrund der Erhöhung der Temperatur und des
Drucks des Kraftstoffgemischs in der Brennkammer 11 und
des Effekts der Zusammensetzungsveränderung findet diese Verdichtungsselbstzündung bei
einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis als bei einer herkömmlichen
Selbstzündungsbrennkraftmaschine
statt. Daher kann das Verdichtungsverhältnis der Maschine 10 auf
10–20
eingestellt werden, d. h. das untere Limit kann niedriger eingestellt
werden als in einer herkömmlichen
Selbstzündungsbrennkraftmaschine.
Wenn das Verdichtungsverhältnis
sogar im Volllastbetrieb, wenn die Funkenzündung ausgeführt wird,
herabgesetzt wird, tritt Klopfen nicht einfach auf auch wenn der
Zündzeitpunkt
beträchtlich vorverstellt
wird.
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Aus diesem Grund kann durch Vorverstellen des
Zündzeitpunkts
ein großes
Drehmomenterzeugt werden.
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In einem Arbeitshub des Kolbens 12 drückt das
Gas, das die Selbstzündungsverbrennung
einging, den Kolben 12 nach unten und erzeugt ein Ausgangsdrehmoment.
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Als nächstes wird der Zustand jedes
Hubs während
eines Hochlastbetriebs der Maschine 10 mit Bezug auf die 4A–4D beschrieben.
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Während
dieses Hochlastbetriebs wird von den Ventiltaktungseinstellmechanismen 15 und 18, wie
in 2A gezeigt, die Ventiltaktung
für Funkenzündungsverbrennung
eingesetzt.
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In diesem Fall werden die Auslass-,
Einlass-, Verdichtungs- und Arbeitstakte, wie im Fall einer gewöhnlichen
Funkenzündungsbrennkraftmaschine durchgeführt, und
die Zündung
des Kraftstoffgemischs durch die Zündkerze 20 nahe dem
oberen Verdichtungstotpunkt wie in einer gewöhnlichen Funkenzündungsbrennkraftmaschine
durchgeführt.
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Als nächstes wird die Steuerung der
Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
während
des Niedriglastbetriebs, durchgeführt von der elektronischen
Steuereinheit 1, beschrieben.
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Die Verdichtungsselbstzündung wird
von der Temperatur in der Brennkammer 11, dem Druck, der Kraftstoffkonzentration
und dem Zusammensetzungsveränderungsmaß des Kraftstoffs
in der Brennkammer 11 beeinflusst, und der Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt
wird umso weiter vorverstellt, wie größer diese Faktoren sind. Mit
anderen Worten findet die Verdichtungszündung bei einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis statt.
Jedoch, aus dem Gesichtspunkt des Wärmenutzwerts der Maschine 10, ist
es wünschenswert,
dass die Verdichtungsselbstzündung
in der Nähe
des oberen Verdichtungstotpunkt begonnen wird.
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Wenn die Maschinenlast hoch ist,
ist die Kraftstoffkonzentration im Kraftstoffgemisch hoch, so dass
der Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt
vorverstellt wird. Umgekehrt, wenn die Maschinenlast niedrig ist,
ist die Kraftstoffkonzentration im Kraftstoffgemisch gering, so
dass der Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt
verzögert
wird. Daher, um einen festgelegten Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt
für verschiedene
Lasten zu erhalten, muss der Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt entsprechend
der Maschinenlast verändert
werden.
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Mit Bezug auf 5A und 5B werden
abwechselnd drei Arten der Kraftstoffeinspritzung ausgeführt, wenn
die Last T der Maschine 10 während der Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
wechselt. Diese sind eine abgedichtete-Phase-Einspritzung in der
Niedriglastregion, eine Verdichtungshubeinspritzung in der Mittellastregion,
und eine Einlasshubeinspritzung in der Hochlastregion.
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Die abgedichtete-Phase-Einspritzung
spritzt Kraftstoff ein, wenn die Brennkammer 11 abgedichtet ist.
Der Einspritzungszeitpunkt wird ebenso vorverstellt, je geringer
die Last ist. Das heißt,
dass die Zusammensetzungsveränderung
im Benzinkraftstoff auf ein umso höheres Maß durchgeführt wird, je niedriger die
Last ist.
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Die Verdichtungshubeinspritzung spritzt Kraftstoff
im Verdichtungshub des Kolbens 12 ein. Dies fördert die
Verdichtungsselbstzündung
durch das Erzeugen einer angereicherten Kraftstoffkonzentrationsschicht
in der Brennkammer 11, ohne die Zusammensetzung des eingespritzten
Kraftstoffs zu verändern.
Ferner wird in der Verdichtungshubeinspritzung der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt
umso weiter verzögert,
je geringer die Last ist, und die Zerstreuung des eingespritzten
Kraftstoffs in der Brennkammer unterdrückt.
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Kraftstoffumformung und Kraftstoffgemischstratifizierung
sind beides Mittel, um die Verdichtungsselbstzündung zu fördern, aber wenn diese verglichen
werden, ergibt sich der folgende Unterschied. In der letzten Hälfte des
Verdichtungshubs steigt die Temperatur des Gases in der Brennkammer 11 aufgrund
der Verdichtung sprunghaft an, aber die Temperaturen der Wandoberfläche, die
die Brennkammer 11 bildet, und des Kolbens 12 können damit
nicht Schritt halten, mit dem Ergebnis, dass die Temperatur der
Wandoberfläche
oder des Kolbens 12 im Vergleich zur Gastemperatur gering
ist.
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Deshalb hat das Gas, das mit der
Wandoberfläche
in Kontakt ist, eine niedrigere Temperatur als das Gas in der Nähe der Mitte
der Brennkammer 11 und es entsteht eine thermale Grenzschicht
zwischen den Gasen unterschiedlicher Temperatur. Dieses Phänomen wird
Wandoberflächenabschreckung genannt.
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In der Verdichtungsselbstzündungsverbrennung,
ungleich dem Fall der Funkenzündung,
findet eine Flammenausbreitung nicht statt, so dass unverbranntes
Material im Kraft stoffgemisch auf der Niedrigtemperaturseite der
thermalen Grenzschicht zurückbleibt,
was leicht zur Erzeugung von Hydrokarbonen (HC) führt.
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In der stratifizierten Verbrennung
wird das Kraftstoffgemisch jedoch um die Zündkerze 20 konzentriert,
und der Kraftstoff breitet sich nicht auf die Niedrigtemperaturseite
der thermalen Grenzschicht aus. Daher kann die Erzeugung von Hydrokarbonen (HC)
unterdrückt
werden.
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In der Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
eines stratifizierten Kraftstoffgemischs gibt es nämlich dadurch
einen Vorteil, dass weniger Hydrokarbone (HC) erzeugt werden als
in einer Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
durch kombinierte Kraftstoffumformung und einheitliche Verbrennung. Der
Grund, weshalb die elektronische Steuereinheit 1 eine Kraftstoffgemischstratifizierung
in der mittleren negativen Lastregion anwendet, ohne allein von
der Kraftstoffumformung abhängig
zu sein, um die Verdichtungsselbstzündung zu fördern, ist auf diesem Faktor
begründet.
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Die Einlasshubeinspritzung spritzt
Kraftstoff im Einlasshub ein, nachdem die abgedichtete Phase der
Brennkammer 11 verstrichen ist. Weil die Kraftstoffkonzentration
bei Hochlast hoch ist, kann ein angemessener Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt sogar
dann erreicht werden, wenn die Stratifizierung des Kraftstoffgemischs
unter mittlerer negativer Last nicht durchgeführt wird. Deshalb ist bei der
Einlasshubeinspritzung der Einspritzzeitpunkt festgesetzt, ohne
von der Last abzuhängen.
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Zur selben Zeit beeinflusst die Drehgeschwindigkeit
N der Maschine 10 ebenso den Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt.
Weil sich die benötigte
Zeit für
die Zusammensetzungsveränderung
des Kraftstoffs nicht ändert,
auch wenn die Drehzahl N der Maschine 10 wechselt, wird
sich der Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt
mit der Drehzahl verändern,
wenn die Kraftstoffeinspritzung darauf eingestellt wird, bei einem
bestimmten Kurbelwinkel stattzufinden. Wenn z. B. die Drehzahl niedrig
ist, rückt
der Kurbelwinkel, bei dem die Verdichtungsselbstzündung beginnt,
nach vorne. Umgekehrt, wenn die Drehzahl N hoch ist, wird der Kurbelwinkel, bei
dem die Verdichtungsselbstzündung
beginnt, verzögert.
Aus diesem Grund muss der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in Abhängigkeit
der Drehzahl verändert
werden, so dass die Verdichtungsselbstzündung beim selben Kurbelwinkel,
ohne von der Drehzahl abzuhängen,
eingeleitet wird.
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Mit Bezug auf die 6A und 6B wendet
die elektronische Steuereinheit 1 drei Arten der Kraftstoffeinspritztaktung
an, wenn sich die Drehzahl N der Maschine 10 während der
Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
verändert.
Dieses sind eine abgedichtete-Phase-Einspritzung,
eine Verdichtungshubeinspritzung und eine Einlasshubeinspritzung, ähnlich denen
aus 5A und 5B.
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In der niedrigen Drehzahlregion wird
eine Einlasshubeinspritzung zu einem festgelegten Zeitpunkt durchgeführt.
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In der mittleren Drehzahlregion wird
eine Verdichtungshubeinspritzung durchgeführt. In der Verdichtungshubeinspritzung
wird der Einspritzzeitpunkt entsprechend verzögert, je höher die Maschinendrehzahl N
ist. Wenn der Einspritzzeitpunkt verzögert wird, wird das Maß der Kraftstoffkonzentration um
die Zündkerze 20 höher, wenn
die Nähe
des oberen Verdichtungstotpunkts (TDC) erreicht wird. Daher, durch
Verkürzen
der Zündverzögerungszeit
von der Einspritzung zur Zündung,
wird die Verdichtungsselbstzündung
dazu gebracht, zum demselben Zeitpunkt stattzufinden, ohne von der
Veränderung
der Drehzahl N abzuhängen.
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Die abgedichtete-Phase-Einspritzung
wird in der hohen Drehzahlregion ausgeführt. In der abgedichteten-Phase-Einspritzung
wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt ebenso entsprechend der Drehzahl
N verändert.
Wenn die Drehzahl N niedrig ist, dauert der Zusammensetzungsveränderungszeitraum – wenn die
Kraftstoffeinspritzung bei einem festgesetzten Kurbelwinkel durchgeführt wird – länger an
als in dem Fall, wenn die Drehzahl N hoch ist.
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Daher wird der Einspritzzeitpunkt
umso weiter verzögert,
je niedriger die Drehzahl N ist, so dass das Zusammensetzungsveränderungsniveau
des Benzins nahe des oberen Verdichtungstotpunkts fast gleich wird.
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In der obigen Beschreibung wurde
das Verhältnis
der Maschinenlast T und des Einspritzzeitpunkts, und das Verhältnis der
Drehzahl N und des Einspritzzeitpunkts individuell behandelt, jedoch muss
in der Praxis der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in Abhängigkeit
von sowohl der Maschinenlast T als auch der Drehzahl N bestimmt
werden. Des halb bestimmt die ECU 1 den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt durch
Aufrufen einer Tabelle, die in 8 gezeigt
ist, die die in 5A gezeigten
Eigenschaften mit den in 6A gezeigten
Eigenschaften kombiniert. Durch Einstellen des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts
des Kraftstoffeinspritzers 19 basierend auf dieser Tabelle, kann
die Verdichtungsselbstzündung
immer dazu gebracht werden, in der Nähe des oberen Verdichtungstotpunkts
stattzufinden, sogar wenn sich die Maschinenlast T und die Maschinendrehzahl
N ändern.
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Die ECU 1 führt die
oben genannte Steuerung durch Ablaufen der Routine, die in 7 gezeigt wird, aus. Diese
Routine wird nun beschrieben. Diese Routine wird in einem Intervall
von beispielsweise 10 Millisekunden ausgeführt.
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Zuerst wird in einem Schritt S10
eine Beschleunigungspedaldurchdrückmenge,
ermittelt von dem Beschleunigungspedaldrucksensor 24, und
ein Kurbelwinkel, ermittelt vom Kurbelwinkelsensor 23, gelesen.
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In einem nächsten Schritt S12 wird die
Last T der Maschine 10 aus der Beschleunigungspedaldurchdrückmenge
errechnet.
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Ebenso wird die Drehzahl N der Maschine 10 aus
der Kurbelwinkelveränderung
von dem unmittelbar vorausgehenden Anlass, zu dem die Routine ausgeführt wurde,
errechnet.
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Im nächsten Schritt S14 wird aus
der Tabelle von 8 basierend
auf der Last T und der Drehzahl N bestimmt, ob die Betriebsbedingungen
einer Funkenzündungsverbrennungsregion
oder einer Verdichtungsselbstzündungsverbrennungsregion
entsprechen. Weil im Schritt S14 nur die Zündungsregion gelesen wird,
kann die vereinfachte Tabelle, die in 9 gezeigt
ist, anstelle der Tabelle in 8 verwendet
werden.
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In einem nächsten Schritt S16 wird aus
den Leseergebnissen bestimmt, ob die Betriebszustände der
Verdichtungsselbstzündungsverbrennungsregion
entsprechen. Wenn sie der Verdichtungsselbstzündungsverbrennungsregion entsprechen,
fährt die Routine
mit einem Schritt S24 fort. Wenn sie nicht der Verdichtungsselbstzündungsverbrennungsregion entsprechen,
fährt die
Routine mit einem Schritt S18 fort.
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Die Abwicklung von einem Schritt
S18 bis zu einem Schritt S22 ist zu der Steuerung für eine gewöhnliche
Funkenzündungsverbrennung äquivalent. Im
Schritt S18 wird die Öffnung
der Klappe 22 in Proportion zur Last T eingestellt, und
im nächsten
Schritt S20 werden die Öffnungs-/Schließzeitpunkte
des Einlassventils 14 und des Auslassventils 17 auf
die Ventiltaktungen für
die Funkenzündungsverbrennung,
wie in 2A gezeigt, eingestellt.
Ebenso wird im nächsten
Schritt S22 die Kraftstoffeinspritzmenge und der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt
des Kraftstoffeinspritzers 19, und der Zündzeitpunkt
der Zündkerze 20 wie
in einer gewöhnlichen
Funkenzündungsbrennkraftmaschine
gesteuert, und die Routine beendet.
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Andererseits entspricht das Ablaufen
vom Schritt S24 bis zu einem Schritt S36 der Steuerung für die Verdichtungsselbstzündungsverbrennung.
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Zuerst wird im einem Schritt S24
die Öffnung der
Klappe 22 auf das Maximum eingestellt.
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Im nächsten Schritt S26 werden die Öffnungs-/Schließzeitpunkte
des Einlassventils 14 und des Auslassventils 17 auf
die Ventiltaktungen für Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
eingestellt, mit denen sich die Ventilschließtaktungen des Einlassventils 14 und
des Auslassventils 17 überlappen,
wie in 2B gezeigt wird.
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Im nächsten Schritt S28 wird aus
der Maschinenlast T und der Drehzahl N durch Aufrufen der Tabelle
aus 8 wiederum bestimmt,
ob die Betriebszustände
einer abgedichteten-Phase-Einspritzung, einer Verdichtungshubeinspritzung
oder einer Einlasshubeinspritzung entsprechen.
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Wenn im Schritt S28 bestimmt wird,
dass die Betriebszustände
einer abgedichteten-Phase-Einspritzung
entsprechen, fährt
die Routine im Schritt S30 fort. Hierbei wird Einspritzzeitpunkt
wiederum innerhalb der Grenzen der abgedichteten Phase festgesetzt,
basierend auf der Maschinenlast T und der Drehzahl N durch Aufrufen
der Tabelle aus 8. Die
Routine fährt
dann mit Schritt S36 fort.
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Wenn im Schritt S28 festgestellt
wird, dass die Betriebszustände
der Verdichtungshubeinspritzung entsprechen, fährt die Routine mit Schritt
S32 fort. Hierbei wird der Einspritzzeitpunkt basierend auf der
Maschinenlast T und der Drehzahl N durch Aufrufen der Tabelle aus 8 wiederum im Bereich des Verdichtungshubs
festgelegt.
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Wenn in dem Schritt S28 bestimmt
wird, dass die Betriebszustände
der Einlasshubeinspritzung entsprechen, fährt die Routine mit Schritt
S34 fort. Hierbei wird der Einspritzzeitpunkt auf einen vorbestimmten
Zeitpunkt im Einlasshub festgesetzt und die Routine fährt mit
Schritt S36 fort.
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Im Schritt S36 wird die Routine,
nach dem Einspritzen einer Kraftstoffmenge proportional zur Maschinenlast
T im festgelegten Einspritzzeitpunkt, beendet.
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Als nächstes wird ein zweites Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung mit Bezug auf die 10A, 10B, 11A und 11B beschrieben.
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Diese Ausführung ist eine Alternative
zum Einstellen des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, wie in den 5A, 5B und den 6A, 6B des ersten Ausführungsbeispiels
gezeigt wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird, wenn die
Last T gleich oder größer als
eine vorbestimmte Last in der abgedichteten-Phase-Einspritzung ist, eine
erste Einspritzung in der abgedichteten Phase, und eine zweite Einspritzung
dann im Verdichtungshub ausgeführt,
wie in 10A und 10B gezeigt wird.
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Das Verhältnis der Einspritzmengen der
ersten und der zweiten Einspritzungen wird umso größer eingestellt,
je kleiner die Last T ist, mit anderen Worten, steigt der Anteil
der ersten Einspritzung, wenn die Last T geringer wird. Wenn, wie
im Fall des ersten Ausführungsbeispiels,
der Einspritzzeitpunkt der abgedichteten-Phase-Einspritzung sich
entsprechend der Last T verändert,
kann die Einspritzung nahe dem oberen Totpunkt im Auslasshub durchgeführt werden.
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Wenn die Verbrennung des unmittelbar
vorangehenden Zyklus unter einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis durchgeführt wird,
liegt Sauerstoff im Rauchgas vor. Weil sich die Ventilschließtakte des Einlassventils 14 und
Auslassventils 17, wie in 2B gezeigt, überlappen,
wird das Rauchgas, das in der Brennkammer 11 zurückbleibt,
in der letzteren Hälfte
des Auslasshubs verdichtet. Wenn die Kraftstoffeinspritzung erfolgt,
wenn das sauerstoffenthaltende Rauchgas verdichtet wird, gibt es
eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass sich der eingespritzte Kraftstoff
entzündet.
Dieses Ausführungsbeispiel
eliminiert eine solche Wahrscheinlichkeit. Der Grund, weshalb der
Anteil der ersten Einspritzung erhöht wird, wenn die Last T gering
ist, ist der, dass die Einspritzmenge bei Niedriglast klein ist,
und es notwenig ist, die Zusammensetzung des Benzinkraftstoffs auf ein
hohes Niveau zu verändern,
so dass die Verdichtungsselbstzündung
nahe des oberen Verdichtungstotpunkts stattfindet.
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Nach diesem Ausführungsbeispiel wird der Entschluss,
ob die ersten und zweiten Einspritzungen ausgeführt werden oder nicht, ebenso
basierend auf der Maschinendrehzahl N gemacht, wie in den 11A und 11B gezeigt wird.
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Ferner, wenn bestimmt wird, dass
die ersten und zweiten Einspritzungen ausgeführt werden, wird das Verhältnis der
ersten und zweiten Einspritzungen ebenso in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl
N festgelegt. Insbesondere erhöht
sich der Anteil der ersten Einspritzung, je größer die Drehzahl N ist. Die Zeit
von der Einspritzung zur Verdichtungsselbstzündung ist umso kürzer, je
höher die
Drehzahl N ist, deshalb ist die Zeit, die für die Zusammensetzungsveränderung
verfügbar
ist, ebenso kürzer.
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Durch Erhöhen des Anteils der ersten
Einspritzung wird folglich die Verdichtungsselbstzündung dazu
gebracht, mit demselben Zeitpunkt, in dem die Zusammensetzungsveränderung
stattfindet, zusammenzufallen.
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Weil sowohl die Entscheidung, ob
oder ob nicht die ersten und zweiten Einspritzungen auszuführen sind,
als auch die Entscheidung über
das Verhältnis
der ersten Einspritzmenge und der zweiten Einspritzmenge in Abhängigkeit
sowohl der Maschinenlast T als auch der Maschinendrehzahl N getroffen
werden, sollten die Tabellen aus 10A und 11A in eine Tabelle integriert
werden und die Entscheidungen mit Bezug auf die integrierte Tabelle
getroffen werden, ähnlich
dem Fall des ersten Ausführungsbeispiels,
wobei die Tabelle aus 5A und
die Tabelle aus 6A in
die Tabelle aus 8 integriert sind.
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Als nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Bezug auf die 12A–12D und 13 beschrieben.
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In Bezug auf die Hardware unterscheidet sich
eine selbstzündende
Brennkraftmaschine 10A nach diesem Ausführungsbeispiel von der Maschine 10 der
ersten und zweiten Ausführungsbeispiele
dadurch, dass die Einlassluft der Maschine 10A durch einen
Turbolader turbogeladen wird.
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Andererseits, in Bezug auf die Software,
unterscheidet sie sich von den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen
dadurch, dass Verdichtungsselbstzündungsverbrennung nur in der
Niedriglastregion ausgeführt
wird, Funkenzündung
des im Verdichtungshub eingespritzten Kraftstoffs in der Mittellastregion
ausgeführt
wird, und Funkenzündung
des im Einlasshub eingespritzten Kraftstoffs in der Hochlastregion
ausgeführt
wird. Die Ventiltaktungen des Einlassventils 14 und des
Auslassventils 17 werden entsprechend der Last T verändert, und
in der Niedriglastregion, wenn Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
ausgeführt
wird, wird die Phase, während der
die Brennkammer 11 abgedichtet ist, vom Schließen des
Auslassventils im Auslasshub bis zum Öffnen des Einlassventils 14 im
Einlasshub eingestellt, wie in 12A–12D gezeigt wird. Es werden
nämlich die
Eigenschaften des ersten Ausführungsbeispiels, wie
in 2B gezeigt, angewendet.
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Andererseits, unter Mittel- und Hochlast, wenn
die Funkenzündungsverbrennung
ausgeführt wird,
werden die Ventilöffnungstaktungen
des Einlassventils 14 und Auslassventils 17 dazu
gebracht, sich nahe des oberen Verdichtungstotpunkts (TDC) des Auslasshubs
zu überlappen,
wie in 2A des ersten
Ausführungsbeispiels
gezeigt wird.
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In der Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzers 19 auf
einen vorbestimmten Zeitpunkt in der abgedichteten Phase festgelegt.
Zur selben Zeit, in der Verdichtungsselbstzündungsverbrennung, führt die
Zündkerze 20 eine
Hilfszündung durch.
Der Einspritzzeitpunkt der Verdichtungshubeinspritzung wird auf
einen vorbestimmten Zeitpunkt im Verdichtungshub festgelegt. Entsprechend wird
der Einspritzzeitpunkt der Einlasshubeinspritzung auf einen vorbestimmten
Zeitpunkt im Einlasshub festgelegt. Ebenso wird in der Funkenzündungsver brennung
der Zeitpunkt der Funkenzündung durch
die Zündkerze 20 nahe
dem oberen Verdichtungstotpunkt festgelegt.
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Als Ergebnis findet in der Mittellastregion stratifizierte
Verbrennung durch Funkenzündung, und
in der Hochlastregion einheitliche Verbrennung durch Funkenzündung statt.
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Wenn eine abgedichtete-Phase-Einspritzung erfolgt,
führt die
Zündkerze 20 die
Hilfszündung
mit einer Taktung aus, die fast gleich ist zu der bei der abgedichteten-Phase-Einspritzung in der
abgedichteten Phase, wie in den 12C und 13 gezeigt wird. Diese Hilfszündung verleiht
dem Restgas um die Elektrode der Zündkerze 20 eine große Menge Energie
und aktiviert einige der Sauerstoffmoleküle im Restgas und erzeugt freie
Radikale. Weil diese freien Radikale ungebundene Elektronen haben,
ist deren elektrisches Gleichgewicht instabil und deren Reaktivität sehr hoch,
sie spalten die C-C-Bindungen der
Kraftstoffmoleküle
im Hydrokarbonsystem und neigen dazu H in C-H-Bindungen zu ersetzen. Aufgrund dieser
Reaktionen werden die freien Radikale letztlich Aldehyde. Diese Änderung
fördert
die Verbrennungsreaktion durch Selbstzündung des Kraftstoffgemischs
in der Nähe
des oberen Verdichtungstotpunkts (TDC). Als Ergebnis dieser Förderung
der Verbrennungsreaktion durch freie Radikale wird eine stabile
Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
in dieser Maschine 10A bis zu hohen Drehzahlen durchgeführt, selbst
wenn das Verdichtungsverhältnis
auf 13 oder weniger eingestellt ist.
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Ebenso, weil die Ventiltaktungen
eingestellt sind, um eine abgedichtete Phase herbeizuführen, bleibt
während
der Verdichtungsselbstzündung
ein großer
Anteil Restgas in der Brennkammer zurück. Deshalb ist die Sauerstoffkonzentration
des Kraftstoffgemischs des eingespritzten Kraftstoffs gering und
die Brennkammer 11 wird aufgrund der Verbrennung des Kraftstoffgemischs
nicht übermäßig heiß.
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Ebenso gibt es aufgrund der Flammenausbreitung
keine lokale Aufheizung von Teilen wie im Fall der Funkenzündung, weil
die Verdichtungsselbstzündung
eine gleichzeitige Vielpunktzündung ungleich
der Funkenzündung
ist.
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Aus diesem Grund kann die Erzeugung
von Stickoxiden (NOx) unterdrückt
werden. Noch dazu kann das im Restgas enthaltene unverbrannte Hydrokarbon
(HC) verbrannt werden, weil die Verbrennung wiederum mit einer großen Menge
von einem in der Brennkammer 11 zurückbleibenden Restgas durchgeführt wird,
und der Ausstoß von
Hydrokarbonen (HC) wird dabei reduziert.
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Als nächstes wird ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Bezug auf 14 beschrieben.
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Der einzige Unterschied dieses Ausführungsbeispiels
vom dritten Ausführungsbeispiel
liegt im Zeitpunkt der Hilfszündung
durch die Zündkerze 20 während der
abgedichteten-Phase-Einspritzung. Nach
diesem Ausführungsbeispiel
wird der Hilfszündungszeitpunkt
zwischen die Öffnung
des Einlassventils 14 nach der abgedichteten Phase und
dem unteren Totpunkt (BDC) des Einlasshubs festgelegt.
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Nach diesem Ausführungsbeispiel findet aufgrund
der Öffnung
des Einlassventils 14 eine Hilfszündung statt, wenn eine große Menge
Sauerstoff in die Brennkammer 11 eingeleitet wird, und
ebenso wird in diesem Ausführungsbeispiel
die Formation freier Radikaler wie im dritten Ausführungsbeispiel durch
die Hilfszündung
gefördert.
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Als nächstes wird ein fünftes Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung mit Bezug auf 15 beschrieben.
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Im dritten Ausführungsbeispiel sinkt die Kraftstoffeinspritzmenge
des Kraftstoffeinspritzers 19, wenn die Last T fällt.
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Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge
reduziert wird, können
Aldehyde, auch wenn die Hilfszündung stattfindet,
nicht ordentlich gebildet werden.
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Deshalb wird in diesem Ausführungsbeispiel, wie
in 15 gezeigt wird,
der Zeitpunkt S1 der Hilfszündung
für die
Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
umso weiter vorverstellt, je geringer die Last T ist. Die übrigen Merkmale
der Konstruktion sind dieselben wie die des dritten Ausführungsbeispiels.
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Nach diesem Ausführungsbeispiel wird der Hilfszündungszeitpunkt
vorverstellt, obwohl die Einspritzmenge klein ist und das Kraftstoffgemisch
unter Niedriglast mager wird, so dass nach der Hilfszündung mehr
Zeit für
die Vermehrung freier Radikaler zur Verfü gung steht. In der Zeichnung
ist F1 der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt unter Niedriglast, F2 der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt
unter Mittellast und F3 der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt unter Hochlast.
S2 zeigt den Zündzeitpunkt
der Zündkerze 20 unter
Mittellast und Hochlast.
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Als nächstes wird ein sechstes Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung mit Bezug auf 16 beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird durch Verändern des
Einspritzzeitpunkts des Kraftstoffeinspritzers 19 der abgedichteten-Phase-Einspritzung entsprechend
der Last im ersten Ausführungsbeispiel
ein festgelegter Verdichtungsselbstzündungszeitpunkt für verschiedene
Lasten erreicht. Ferner wird die Bildung freier Radikaler durch
Ausführen
der Hilfszündung
zu einem Zeitpunkt, dargestellt durch S1 in der Zeichnung, gefördert. Die
verbleibenden Merkmale der Konstruktion sind dieselben wie die des
dritten Ausführungsbeispiels.
Ebenso wird in diesem Ausführungsbeispiel
die Zusammensetzungsveränderung
des in der abgedichteten Phase eingespritzten Kraftstoffs durch
die Tätigkeit
der freien Radikale aufgrund der Hilfszündung auf ein höheres Niveau
durchgeführt,
und die Verdichtungsselbstzündungseigenschaft
des Kraftstoffgemischs verbessert.
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Wenn jedoch die Drehzahl N der Maschine 1 hoch
ist, wird die Zeit von der Kraftstoffeinspritzung zur Hilfszündung beim
gleichen Kurbelwinkel kürzer werden.
Deshalb ist es ebenso wünschenswert,
den Einspritzzeitpunkt vorzuverstellen, wenn die Drehzahl höher wird,
ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel,
um die Zeit von der Einspritzung zur Hilfszündung konstant zu halten.
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Als nächstes wird ein siebtes Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung mit Bezug auf 17 beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kraftstoffeinspritzung
für die
Verdichtungsselbstzündungsverbrennung
im vierten Ausführungsbeispiel
in eine erste Einspritzung, durchgeführt in der abgedichteten Phase,
und eine zweite Einspritzung, durchgeführt im Verdichtungshub des
Kolbens 12, unterteilt. Hinsichtlich des in der ersten
Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs verursachen die durch die Hilfszündung der
Zündkerze 20 nach
dem Ende der abgedichteten Phase gebildeten freien Radikale eine Zusammen setzungsveränderung
des Benzins. Andererseits erzeugt der in der zweiten Einspritzung
im Verdichtungshub eingespritzte Kraftstoff eine angereicherte Kraftstoffkonzentrationsschicht
in der Brennkammer 11. Folglich ist die Verbrennung in
der Brennkammer 11 eine stratifizierte Verbrennung, und die
Erzeugung von Hydrokarbonen (HC) durch Wandoberflächenabschreckung
in der Brennkammer 11 wird durch die stratifizierte Verbrennung
unterdrückt.
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Nach den obigen Ausführungsbeispielen kann
das Verdichtungsverhältnis
der selbstzündenden
Brennkraftmaschine auf gleich oder kleiner als 13 eingestellt werden.
Ferner ist die Verdichtungsselbstzündung aufgrund der Zusammensetzungsveränderung
des Kraftstoffs bei Kraftstoffeinspritzung in das heiße Gas und
aufgrund der Bildung freier Radikale durch Hilfszündung auch
während
des Kaltstarts der Maschine 10 möglich.
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Obwohl die Erfindung oben mit Bezug
auf bestimmte Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Im Lichte der obigen Lehren ergeben sich dem Fachmann Veränderungen
und Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. Zum Beispiel ist
das Verdichtungsverhältnis
nicht notwendigerweise auf 13 oder weniger festgesetzt. Es kann
entsprechend dem Bohrungshubverhältnis
oder der maximalen Wassertemperatur der Maschine auf einen größeren Wert
festgelegt werden.
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Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung, an
denen ein ausschließliches
Eigentum oder Vorrecht beansprucht wird, sind wie folgt festgelegt: