DE10037215A1

DE10037215A1 - Selbstzündende Brennkraftmaschine und Verfahren zum Steuern derselben

Info

Publication number: DE10037215A1
Application number: DE10037215A
Authority: DE
Inventors: Ryo Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: DE10037215C2; JP2001073860A; JP3613666B2; FR2797912B1; FR2797912A1

Abstract

Eine selbstzündende Brennkraftmaschine wird geschaffen, wobei Hauptkraftstoff eingespritzt wird nachdem Pilotkraftstoff eingespritzt ist, und die Einspritzmenge und Einspritzstartzeitgebung a des Pilotkraftstoffs sind so eingerichtet, dass eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs ermöglicht wird, nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert hat. Die Einspritzstartzeitgebung m des Hauptkraftstoffs ist so eingerichtet, dass sie zu einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündung führen würde, wenn der Pilotkraftstoff nicht eingespritzt werden würde, und dass sie ermöglicht, dass der Hauptkraftstoff verbrannt wird, ohne Verursachen einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen, wenn der Pilotkraftstoff eingespritzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbstzündende Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Steuern einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.

Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen vermindert sich die Temperatur in jeder Brennkammer graduell, wenn der Kolben den Kompressions-OT (oberer Totpunkt) passiert und seine Abwärtsbewegung beginnt. Wenn Kraftstoff eingespritzt wird nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert, wird der eingespritzte Kraftstoff deshalb nicht sofort gezündet wegen der reduzierten Temperatur in der Brennkammer, sondern diffundiert innerhalb der Brennkammer, um dann gezündet zu werden nachdem sich Kraftstoffdampf oder verdampfender Kraftstoff aus den Kraftstoffpartikeln entwickelt. Da eine ausreichende Luftmenge in der Umgebung des Kraftstoffs existiert als ein Ergebnis der Diffusion des eingespritzten Kraftstoffs in der Brennkammer und Verdampfung des diffundierten Kraftstoffs, wird kein Ruß erzeugt, wenn der Kraftstoff bei diesem Zustand gezündet wird. Wegen der wie vorstehend reduzierten Temperatur innerhalb der Brennkammer erhöht sich die Verbrennungstemperatur auch nicht so viel bei der Zündung des Kraftstoffs und deshalb sind die NOx Emissionen reduziert. Dabei diffundiert der Kraftstoff in einem größeren Ausmaß und die Verbrennungstemperatur ist gesenkt, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung verzögert ist und folglich sind die erzeugten Rußmengen und NOx reduziert. Vorzugsweise wird somit die Kraftstoffeinspritzzeitgebung verzögert, um so spät wie möglich zu sein, um die erzeugte Rußmenge und NOx zu reduzieren.

Wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung wie vorstehend beschrieben verzögert ist, ist jedoch die Temperatur innerhalb der Brennkammer abgesenkt und deshalb können Fehlzündungen in der Brennkammer auftreten. Wenn der eingespritzte Kraftstoff ohne Veranlassen von Fehlzündungen eingespritzt werden kann dabei, können die erzeugten Rußmengen und NOx beträchtlich reduziert werden.

Deshalb besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoff, der in die Brennkammer eingespritzt wird, gezündet werden kann ohne einen Fehler selbst bei einer Verzögerung der Kraftstoffeinspritzzeitgebung, und wobei die Erzeugung von NOx und Ruß beträchtlich unterdrückt werden kann.

Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine selbstzündende Brennkraftmaschine einschließlich eines Kraftstoffeinspritzventils zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer, wobei der Hauptkraftstoff eingespritzt wird nachdem Pilotkraftstoff eingespritzt ist und die Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs eingerichtet sind auf eine derartige Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung, die eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs ermöglicht nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert, und wobei die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs eingerichtet ist auf eine derartige Einspritzzeitgebung, die zu einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen führen würde, wenn der Pilotkraftstoff nicht eingespritzt würde, und die ein Verbrennen des Hauptkraftstoffs ermöglicht ohne Veranlassen von schlechter Verbrennung oder Fehlzündungen nach der Verbrennung des Pilotkraftstoffs, wenn der Pilotkraftstoff eingespritzt wird.

Die Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben ist, kann eine saubere oder sanfte Verbrennung erzielen mit kleinen Mengen an NOx und erzeugtem Ruß.

Bei einer bevorzugten Gestalt der Erfindung ist ein Abgasrückführsystem vorgesehen zum Zurückführen von Abgas in einen Ansaugkanal hinein, und das zurückgeführte Abgas wird zu dem Ansaugkanal zugeführt in einer erforderlichen Menge, um eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs zu ermöglichen.

Bei einer anderen bevorzugten Gestalt der Erfindung wird der Pilotkraftstoff eingespritzt, wenn sich der Kolben in der Nähe des Kompressions-OT befindet, und der Hauptkraftstoff wird eingespritzt, nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert.

Bei einer weiteren bevorzugten Gestalt der Erfindung wird die Einspritzmenge des Pilotkraftstoffs so gesteuert, dass sie kleiner ist als die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffs.

Bei noch einer weiteren bevorzugten Gestalt der Erfindung wird die Einspritzmenge des Pilotkraftstoffs reduziert, wenn sich eine erforderliche Last des Motors erhöht.

Die vorstehende Aufgabe kann gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gelöst werden, der ein Verfahren zum Steuern einer selbstzündenden Brennkraftmaschine schafft mit einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Einspritzen von Hauptkraftstoff nach dem Einspritzen von Pilotkraftstoff; Einrichten der Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs auf eine derartige Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung, die eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs ermöglichen nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert hat; und Einrichten der Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs auf eine derartige Einspritzzeitgebung, die zu einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen führen würde, wenn der Pilotkraftstoff nicht eingespritzt werden würde, und die ermöglicht, dass der Hauptkraftstoff ohne Verursachen einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen verbrannt wird nach der Verbrennung des Pilotkraftstoffs, wenn der Pilotkraftstoff eingespritzt wird.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer gesamten Bauweise einer selbstzündenden Brennkraftmaschine als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Verlauf der Einspritzmengen des Pilotkraftstoffs und des Hauptkraftstoffs;

Fig. 3 zeigt einen Verlauf eines typischen Beispiels der Einspritzzeitgebungen des Pilotkraftstoffs und des Hauptkraftstoffs;

Fig. 4 zeigt einen Verlauf von Änderungen des durchschnittlichen Wirkdrucks und der Rate der Wärmefreigabe;

Fig. 5A und 5B zeigen Ansichten von Änderungsmustern der Rate der Wärmefreigabe;

Fig. 6A zeigt ein Diagramm eines Kennfelds der Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs;

Fig. 6B zeigt ein Diagramm eines Kennfelds der Einspritzmenge Qm des Hauptkraftstoffs;

Fig. 7A zeigt ein Diagramm eines Kennfelds der Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs;

Fig. 7B zeigt ein Diagramm eines Kennfelds der Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs;

Fig. 8 zeigt ein Diagramm eines Kennfelds der Öffnung des EGR Steuerventils;

Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Steuerroutine zum Steuern von Motorbetrieben; und

Fig. 10 zeigt ein Diagramm von Motorbetriebsbereichen I und II.

In Fig. 1 umfasst eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Hauptkörper 1 des Motors, einen Zylinderblock 2, einen Zylinderkopf 3, einen Kolben 4 und eine Brennkammer 5. Der Motor umfasst des Weiteren ein elektrisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzventil 6, ein Einlassventil 7, einen Einlasskanal 8, ein Auslassventil 9 und einen Auslasskanal 10. Der Einlasskanal 8 ist mit einem Windkessel 12 verbunden über eine entsprechende Ansaugzweigleitung 11, und der Windkessel 12 ist mit einem Kompressor 15 eines Abgasturboladers 14 über ein Ansaugrohr 13 verbunden. Andererseits ist der Auslasskanal 10 mit einer Abgasturbine 18 des Abgasturboladers 14 über einen Abgaskrümmer 16 und eine Abgasleitung 17 verbunden. Der Auslass der Abgasturbine 18 ist mit einem katalytischen Umwandler 20 gekoppelt, in dessen Inneren ein Oxidationskatalysator 19 untergebracht ist.

Der Abgaskrümmer 16 und der Windkessel 12 sind miteinander verbunden über einen Abgasrückführkanal 22 (der nachfolgend als "EGR" abgekürzt wird), und ein elektronisch gesteuertes EGR Steuerventil 23 ist innerhalb dem EGR Kanal 22 angeordnet. Jedes Kraftstoffeinspritzventil 6 ist mit einem Kraftstoffbehälter verbunden oder einer sogenannten Common Rail 25 (gemeinsame Hochdruckleitung) über eine Kraftstoffzuführleitung 24. Der Kraftstoff wird zugeführt von einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffpumpe 26, deren Abgabemenge variabel ist, in die Common Rail 25 hinein, und der zu der Common Rail 25 zugeführte Kraftstoff wird dann zu jedem Kraftstoffeinspritzventil 6 zugeführt über eine entsprechende Kraftstoffzuführleitung 24. Die Common Rail 25 ist mit einem Kraftstoffdrucksensor 27 ausgestattet zum Erfassen des Kraftstoffdrucks innerhalb der Common Rail 25. Beim Betrieb wird die Abgabemenge der Kraftstoffpumpe 26 gesteuert auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Kraftstoffdrucksensors 27, so dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Common Rail 25 gleich einem Sollkraftstoffdruck wird.

Eine elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem Digitalcomputer und umfasst einen ROM (Read only Memory = Nur- Lese-Speicher) 32, einen RAM (Random access Memory = flüchtiger Zugriffsspeicher) 33, eine CPU (Mikroprozessor) 34, einen Eingangsanschluss 35 und einen Ausgangsanschluss 36, die miteinander verbunden sind über einen bidirektionalen Bus 31. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 27 wird auf den Eingangsanschluss 35 übertragen über einen entsprechenden Analogdigitalumwandler 37. Ein Lastsensor 41, der mit einem Gaspedal 40 verbunden ist, wirkt zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die proportional zu dem Niederdrückungsbetrag L des Gaspedals 40 ist, und die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird auf den Einganganschluss 35 übertragen über einen entsprechenden Analogdigitalumwandler 37. Der Eingangsanschluss 35 ist auch mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der einen Ausgangsimpuls erzeugt jedes Mal, wenn beispielsweise die Kurbelwelle sich um 30° dreht. Andererseits ist der Ausgangsanschluss 36 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 6, dem EGR Steuerventil 23 und der Kraftstoffpumpe 26 über entsprechende Treiberschaltkreise 38 verbunden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis Fig. 4 wird nun ein Verbrennungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.

Bei der erfindungsgemäßen selbstzündenden Brennkraftmaschine wird Pilotkraftstoff anfangs in die Brennkammer eingespritzt und Hauptkraftstoff wird dann in die Kammer eingespritzt. Fig. 2 zeigt die Menge Qa des einzuspritzenden Pilotkraftstoffs und die Menge Qm des einzuspritzenden Hauptkraftstoffs. In Fig. 2 deutet die horizontale Achse den Niederdrückungsbetrag des Gaspedals 40 an, der die erforderliche Last repräsentiert. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs kleiner als die Einspritzmenge Qm des Hauptkraftstoffs ungeachtet des Betrags der erforderlichen Last L. Die Einspritzmenge Qm des Hauptkraftstoffs erhöht sich auch, wenn sich die erforderliche Last L erhöht, während die Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs sich vermindert, wenn sich die erforderliche Last L erhöht.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Einspritzstartzeitgebung θa und der Einspritzvollendungszeitgebung Eθa des Pilotkraftstoffs bei einer gewissen Motordrehzahl, und die Einspritzstartzeitgebung θm und Einspritzvollendungszeitgebung Eθm des Hauptkraftstoffs bei der vorstehenden gewissen Motordrehzahl. Ca bezeichnet auch einen ungefähren Bereich, bei dem der Pilotkraftstoff verbrannt wird, und Cm bezeichnet einen ungefähren Bereich, bei dem der Hauptkraftstoff verbrannt wird. In Fig. 3 deutet die vertikale Achse L die erforderliche Last an und die horizontale Achse deutet den Kurbelwinkel an.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird der Pilotkraftstoff eingespritzt, wenn der Kolben sich in der Umgebung des Kompressions-OT befindet, und der Pilotkraftstoff, der somit eingespritzt wird, wird verbrannt nachdem der Kolben den Kompressions-OT erreicht beim Verstreichen einer gewissen Zeit oder länger nach seiner Einspritzung. Der Hauptkraftstoff wird eingespritzt nachdem der Kolben den Kompressions-OT erreicht und der Hauptkraftstoff, der somit eingespritzt ist, wird auch verbrannt beim Verstreichen einer gewissen Zeit oder länger nach seiner Einspritzung. Es soll beachtet werden, dass die Einspritzstartzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs und die Einspritzstartzeitgebung θm des Hauptkraftstoffs verzögert sind, wenn die erforderliche Last L sich erhöht. Bei dem Beispiel, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Einspritzstartzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs ein ungefährer Bereich zwischen einem Punkt 2° vor OT (vor einem Kompressions- OT) und einem Punkt 5° nach OT (nach dem oberen Totpunkt), und die Einspritzstartzeitgebung 9 m des Hauptkraftstoffs ist ein ungefährer Bereich zwischen einem Punkt 6° nach OT (nach dem Kompressions-OT) und einem Punkt 18° nach OT (nach dem oberen Totpunkt).

Fig. 3 zeigt die Einspritzstartzeitgebungen θa, θm und Einspritzvollendungszeitgebungen Eθa, Eθm bei einer gewissen Motordrehzahl, wie vorstehend beschrieben ist. Wenn die Motordrehzahl variiert, werden sich deshalb die Einspritzstartzeitgebungen θa, θm und die Einspritzvollendungszeitgebungen Eθa, Eθm ändern in Übereinstimmung mit Änderungen der Motordrehzahl. Beispielsweise werden die Einspritzzeitgebungen θa, θm vorverlegt, wenn sich die Motordrehzahl erhöht.

Fig. 4 zeigt den durchschnittlichen Wirkdruck (der nachfolgend als ein "Druck" bezeichnet wird) PMa und die Rate der Wärmeabgabe dQ/dθ. In Fig. 4 deutet die horizontale Achse den Kurbelwinkel an. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, erhöht sich der Druck PMa innerhalb der Brennkammer 5 und die Wärmeabgaberate dQ/dθ, wenn die Verbrennung Ca des Pilotkraftstoffs und die Verbrennung Cm des Hauptkraftstoffs stattfinden.

Fig. 5A zeigt ein Änderungsmuster der Wärmefreigaberate dQ/dθ, wobei eine Diffusionsverbrennung durchgeführt wird nachdem die vorgemischte Verbrennung durchgeführt ist, und Fig. 5B zeigt ein Änderungsmuster der Wärmefreigaberate dQ/dθ, wobei nur eine vorgemischte Verbrennung durchgeführt wird und keine Diffusionsverbrennung durchgeführt wird. Ein Änderungsmuster der Wärmefreigaberate dQ/dθ, das von der Verbrennung Cm des Hauptkraftstoffs herrührt, und ein Änderungsmuster der Wärmefreigaberate dQ/dθ, das von der Verbrennung Ca des Pilotkraftstoffs herrührt, sind beide identisch mit dem Änderungsmuster, wie in Fig. 5B gezeigt ist.

Daraus folgt, dass der Pilotkraftstoff und der Hauptkraftstoff beide einer vorgemischten Verbrennung ausgesetzt sind.

Wie in der vorstehenden Diskussion des Stands der Technik beschrieben ist, werden die erzeugten Rußmengen und NOx reduziert, wenn die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert ist. Deshalb ist es wünschenswert, die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs soweit wie möglich zu verzögern, um die erzeugten Rußmengen und NOx zu reduzieren. Wenn dabei nur der Hauptkraftstoff eingespritzt wird, wird jedoch die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 übermäßig niedrig mit einem Ergebnis einer schlechten Verbrennung, wenn die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert ist, und es treten Fehlzündungen auf, wenn die Einspritzzeitgebung weiter verzögert ist. Wenn der Hauptkraftstoff normal verbrannt werden kann ohne Veranlassen einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen bei einem Zustand, dass die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert ist bis zu einem Zeitpunkt, bei dem eine schlechte Verbrennung oder Fehlzündungen andererseits auftreten würden, können die erzeugten Rußmengen und NOx beträchtlich reduziert werden.

Dabei ist die Einspritzzeitgebung, bei der Fehlzündungen auftreten, später als die Einspritzzeitgebung, bei der eine schlechte Verbrennung auftritt, und deshalb können die erzeugten Rußmengen und NOx wirksamer reduziert werden, wenn der Hauptkraftstoff normal verbrannt werden kann mit der Einspritzzeitgebung des Kraftstoffs, die verzögert ist bis zu einem Zeitpunkt, bei dem andererseits Fehlzündungen auftreten würden, im Vergleich mit dem Fall, wobei der Hauptkraftstoff normal verbrannt werden kann mit der Einspritzzeitgebung des Kraftstoffs, die verzögert ist bis zu einem Zeitpunkt, bei dem andererseits eine schlechte Verbrennung auftreten würde.

Erfindungsgemäß ist die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert bis zu einem Zeitpunkt, bei dem eine schlechte Verbrennung auftreten würde, wenn nur der Hauptkraftstoff eingespritzt würde, und vorzugsweise sogar bis zu einem späteren Zeitpunkt, bei dem Fehlzündungen auftreten würden, wenn nur der Hauptkraftstoff eingespritzt würde, und Pilotkraftstoff wird eingespritzt, so dass der Hauptkraftstoff normal verbrannt werden kann, selbst wenn die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert ist.

Wenn bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Pilotkraftstoff so eingespritzt wird, dass der Hauptkraftstoff normal verbrannt werden kann, selbst wenn die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert ist, wird der Hauptkraftstoff gleichzeitig an vielen Stellen gezündet, die fast über die gesamte Brennkammer 5 verteilt sind, und die erzeugten Mengen an NOx und Ruß sind beträchtlich reduziert. Der Grund, warum der Kraftstoff bei vielen Stellen gleichzeitig gezündet wird, ist nicht klar, es kann aber von folgender Annahme ausgegangen werden.

Wenn nur der Hauptkraftstoff eingespritzt wird, ist die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 bei der Kraftstoffeinspritzung abgesenkt und der Druck innerhalb der Brennkammer 5 ist reduziert, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs gegenüber dem Kompressions-OT verzögert ist. Da der Luftwiderstand reduziert ist mit einer Reduktion des Drucks innerhalb der Brennkammer 5, werden Kraftstoffpartikel über die gesamte Brennkammer 5 verteilt und die Verdampfung des Kraftstoffs der Kraftstoffpartikel wird beschleunigt. Demgemäß existiert eine ausreichende Sauerstoffmenge in der Umgebung des Kraftstoffs. In der Zwischenzeit erhöht sich die Temperatur des eingespritzten Kraftstoffs graduell während der Diffusion oder Dispersion des eingespritzten Kraftstoffs. Der somit eingespritzte Kraftstoff verfehlt jedoch schließlich die Verbrennung wegen der reduzierten Temperatur innerhalb der Brennkammer 5, selbst wenn ausreichend Sauerstoff in der Umgebung des Kraftstoffs existiert, was zu Fehlzündungen führt.

Wenn Pilotkraftstoff in die Brennkammer 5 eingespritzt wird, erhöht sich die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 aufgrund der Verbrennungswärme des Pilotkraftstoffs. Infolgedessen wird die Oxidationsreaktion des Hauptkraftstoffs, der in der Brennkammer diffundiert, beschleunigt und somit beginnt die Verbrennung bei vielen Stellen innerhalb der Brennkammer 5 gleichzeitig. Wenn auf diese Weise die Verbrennung gleichzeitig bei vielen Stellen in der Brennkammer 5 startet, ist die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 als ein Ganzes reduziert und deshalb ist die Menge der erzeugten NOx beträchtlich reduziert. Da auch die Verbrennung begonnen wird, wenn eine ausreichende Sauerstoffmenge in der Umgebung des Kraftstoffs existiert, ist die Menge des erzeugten Rußes bei der Verbrennung beträchtlich reduziert. Darüber hinaus findet die Verbrennung auf sanfte Weise dabei statt und deshalb wird fast kein Verbrennungsgeräusch erzeugt.

Mit dem auf diese Weise eingespritzten Pilotkraftstoff kann der Hauptkraftstoff mit beträchtlich reduzierten Mengen an erzeugtem Ruß und NOx verbrannt werden und fast ohne Verbrennungsgeräusch. Selbst wenn die Verbrennung des Hauptkraftstoffs mit beträchtlich reduzierten Mengen an Ruß und NOx und fast keinem Verbrennungsgeräusch begleitet ist, entsteht keine vorteilhafte Wirkung von der Einspritzung des Pilotkraftstoffs, wenn eine große Menge an Ruß oder NOx oder ein Verbrennungsgeräusch erzeugt werden aufgrund einer Verbrennung des Pilotkraftstoffs. Erfindungsgemäß wird deshalb der gesamte Pilotkraftstoff veranlasst, eine vorgemischte Verbrennung bei einem Punkt nach dem Kompressions-OT zu unterlaufen, wenn eine gewisse Zeit verstreicht nachdem der Kolben 4 die Abwärtsbewegung beginnt, so dass der Pilotkraftstoff mit fast keinem erzeugten Ruß und NOx und fast keinem Verbrennungsgeräusch verbrannt wird, und so dass die Verbrennung des Hauptkraftstoffs induziert oder verursacht wird durch die Verbrennungswärme des Pilotkraftstoffs.

Wenn eine große Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wenn der Kolben 4 sich in der Umgebung des Kompressions-OT befindet, wird ein vorgemischtes Luftkraftstoffgemisch, das bei der Kraftstoffeinspritzung gebildet wird, bei einem Moment verbrannt und dann wird eine Verbrennung des Kraftstoffdampfes oder des verdampfenden Kraftstoffs durchgeführt, der aus Kraftstoffflüssigkeitstropfen oder einer sogenannten Diffusionsverbrennung gebildet wird. Ein Änderungsmuster der Wärmefreigaberate dQ/dθ ist dabei ähnlich dem, wie in Fig. 5A gezeigt ist. Wenn das vorgemischte Luftkraftstoffgemisch bei einem Moment in der Umgebung des Kompressions-OT verbrannt wird, wird jedoch ein großes Verbrennungsgeräusch erzeugt aufgrund eines schnellen Anstiegs des Verbrennungsdrucks und eine große Menge an NOx wird erzeugt aufgrund eines Anstiegs der Verbrennungstemperatur. Die Diffusionsverbrennung verursacht auch, dass verdampfender Kraftstoff, der aus Flüssigkeitströpfchen gebildet ist, vor dem Mischen mit einer ausreichenden Luftmenge verbrannt wird, und somit wird eine große Menge an Ruß erzeugt. Deshalb ist es notwendig, den Pilotkraftstoff ohne Zulassen einer Diffusionsverbrennung desselben Kraftstoffs zu verbrennen.

Wenn nur eine kleine Kraftstoffmenge in die Brennkammer eingespritzt wird, wird ein vorgemischtes Luftkraftstoffgemisch, das bei der Kraftstoffeinspritzung gebildet wird, nicht immer bei einem Moment verbrannt, selbst wenn der Kraftstoff in der Umgebung des Kompressions-OT eingespritzt wird. Das vorgemischte Luftkraftstoffkraftstoffgemisch wird nämlich nur bei einem Moment verbrannt, wenn die Konzentration des vorgemischten Luftkraftstoffgemisches gleich oder größer als eine gewisse Höhe wird. Wenn somit die Einspritzmenge klein ist und die Konzentration des vorgemischten Luftkraftstoffsgemisches kleiner als der gewisse Wert bei der Einspritzung ist, wird das vorgemischte Luftkraftstoffgemisch nicht auf einmal bei einem Moment bei der Kraftstoffeinspritzung verbrannt. In der Zwischenzeit erhöht sich die Menge des verdampfenden Kraftstoffs, der aus Kraftstoffpartikeln gebildet ist, mit dem Verstreichen der Zeit nach der Kraftstoffeinspritzung und die gesamte Menge des vorgemischten Luftkraftstoffgemisches wird demgemäß erhöht. Die Konzentration des vorgemischten Luftkraftstoffgemisches wird jedoch nicht schnell erhöht, da die Kraftstoffpartikel verteilt werden mit dem Verstreichen der Zeit nach der Einspritzung.

Wenn der Kolben 4 sich mit dem Verstreichen der Zeit nach der Kraftstoffeinspritzung abwärts bewegt, wird der Druck innerhalb der Brennkammer 5 reduziert und die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 sinkt. Da der Luftwiderstand reduziert ist mit einer Reduktion des Drucks innerhalb der Brennkammer 5, werden Kraftstoffpartikel in der gesamten Brennkammer 5 verteilt und das Verdampfen des Kraftstoffs aus den Kraftstoffpartikeln wird beschleunigt. Infolgedessen existiert eine ausreichende Sauerstoffmenge in der Umgebung des Kraftstoffs. Die Temperatur des eingespritzten Kraftstoffs erhöht sich graduell, während der eingespritzte Kraftstoff diffundiert und die Verbrennung beginnt, wenn die Temperatur des eingespritzten Kraftstoffs die Zündtemperatur erreicht. Ein großer Teil des eingespritzten Kraftstoffs wird mit der Luft gemischt, um ein vorgemischtes Luftkraftstoffgemisch bei dem Beginn der Verbrennung zu liefern, und somit wird dabei eine vorgemischte Verbrennung durchgeführt. Da ausreichend Sauerstoff in der Umgebung des Kraftstoffs existiert während der vorstehend beschriebenen vorgemischten Verbrennung, wird fast kein Ruß erzeugt. Da die vorgemischte Verbrennung auch stattfindet, wenn der Druck innerhalb der Brennkammer 5 schnell reduziert wird, erhöht sich der Verbrennungsdruck nicht plötzlich und deshalb wird fast kein Verbrennungsgeräusch erzeugt. Darüber hinaus ist die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 reduziert beim Start der vorgemischten Verbrennung und die Verbrennungstemperatur ist reduziert, da der Verbrennungsdruck nicht plötzlich ansteigt, was zu einer beträchtlichen Reduktion der Menge der erzeugten NOx führt.

Wenn eine kleine Menge des Pilotkraftstoffs in der Umgebung des Kompressions-OT eingespritzt wird, wird deshalb eine vorgemischte Verbrennung ausgeführt beim Verstreichen einer gewissen Zeit oder länger nach der Kraftstoffeinspritzung. Wenn dabei die vorgemischte Verbrennung und die folgende Diffusionsverbrennung sofort nach der Einspritzung stattfindet, ist die Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs verzögert, wodurch das Auftreten einer vorgemischten Verbrennung und der folgenden Diffusionsverbrennung unmittelbar nach der Einspritzung verhindert wird. Ob nämlich die vorgemischte Verbrennung durchgeführt wird beim Verstreichen einer gewissen Zeit oder länger nach der Kraftstoffeinspritzung, hängt von der Einspritzmenge und der Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs ab. Erfindungsgemäß ist deshalb die Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs so eingerichtet, dass eine vorgemischte Verbrennung stattfindet beim Verstreichen einer gewissen Zeit nach der Kraftstoffeinspritzung.

Es ist auch möglich, die vorgemischte Verbrennung und folgende Diffusionsverbrennung vom Auftreten abzuhalten unmittelbar nach der Einspritzung des Pilotkraftstoffs durch Erhöhen der Menge des EGR Gases, das zu dem Abgaskrümmer 16 zugeführt wird. Insbesondere hat das EGR Gas, das eine große spezifische Wärme hat, eine hohe Wärmeabsorptionsfähigkeit und deshalb ist es weniger wahrscheinlich, dass sich die Temperatur des eingespritzten Kraftstoffs erhöht bis zu der Zündtemperatur, wenn die Menge des EGR Gases erhöht wird, wodurch die vorgemischte Verbrennung und folgende Diffusionsverbrennung vom Auftreten abgehalten wird unmittelbar nach der Kraftstoffeinspritzung.

Bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das EGR Gas zu dem Abgaskrümmer 16 so zugeführt, dass die EGR Rate (= EGR Gasmenge/(Ansaugluftmenge + EGR Gasmenge)) gleich oder größer als 25% wird. Die Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs, wie in Fig. 2 gezeigt ist, und die Einspritzzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs, wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind so eingerichtet, dass die vorgemischte Verbrennung Ca stattfindet beim Verstreichen einer gewissen Zeit oder länger nach der Einspritzung bei einem Zustand, dass das EGR Gas auf diese Weise zugeführt wird.

Da die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 sich erhöht, wenn sich die erforderliche Last L erhöht, ist es wahrscheinlich, dass die vorgemischte Verbrennung und folgende Diffusionsverbrennung sofort nach der Kraftstoffeinspritzung auftreten. Um das Auftreten der vorgemischten Verbrennung und folgender Diffusionsverbrennung zu verhindern, wird deshalb die Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs reduziert und die Einspritzstartzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs wird verzögert, wenn sich die erforderliche Last L erhöht, wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist.

Andererseits ist es wahrscheinlich, dass der Hauptkraftstoff verbrannt wird, wenn sich die Temperatur innerhalb der Brennkammer 5 erhöht, selbst wenn die Verbrennungszeitgebung des Hauptkraftstoffs verzögert ist. Demgemäß ist die Einspritzstartzeitgebung θm des Hauptkraftstoffs verzögert, wenn die erforderliche Last L sich erhöht.

Die Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird ermittelt als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N und ist im Voraus gespeichert in dem ROM 32 in der Gestalt eines Kennfelds, wie in Fig. 6A gezeigt ist. Die Einspritzmenge Qm des Hauptkraftstoffs, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird auch ermittelt als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N und ist im Voraus in dem ROM 32 gespeichert in der Gestalt eines Kennfelds, wie in Fig. 6B gezeigt ist. Die Einspritzstartzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs wird auch ermittelt als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N und ist im Voraus gespeichert in dem ROM 32 in der Gestalt eines Kennfelds, wie in Fig. 7A gezeigt ist. Die Einspritzstartzeitgebung θm des Hauptkraftstoffs wird auch ermittelt als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N und ist im Voraus in dem ROM 32 gespeichert in der Gestalt eines Kennfelds, wie in Fig. 7B gezeigt ist. Außerdem wird die Öffnung EG des EGR Steuerventils 23 ermittelt als eine Funktion der erforderlichen Last L und der Motordrehzahl N und ist im Voraus in dem ROM 32 in der Gestalt eines Kennfelds gespeichert, wie in Fig. 8 gezeigt ist.

Fig. 9 zeigt eine Steuerroutine zum Steuern der Motorbetriebe. In Fig. 9 wird anfangs ein Schritt 50 ausgeführt, um die Einspritzmenge Qa des Pilotkraftstoffs auf der Grundlage des in Fig. 6A gezeigten Kennfelds zu berechnen. Schritt 51 wird dann ausgeführt, um die Einspritzstartzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs auf der Grundlage des in Fig. 7A gezeigten Kennfelds zu berechnen. Bei dem nächsten Schritt 52 wird die Einspritzvollendungszeitgebung Eθa des Pilotkraftstoffs berechnet auf der Grundlage der Einspritzmenge Qa, der Einspritzstartzeitgebung θa usw. Schritt 53 wird dann ausgeführt, um die Einspritzmenge Qm des Hauptkraftstoffs zu berechnen auf der Grundlage des in Fig. 6B gezeigten Kennfelds. Schritt 54 wird dann ausgeführt, um die Einspritzstartzeitgebung θm des Hauptkraftstoffs zu berechnen auf der Grundlage des in Fig. 7B gezeigten Kennfelds. Bei dem nächsten Schritt 55 wird die Einspritzvollendungszeitgebung Eθm des Hauptkraftstoffs berechnet auf der Grundlage der Einspritzmenge Qm, der Einspritzstartzeitgebung θm usw. Bei dem folgenden Schritt 56 wird die Öffnung EG des EGR Steuerventils 23 berechnet auf der Grundlage des in Fig. 8 gezeigten Kennfelds.

Während der Pilotkraftstoff nur einmal bei dem in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eingespritzt wird, kann der Pilotkraftstoff mehrere Male während einem Zyklus eingespritzt werden.

Es ist auch möglich, den Betriebsbereich des Motors in den ersten Niedriglastbetriebsbereich I, wobei die erforderliche Last relativ niedrig ist, und den Hochlastbetriebsbereich II zu teilen, wobei die erforderliche Last relativ hoch ist, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Dabei werden der Pilotkraftstoff und der Hauptkraftstoff eingespritzt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, bei dem Niedriglastbetriebsbereich I, und die herkömmliche Verbrennung wird in dem Hochlastbetriebsbereich II durchgeführt.

Eine selbstzündende Brennkraftmaschine wird geschaffen, wobei Hauptkraftstoff eingespritzt wird nachdem Pilotkraftstoff eingespritzt ist, und die Einspritzmenge und Einspritzstartzeitgebung θa des Pilotkraftstoffs sind so eingerichtet, dass eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs ermöglicht wird nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert hat. Die Einspritzstartzeitgebung θm des Hauptkraftstoffs ist so eingerichtet, dass sie zu einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen führen würde, wenn der Pilotkraftstoff nicht eingespritzt werden würde, und dass sie ermöglicht, dass der Hauptkraftstoff verbrannt wird ohne Verursachen einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen, wenn der Pilotkraftstoff eingespritzt wird.

Claims

1. Selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer (5), dadurch gekennzeichnet, dass
Hauptkraftstoff eingespritzt wird nachdem Pilotkraftstoff eingespritzt ist;
dass die Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs auf eine derartige Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung eingerichtet sind, die eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs ermöglichen nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert;
und dass die Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs auf eine derartige Einspritzzeitgebung eingerichtet ist, die zu einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen führen würde, wenn der Pilotkraftstoff nicht eingespritzt werden würde, und die ermöglicht, dass der Hauptkraftstoff ohne Verursachen einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen verbrannt wird nach der Verbrennung des Pilotkraftstoffs, wenn der Pilotkraftstoff eingespritzt wird.

2. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführsystem (22, 23) vorgesehen ist zum Rückführen von Abgas in einen Ansaugkanal hinein, und dass das rückgeführte Abgas zu dem Ansaugkanal (11) zugeführt wird in einer erforderlichen Menge zum Ermöglichen einer vorgemischten Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs.

3. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkraftstoff eingespritzt wird, wenn sich der Kolben in der Nähe des Kompressions-OT befindet, und dass der Hauptkraftstoff eingespritzt wird nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert hat.

4. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einspritzmenge des Pilotkraftstoffs gesteuert wird, um kleiner zu sein als die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffs.

5. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einspritzmenge des Pilotkraftstoffs reduziert wird, wenn die erforderliche Last des Motors sich erhöht.

6. Verfahren zum Steuern einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer (5), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Einspritzen von Hauptkraftstoff nach dem Einspritzen von Pilotkraftstoff;
Einrichten der Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung des Pilotkraftstoffs auf eine derartige Einspritzmenge und Einspritzzeitgebung, die eine vorgemischte Verbrennung des gesamten Pilotkraftstoffs ermöglichen nachdem der Kolben den Kompressions-OT passiert hat; und
Einrichten der Einspritzzeitgebung des Hauptkraftstoffs auf eine derartige Einspritzzeitgebung, die zu einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen führen würde, wenn der Pilotkraftstoff nicht eingespritzt werden würde, und die ermöglicht, dass der Hauptkraftstoff ohne Verursachen einer schlechten Verbrennung oder Fehlzündungen verbrannt wird nach der Verbrennung des Pilotkraftstoffs, wenn der Pilotkraftstoff eingespritzt wird.