DE102004052415A1

DE102004052415A1 - Dieselmotor

Info

Publication number: DE102004052415A1
Application number: DE102004052415A
Authority: DE
Inventors: Yuji Yanagawa; Jun Takemura; Kei Shigahara; Michihiro Hata; Kazuo Kurata
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2005-07-28
Also published as: JP2005133576A; CN100451320C; CN1611758A

Abstract

Ein Dieselmotor weist ein Kraftstoffeinspritzsystem (M) zum Durchführen einer Haupteinspritzung (Jm) mit Hochdruckkraftstoff in eine Brennkammer (7) in der Nähe eines Kompressionstotpunktes und zum Durchführen einer Voreinspritzung (Js) vor der Haupteinspritzung und eine Steuerung (27) auf, die das Einspritzsystem (M) auf der Basis eines Betriebszustandes steuert. Die Steuerung (27) steuert so, daß die Voreinspritzung an einer Position unmittelbar vor der Einlaßventilöffnung in dem letzten Stadium eines Auslaßhubes erfolgt, was die Vormischungsverbrennung fördert, so daß ein Haupteinspritzkraftstoff sofort innerhalb der Brennstoffkammer (7), in welcher die Temperatur erhöht ist, verdampft und verbrannt wird, was die Erzeugungsmenge von NOx und die Aussoßmenge von Rauch (PM) reduziert.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dieselmotor, der eine Voreinspritzung vor einer Haupteinspritzung durchführt, und insbesondere einen Dieselmotor, in welchem die Erzeugung von NOx unterdrückt und die Ausstoßmenge von schwarzem Rauch verringert wird.
In einem Dieselmotor wird zum Reduzieren des in dem Abgas enthaltenen NOx und zum Reduzieren des Geräusches während der Verbrennung der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs verzögert.
Wenn der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs verzögert wird, wird jedoch die Ausstoßmenge an schwarzem Rauch vergrößert. Daher wird die Hochdruckeinspritzung durchgeführt, um die Zerstäubung des Kraftstoffes zu verbessern und um die Ausstoßmenge von schwarzem Rauch zu verringern. Jedoch wird in diesem Falle die Verbrennungstemperatur erhöht und die Ausstoßmenge an NOx erhöht.
Auf diese Weise stehen in dem Dieselmotor die Unterdrückung der NOx-Erzeugung und die Reduzierung der Ausstoßmenge an schwarzen Rauch in einer Widerspruchsbeziehung, wodurch es schwierig war, beide zu verbessern. Somit wird eine Piloteinspritzung (Voreinspritzung) getrennt zu einem Zeitpunkt 20 bis 60° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Kompressionstotpunkt vor der Haupteinspritzung durchgeführt, um ein mageres Gemisch innerhalb einer Brennkammer auszubilden, um die Erzeugung von NOx und der Abgasmenge von Rauch (PM) zu reduzieren.
Beispielsweise steuert in dem Falle, in welchem ein Kraftstoffeinspritzsystem ein "Common Rail"-System ist, eine Motorsteuerung den Antriebszeitpunkt (Einspritzzeitpunkt) der Hochdruckeinspritzdüse und die Erregungszeit (Kraftstoffeinspritzmenge) für eine elektromagnetische Spule, um die Haupteinspritzung und Piloteinspritzung vor dieser zu implementieren.
In dem Falle, in welchem das Kraftstoffeinspritzsystem eine Verteilereinspritzpumpe ist, ist ein schließendes elektromagnetisches Ventil in einem Einspritzrohrkanal zwischen einer Nadel und einer Düse vorgesehen und wird geöffnet und geschlossen, um die Erregungszeit (Kraftstoffeinspritzmenge) für eine Spule des schließenden elektromagnetischen Ventils zu jedem Zeitpunkt der Piloteinspritzung (vorläufigen Einspritzung) und der Haupteinspritzung zu steuern, um die Haupteinspritzung und die Piloteinspritzung vor dieser zu implementieren.

In JP-A-10-141124 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem unter Verwendung eines Common-Rail-Systems offenbart, welche eine erste Voreinspritzung Js in dem frühen Stadium des Ansaughubs, eine Piloteinspritzung Jp, die eine zweite Voreinspritzung in der Mitte oder in einem späteren Stadium des Kompressionshubs ist, und eine Haupteinspritzung Jm in der Nähe des oberen Kompressionstotpunktes gemäß Darstellung in 8 durchführt.

Hierin wird ein mageres Gemisch (nicht gezündet aufgrund der großen Wärmekapazität) durch die erste Voreinspritzung Js zusammen mit einem Fortschritt des Kompressionshubs erzeugt, und in diesem Zustand wird die Piloteinspritzung Jp durchgeführt, so daß ein Piloteinspritzungskraftstoff sofort verdampft und teilweise selbst gezündet wird. Dann wird zum Zeitpunkt der Haupteinspritzung Jm der Haupteinspritzungs kraftstoff innerhalb der Brennkammer sofort verdampft und verbrannt, in welcher die Temperatur aufgrund beider Voreinspritzungen erhöht ist, und das magere Gemisch aufgrund der beiden Voreinspritzungen wird auf einmal verbrannt. In diesem Falle werden die erste Einspritzmenge Js, die Piloteinspritzmenge Jp und die Haupteinspritzmenge Jm so eingestellt, daß die Erzeugung von NOx unterdrückt und die Ausstoßmenge von Rauch (PM) reduziert wird.

Auch in JP-A-2003-97328 ist ein Kraftstoffeinspritzsystem unter Verwendung eines Common-Rail-Systems offenbart, in welchem die Auslaßtotpunk-Einspritzung für die Einspritzung des Kraftstoffs in der Nähe des oberen Auslaßtotpunktes (BTDC 320° bis 340°) durchgeführt wird, wie es in 8 dargestellt ist. Um zu verhindern, daß die Totpunktmitteneinspritzung zwischen einer Ventilüberlappungsperiode erfolgt, ist ein variabler Ventilzeitsteuermechanismus vorgesehen, um einen Ventilöffnungszeitpunkt eines Einlaßventils zu verzögern, um die Überlappungsperiode zu verkürzen, um dadurch zu verhindern, daß der Einspritzkraftstoff aufgrund der Auslaßtotpunkt-Mitteneinspritzung innerhalb des Zylinders verbleibt und bei dem nächsten Zyklus verbrannt wird. Ferner wird, wenn die bei einer Zylinderbohrung ankommende Kraftstoffmenge größer als ein zulässiger Wert ist, die Nacheinspritzung mehrere Male durchgeführt, um ein Bohrungsspülen zu verhindern. Bei dieser herkömmlichen Technik ist jedoch ein variabler Ventilzeitsteuermechanismus erforderlich, und der Aufbau ist komplex, so daß die Kosten nachteilig erhöht werden. Ferner ist es erforderlich, die Untereinspritzung mehrere Male durchzuführen, um das Bohrungsspülen zu verhindern.

Im Übrigen untersuchten in einem Dieselmotor mit Vormischkompressions-Zündsystem, in welchem die Haupteinspritzung und die Voreinspritzung vor dieser durchgeführt werden und ein mageres Gemisch bei dem Kompressionshub erzeugt wird, die vorliegenden Erfinder die Zunahme- und Abnahmekennlinien der Erzeugungsmenge von NOx und der Ausstoßmenge von Rauch (PM) in jedem Fahrzustand, indem sie den vorläufigen Einspritzzeitpunkt nach vorne verschoben oder verzögerten, um die Kennlinien aufzuklären.

Hierin wurden zum Vorverschieben oder verzögern des Voreinspritzzeitpunktes ein Mehrzylinderdieselmotor mit EGR (Abgasrückführung) bei 2000 U/min und einer mittleren Effektivdruck von 0,6 MPa betrieben, wobei der Haupteinspritzzeitpunkt 0,6° vor dem oberen Totpunkt war. Hierin wurde die Erzeugung von NOx und die Ausstoßmenge von Rauch (PM) in Abhängigkeit von der Änderung in dem Voreinspritzzeitpunkt gemessen, die Kennlinien der gemessenen Werte sind in den 5 und 6 dargestellt.

Die Erzeugungsmenge von NOx nimmt vor und nach dem Einlaßventilöffnungszeitpunkt ab, während der Voreinspritzungszeitpunkt bei dem Auslaßhub erfolgt, und nimmt leicht zu in einem Bereich bis zu der Auslaßventilschließposition nach dem oberen Totpunkt bei dem Einlaßhub, in welchem der Voreinspritzzeitpunkt nach dem Ansaugtotpunkt TDC erfolgt, und nimmt dann ab. Es liegt eine relativ kleine Veränderung in der Erzeugungsmenge von NOx vor, wenn der Voreinspritzzeitpunkt in einem Bereich vor und hinter dem Ansaugtotpunkt TDC geändert wird.

Andererseits nimmt abhängig von einer Änderung in dem Voreinspritzzeitpunkt die Erzeugungsmenge von Rauch (PM) vor und nach dem Einlaßventilöffnungszeitpunkt stark zu oder ab, wenn der Voreinspritzzeitpunkt bei dem Auslaßhub erfolgt, und nimmt plötzlich in einem Bereich nach der Auslaßventilschließposition bei dem Einlaßhub zu, in welchem der Voreinspritzzeitpunkt nach dem oberen Totpunkt TDC auftrifft.

Auf diese Weise hat man herausgefunden, daß, wenn der Voreinspritzzeitpunkt in dem Bereich vor und nach dem Ansaugtotpunkt TDC geändert wird, die Erzeugungsmenge von Rauch (PM) plötzlich in dem Bereich nach der Auslaßventilschließposition bei dem Einlaßhub zunimmt, und stark vor dem Einlaßventilöffnungszeitpunkt bei dem Auslaßhub abnimmt.

Daher wird bei einem Dieselmotor mit Vormischkompressions-Zündsystem, in welchem die Haupteinspritzung und die Voreinspritzung durchgeführt werden, angenommen, daß die Voreinspritzung effektiv in einem Ansaug-TOP-Bereich Einj auszuführen ist, der ein vorbestimmter Bereich vor dem Einlaßventilöffnungszeitpunkt bei dem Auslaßhub ist, um die Erzeugungsmenge von NOx und die Ausstoßmenge von Rauch (PM) zu reduzieren.

In dem Dieselmotor mit Vormischkompressions-Zündsystem gemäß Offenbarung in JP-A-10-141124 wird, obwohl die erste Voreinspritzung Ts, die Piloteinspritzung Tp und die Haupteinspritzung Tm mit entsprechenden vorbestimmten Einspritzmengen durchgeführt werden, um die Erzeugungsmengen von NOx und die Erzeugungsmenge von Rauch (PM) zu reduzieren, die erste Vorspritzeinspritzung Ts in dem frühen Stadium des Einlaßhubs unmittelbar nach dem Schließen des Auslaßventils (in der Position mit dem Zeichen P1 in 8) mit einem Risiko durchgeführt, daß die Ausstoßmenge von Rauch(PM) nicht vollständig im Hinblick auf die Kennlinien von 6 reduziert wird.

Auch in dem Dieselmotor mit Vormischkompressions-Zündsystem gemäß Offenbarung in JP-A-2003-97328 wird, obwohl das Auftreten einer anormalen Verbrennung und Veränderung des Ausgangsdrehmomentes und das Auftreten einer Bohrungsspülung unterdrückt werden, die Auslaßeinspritzung am oberen Totpunkt bei dem Einspritzhub durchgeführt, und es liegt nur eine kur ze Periode bis zu der Haupteinspritzung vor, so daß die volle Vormischperiode nicht erzielt wird. Ferner ist ein variabler Ventilzeitsteuermechanismus erforderlich, welcher die Struktur komplexer macht. Ferner wird, wenn die Kraftstoffankunftsmenge, die bei der Bohrung ankommende Kraftstoffmenge groß ist, die Einspritzung in mehrere Male unterteilt, wodurch die Steuerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes komplexer ist, und die Kraftstoffeinspritzmenge, die bei einem mal der Voreinspritzung eingespritzt wird kleiner ist, so daß ein Risiko besteht, daß die vollständige Vormischung innerhalb der Brennkammer nicht erzeugt wird.

Ferner wird die Gesamtmenge des bei der Zylinderbohrung ankommenden Kraftstoffes nicht konsequent verändert, da der Kraftstoff einfach unterteilt wird, um bei der Zylinderbohrung anzukommen, so daß eine große Bohrungsspülung beseitigt wird, indem eine kleine Bohrungsspülung bewirkt wird, dabei wird jedoch nicht fundamental das Auftreten der Bohrungsspülung verhindert.

Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der vorstehenden Umstände erzielt und ist in den Ansprüchen spezifiziert. Es ist ein Vorteil der Erfindung, einen Dieselmotor bereitzustellen, der eine Voreinspritzung in einem Auslaßhubbereich durchführt, um eine vollständige Vormischzeit zu erhalten, ohne den Kraftstoff sofort zu zünden und die Vormischungsverbrennung zu fördern, wodurch ein Haupteinspritzungskraftstoff in einer Brennkammer, in welcher die Temperatur: erhöht ist, sofort verdampft und verbrannt wird, um die Erzeugungsmenge von NOx und Ausstoßmenge von Rauch (PM) zu reduzieren.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Dieselmotor (1) mit einem Kraftstoffeinspritzsystem zum Durchführen einer Haupteinspritzung mit Hochdruckkraftstoff in eine Brennkammer in der Nähe eines oberen Kompressionstotpunktes und zum Durchführen einer Voreinspritzung vor der Haupteinspritzung, und eine Steuerung zum Steuern des Einspritzsystems auf der Basis eines Fahrzustands bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung das Auftreten der Voreinspritzung vor der Einlaßventilöffnung in dem letzten Stadium eines Auslaßhubs steuert.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt den Dieselmotor gemäß dem ersten Aspekt bereit, dadurch gekennzeichnet, daß der Dieselmotor einen Hohlraum an der Oberseite eines Kolbens besitzt, wobei die Steuerung das Auftreten der Voreinspritzung vor der Einlaßventilöffnung in dem letzten Stadium des Auslaßhubs steuert, und zu dem Zeitpunkt, wenn ein Kraftstoff vollständig innerhalb des Hohlraums vorliegt.

Ferner stellt ein dritter Aspekt der Erfindung den Dieselmotor gemäß dem zweiten Aspekt bereit, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreinspritzung durch eine einmalige Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird.

Ferner stellt ein vierter Aspekt der Erfindung den Dieselmotor gemäß dem dritten Aspekt bereit, dadurch gekennzeichnet, daß der Dieselmotor ein Common-Rail-System besitzt, wobei die Steuerung die Kraftstoffeinspritzzeitperioden steuert, indem sie einen Kraftstoffdruck innerhalb der Sammelleistung (common rail) einstellt, so daß die Voreinspritzung vor der Einlaßventilöffnung in dem letzten Stadium des Auslaßhubes erfolgt, und zu dem Zeitpunkt, wenn ein Kraftstoff vollständig innerhalb des Hohlraums vorliegt.

Ferner stellt ein fünfter Aspekt der Erfindung den Dieselmotor gemäß dem zweiten oder vierten Aspekt bereit, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung das Auftreten der Voreinspritzung zu dem Zeitpunkt steuert, wenn ein Kraftstoff vollständig an einer Innenwand des Hohlraums ankommt.

Gemäß dem ersten Aspekt erfolgt die Voreinspritzung bei dem Einspritzstartzeitpunkt so, daß der Voreinspritzungskraftstoff auf die Innenwand oder obere Wandfläche des Hohlraums auf der Oberseite des Kolbens eingespritzt wird, in welchem der Kraftstoff bei einer relativ niedrigen Temperatur innerhalb des Zylinders zugeführt wird und nicht sofort gezündet wird, um eine vollständige Vormischzeit zu erreichen, und um die Vormischungsverbrennung zu fördern, wodurch der Haupteinspritzungskraftstoff sofort innerhalb der Brennkammer, in welcher die Temperatur erhöht ist, verdampft und verbrannt wird, was die Erzeugungsmenge von NOx und die Ausstoßmenge von Rauch (PM) reduziert. Da die vollständige Vormischung durchgeführt und die Vormischungsverbrennung durch den Voreinspritzkraftstoff gefördert wird, wird der Vormischungsverbrennungsbereich während der Haupteinspritzzeitperiode verringert, was zu einer Diffusionsverbrennung führt, um dadurch die Erzeugungsmenge von NOx sowie die Ausstoßmenge von PM, zu verringern, nämlich den Kompromiß zwischen PM und NOx verbessern.

Gemäß dem zweiten Aspekt erfolgt der Voreinspitzzeitpunkt zu dem Einspritzstartzeitpunkt wie in dem ersten Aspekt, wodurch der Voreinspritzkraftstoff so eingespritzt wird, daß er vollständig innerhalb des Hohlraums bei dem oberen Abschnitt des Kolbens vorliegt, in welchem der Kraftstoff bei relativ niedriger Temperatur innerhalb des Zylinders zugeführt wird, und nicht sofort gezündet wird, um eine vollständige Vormischzeit zu erreichen, und um die Vormischungsverbrennung (gleichmäßige Verbrennung) zu erreichen. Der Haupteinspritzkraftstoff wird sofort innerhalb der Brennkammer, in welcher die Temperatur erhöht ist, verdampft und verbrannt, was die Ausstoßmenge von Rauch (PM) reduziert. Und da der Voreinspritzkraftstoff vollständig innerhalb des Hohlraums vorliegt, wird sicher ein Anhaften des Einspritzkraftstoffs an der Innenwand des Zylinders verhindert und die Ölverdünnung unterdrückt.

Gemäß dem dritten Aspekt wird die Kraftstoffeinspritzsteuerung in dem zweiten Aspekt vereinfacht.

Gemäß dem vierten Aspekt erfolgt die Voreinspritzung vor der Einlaßventilöffnung in dem letzten Stadium des Auslaßhubs und zu dem Zeitpunkt, wenn der Kraftstoff vollständig innerhalb des Hohlraums vorliegt, selbst unter den Bedingungen, daß die Drehzahl hoch und die Einspritzmenge in dem dritten Aspekt groß ist.

Gemäß dem fünften Aspekt erfolgt die Voreinspritzung zu dem Zeitpunkt, wenn der Kraftstoff vollständig an der Innenwand des Hohlraums ankommt, was ferner verhindert, daß der Einspritzkraftstoff an der Innenwand des Zylinders in dem zweiten oder vierten Aspekt anhaftet.

Die Art dieser Erfindung sowie weitere Aufgaben und Vorteile davon werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Teile durchgängig durch die Figuren bezeichnen. In den Zeichnungen sind:
1 eine schematisch Gesamtübersicht eines Dieselmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Funktionsblockdarstellung einer Kraftstoffzuführungssteuereinheit in dem Dieselmotor von 1;
3 ein Betriebskennliniendiagramm eines Kraftstoffeinspritzsystems für Voreinspritzung und Haupteinspritzung in dem Dieselmotor von 1;
4 ein Betriebskennliniendiagramm des Kraftstoffeinspritzsystems für einen Voreinspritzbereich in dem Dieselmotor von 1;
5 ein Kennliniendiagramm der Ausstoßmenge von NOx bei variablen Einspritzzeitpunkten in der Voreinspritzung vor der Haupteinspritzung in dem Dieselmotor;
6 ein Kennliniendiagramm der Ausstoßmenge von Rauch bei variablen Einspritzzeitpunkten in der Voreinspritzung vor der Haupteinspritzung in dem Dieselmotor;
7 ein Flußdiagramm einer Kraftstoffzuführungssteuerroutine, die durch eine ECU in dem Dieselmotor ausgeführt wird; und
8 ein Betriebskennliniendiagramm eines Voreinspritzbereichs, einer Piloteinspritzung und einer Haupteinspritzung Jm, die von der ECU in dem herkömmlichen Dieselmotor durchgeführt werden.
1 stellt einen Gesamtaufbau eines Dieselmotors 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und ein auf dem Hauptkörper 2 des Dieselmotors (hierin einfach nachstehend als Motor bezeichnet) angebrachtes Kraftstoffeinspritzsystem M dar.
Der Hauptkörper 2 des Motors 1 weist einen Zylinderblock 3, einen integriert mit dessen Oberseite verbundenen Zylinderkopf 4, eine Kopfabdeckung und eine Ölwanne, welche nicht dargestellt sind, auf. Der Motor 1 ist ein Mehrzylindermotor mit mehreren Zylindern desselben Aufbaus, wobei jedoch zur Vermeidung einer doppelten Erläuterung nur ein Zylinder beschrieben wird. Hierin weist der Zylinderblock 3 einen Kolben 6 auf, welcher vertikal verschiebbar innerhalb eines Innenzylinders 5 angeordnet ist, und bildet eine Brennkammer 7 mit einem variablen Volumen zwischen dem Zylinder 5, dem Kolben 6 und einer unteren Wand des Zylinderkopfes 4 aus.
Auf der unteren Wand des Zylinderkopfes 4 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 8 gegenüber der Brennkammer 7 angeord net, und eine Einlaßöffnung 11, die durch ein Einlaßventil 9 geöffnet oder geschlossen wird, und eine Auslaßöffnung 13, die durch ein Auslaßventil 12 geöffnet oder geschlossen wird, sind an Positionen, welche sich nicht mit dem Kraftstoffeinspritzventil 8 überschneiden, angeordnet. Das Einlaßventil 9 und das Auslaßventil 12 werden durch ein nicht dargestelltes Ventilantriebssystem geöffnet oder geschlossen, welches die Drehung einer Motorkurbelwelle empfängt.
Die Einlaßöffnung 11 führt Luft von einem Einlaßkanal IN in die Brennkammer 7 ein, wenn das Einlaßventil 9 offen ist.
Ein Drosselklappenventil 17 zum Einstellen der Ansaugluftmenge Qa kann vorgesehen sein. Die Auslaßöffnung 13 ist dafür ausgebildet, ein Abgas aus der Kraftstoffbrennkammer 7 an einen Auslaßkanal EX mit einem nicht dargestellten Abgasreiniger auszugeben, wenn das Auslaßventil 12 offen ist. Der Abgasreiniger ist ein allgemein bekannter Abgasreiniger mit kontinuierlicher Regeneration, in welchem ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter in Reihe angeordnet sind.
Ein EGR-(Abgasrückführungs)-Kanal 21 mit einem EGR-Steuerventil 19 ist in der Mitte zwischen der Einlaßöffnung 11 und der Auslaßöffnung 13 angeordnet, um dadurch eine Auslaßrückführungseinheit (EGR-Einheit) 16 für die Rückführung des Abgases der Auslaßöffnung 14 in die Einlaßöffnung 11 zum Unterdrücken der Abgasmenge des NOx auszubilden.
Der Kolben 6 ist mit einem Hohlraum 22 auf seiner oberen Wand versehen, und wenn der Kolben nahe an dem oberen Totpunkt ankommt, werden Kraftstoffpartikel durch mehrere von Düsenlöchern des Kraftstoffeinspritzventils 8 auf eine Innenumfangswand 221 des Hohlraums eingespritzt.
Hierin ist der Einspritzwinkel β der Kraftstoffpartikel durch die mehreren Düsenlöcher des Kraftstoffeinspritzventils 8 und die Öffnungsform des Hohlraums 22 so eingestellt, daß der Einspritzkraftstoff vollständig an der. Innenwand des Hohlraums 22 in einem Bereich des Kurbelwellenbereichs Ein ankommt, und der Einspritzkraftstoff teilweise oder vollständig außerhalb des Hohlraums 22 in einem vom oberen Totpunktverschobenen Bereich Eout entfernt von dem Kurbelwellenwinkelbereich Ein ankommt, wie es in 3 und 4 dargestellt ist.
Gemäß Darstellung in 1 bilden das Kraftstoffeinspritzventil 8, eine für jeden Zylinder gemeinsame Sammelleitung 24 und eine Kraftstoffpumpe 25, die wesentlichen Teile des Kraftstoffeinspritzsystems M. Hierin wird der Kraftstoff eines Kraftstofftanks 38 über ein Kraftstoffzuführungsleitung 18 und die Kraftstoffpumpe 25 der Sammelleitung 24 zugeführt. Der der Sammelleitung 24 zugeführte Kraftstoff wird durch jedes für jeden Zylinder vorgesehene Einspritzrohr 23 dem Kraftstoffeinspritzventil 8 zugeführt. Ein Kraftstoffdrucksensor 26 zum Messen des internen Kraftstoffdrucks ist an der Sammelleitung 24 angebracht, wobei ein Ausgangssignal (Sammelleitungsdruck) Pr des Kraftstoffdrucksensors 26 an die Motorsteuereinheit (hierin nachstehend als ECU bezeichnet) 27 ausgegeben wird. Eine Leitungsdrucksteuereinheit der ECU 27 steuert die Abgabemenge der Kraftstoffpumpe 25 so, daß der Leitungsdruck Pr innerhalb der Sammelleitung 24 zu einem Soll-Kraftstoffdruck wird.
Obwohl das Kraftstoffeinspritzventil 8 und das Kraftstoffzuführungssystem für den ersten Zylinder in 1 dargestellt sind, besitzen weitere Zylinder ebenfalls das Kraftstoffeinspritzventil und das Kraftstoffzuführungssystem mit demselben Aufbau, wobei jedes elektromagnetische Betätigungselement mit der ECU 27 verbunden ist.
Die ECU 27 besteht aus einem digitalen Computer mit einem ROM (Nur-Lesespeicher) 29, einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 31, einer CPU (Mikroprozessor) 32, einem Eingangsanschluß 33 und einem Ausgangsanschluß 34, welche miteinander über einen bidirektionalen Bus 28 verbunden sind, und welcher insbesondere die Funktion einer Kraftstoffzuführungs-Steuereinrichtung besitzt.
Ein Belastungssensor (z.B. ein Gaspedal-Auslenkungssensor) 37 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung proportional zu dem Betätigungsbetrag (Gaspedalwinkelauslenkung) θa des Gaspedals 36 ist mit einem Gaspedal 35 des Fahrzeugs verbunden, wobei die Ausgangsspannung des Belastungssensors 37 über einen nicht dargestellten AD-Wandler in den Eingangsanschluß 33 eingegeben wird. Ferner ist mit dem Eingangsanschluß 33 ein Kurbelwellenwinkelsensor 39 zum Erzeugen eines Ausgangsimpulses δθ (Motordrehzahlsignal) jedesmal, wenn sich eine nicht dargestellte Kurbelwelle beispielsweise um 30° dreht, verbunden. Und ein Zylinderdiskriminator 42 ist parallel mit dem Kurbelwellenwinkelsensor 39 verbunden, um dadurch ein Diskriminationssignal δc für jeden spezifischen Zylinder des Mehrzylindermotors auszugeben. Andererseits ist der Ausgangsanschluß 34 über ein Einspritzventiltreiberschaltung D2 (siehe 2) mit dem Kraftstoffeinspritzventil 8, über eine Pumpentreiberschaltung C1 (siehe 2) mit der Kraftstoffpumpe 25, und über eine nicht dargestellte Treiberschaltung mit dem EGR-Steuerventil 19 verbunden.
Die ECU steuert das Kraftstoffeinspritzventil 8, die Kraftstoffpumpe 25 und das EGR-Steuerventil 19 durch Lesen der Detektionssignale aus dem Kurbelwellenwinkelsensor 39, dem Belastungssensor 37 und dem Krafstoffdrucksensor 26.
Hierin funktioniert die ECU 27 als eine Kraftstoffzuführungs-Steuereinrichtung und hat die Funktionen gemäß Darstellung in 2.
Das heißt, die Kraftstoffzuführungs-Steuereinrichtung steuert einen Einspritzbetrag-Operationsabschnitt A1, einen Leitungsdruck-Operationsabschnitt A2 und einen Einspritzzeitpunkt-Operationsabschnitt A3 durch Lesen der Motordrehzahl Ne, der Gaspedalwinkelauslenkung θa als Motorbelastung und des Leitungsdruckes Pr.
Der Einspritzbetrag-Operationsabschnitt A1 der Kraftstoffsteuereinrichtung führt eine Rechenoperation für die Haupt- und Voreinspritzmengen Qm und Qs in Abhängigkeit von einem Kennfeld mp1 aus, in welchem das Einspritzmengenkennfeld mp1 den gesamten Betriebsbereich des Motors auf der Basis der Motordrehzahl Ne und der Gaspedalwinkelauslenkung θa in eine vorbestimmte Anzahl von Bereichen eq unterteilt, und die optimalen Haupt- und Voreinspritzmengen Qm und Qs für jeden eingeteilten Betriebsbereich einstellt.
Der Leitungsdruck-Operationsabschnitt A2 der Kraftstoffzuführungs-Steuereinrichtung führt eine Rechenoperation für einen Solldruck Pro in Abhängigkeit von einem Leitungsdruckkennfeld mp2 aus, in welchem. das Leitungsdruckkennfeld mp2 die Einspritzmenge Qf (= Qm + Qs) in drei Mengen von groß, mittel und klein unterteilt und den Leitungsdruck Pro entsprechend der Motordrehzahl Ne mit diesen drei Mengen als Parametern einstellt. Dieser Leitungsdruck Pro wird in die Pumpentreiberschaltung D1 eingegeben, in welcher die Abgabemenge der Kraftstoffpumpe 25 so gesteuert wird, daß der Leitungsdruck Pr innerhalb der Sammelleitung 24 zu dem Soll-Leitungsdruck Pro wird.
Ferner unterteilt der Einspritzbetrag-Operationsabschnitt A1 den Soll-Leitungsdruck Pro aus dem Leitungsdruck-Opera tionsabschnitt A2 in drei Druckbereiche, das heißt, Pra oder kleiner, Prb (> Pra) oder kleiner und Prc (> Prb) oder kleiner. Daher besitzt er Kennfelder mp3a bis mp3c (siehe 2) zum Ausführen einer Rechenoperation für die Haupt- und Voreinspritzzeitperioden Tm, Ts (siehe 3), die den Haupt- und Voreinspritzmengen Qm, Qs für jeden unterteilten Bereich des Leitungsdruckes Pro entsprechen. Der Einspritzbetrag-Operationsabschnitt A1 erhält die Kennfelder mp3a bis mp3c für die unterteilten Bereiche des Leitungsdruckes Pro und führt eine Berechnungsoperation für die optimalen Haupt- und Voreinspritzzeitperioden Tm, Ts gemäß diesen Kennfeldern aus.
Diese Haupt- und Voreinspritzzeitperioden Tm, Ts werden in einen Einspritzzeitperioden-Steuerabschnitt der Einspritzventiltreiberschaltung D2 eingegeben.
Der Einspritzzeitpunkt-Operationsabschnitt A3 der Kraftstoffzuführungs-Steuereinrichtung führt eine Rechenoperation für den Haupteinspritzzeitpunkt tm und den Voreinspritzzeitpunkt ts gemäß einem Kennfeld mp4 aus. Hierin unterteilt das Einspritzzeitpunkt-Kennfeld mp4 den gesamten Betriebsbereich des Motors auf der Basis der Motordrehzahl Ne und der Gaspedalwinkelauslenkung θa in eine vorbestimmte Anzahl von Bereichen et und stellt den Haupteinspritzzeitpunkt tm und den Voreinspritzzeitpunkt ts für jeden unterteilten Betriebsbereich optimal ein.
Ferner gibt der Einspritzzeitpunkt-Operationsabschnitt A3 den erzielten Haupteinspritzzeitpunkt tm und Voreinspritzzeitpunkt ts in einen Einspritzzeitpunkt-Steuerabschnitt der Einspritzventiltreiberschaltung D2 ein.
Hierin wird der Haupteinspritzzeitpunkt tm relativ früh in dem Hochdrehzahl-, Hochlastbereich und relativ spät in dem Mitteldrehzahl-, Mittellastbereich und Niedrigdrehzahl-. Niedriglastbereich eingestellt.
Andererseits ist der Voreinspritzzeitpunkt ts so eingestellt, daß er an der Position unmittelbar vor der Einlaßventilöffnung (siehe 4) in dem letzten Stadium des Auslaßhubs (vor dem Einlaßtotpunkt) und in dem Kurbelwellenwinkelbereich Ein (siehe 3 und 4) erfolgt, in welchem der Kraftstoff vollständig an der Innenwand des Hohlraums 22 ankommt.
Obwohl in diesem Falle der Voreinspritzzeitpunkt tsb so eingestellt ist, daß er in dem Kurbelwellenwinkelbereich Ein erfolgt, in welchem der Kraftstoff vollständig an der Innenwand des Hohlraums 22 ankommt, reicht es grundsätzlich aus sicher zu verhindern, daß Kraftstoffpartikel der Voreinspritzung an die Innenwand des Zylinder spritzen und hängen bleiben, um die Ölverdünnung zu unterdrücken. Daher kommen in einem Betriebsbereich, in welchem Kraftstoffpartikel in die Nähe des Umfangsabschnittes (siehe 1) des Hohlraums 22 auf der oberen Wand des Kolbens spritzen, die Kraftstoffpartikel nicht an der Innenwand des Zylinders an, wodurch der Kraftstoff nicht vollständig an der Innenwand des Hohlraums 22 ankommen kann. Das heißt es ist nur erforderlich, daß Kraftstoffpartikel innerhalb des Hohlraums 22 vorliegen und daß die zulässige Breite für die Vorverschiebung des Voreinspritzzeitpunktes ts unter diesem Gesichtspunkt erweitert wird.
Obwohl die Voreinspritzung von diesen Voreinspritzzeitpunkt ts für eine vorbestimmte Einspritzzeitperiode Ts aus erfolgt, ist der Voreinspritzzeitpunkt tsb ausreichend vorverlegt, um keinen Betriebsbereich zu haben, in welchem die vorbestimmte Einspritzzeitperiode Ts in den Verzögerungswinkel von der Position unmittelbar vor der Einlaßventilöffnung aus (nach rechts in den 3 und 4) verschoben ist.
Das heißt die Kraftstoffeinspritzung wird innerhalb der Einj-Periode gemäß Darstellung in den 5 und 6 gestartet und beendet.
Im Betrieb des Motors führt die Kraftstoffzuführungs-Steuereinrichtung der ECU 27 eine Kraftstoffzuführungs-Steuerroutine von 7 aus.
Die ECU 27 steuert eine Abgasrückführungseinheit 16 (EGR-Einheit) zum Vermindern der Ausstoßmenge an NOx in einer nicht dargestellten Hauptroutine, um die andere allgemein bekannte Motorsteuerung durchzuführen, um den Schritt s1 der Kraftstoffzuführungssteuerungsroutine von 7 zu erreichen. Bei dem Schritt s1 werden die Motordrehzahl Ne, die Gaspedalwinkelauslenkung θa der Motorbelastung und eine weitere, nicht dargestellte, Motorbetriebsinformation eingelesen. Bei dem Schritt s2 wird der Motorbetriebsbereich eq (siehe mp1 in 2), welcher der Motordrehzahl Ne und dem Gaspedalwinkelauslenkung θa entspricht erhalten, um eine Rechenoperation für die Haupt- und Voreinspritzmengen Qm und Qs durchzuführen, die dem Motorbetriebsbereich eq entsprechen. Bei dem Schritt s3 wird eine Summe der Haupt- und Voreinspritzmengen Qm und Qs als die Einspritzmenge Qf (= Qm + Qs) berechnet. Welcher von den drei unterteilten Einspritzmengen Groß, Mittel und Klein, der Einspritzmenge Qf in dem Leitungsdruckkennfeld mp2 entspricht, wird dann mittels einer Rechenoperation ermittelt, wodurch die (als Groß, Mittel und Klein in dem Kennfeld mp2 angegebene) Kennlinienkurve für den ermittelten Einspritzmengenbereich und den Leitungsdruck Pro, welcher der der Motordrehzahl Ne entsprechende Sollwert ist, erzielt wird.
Bei dem Schritt s4 wird, welcher von den drei Leitungsdruckbereichen, Groß (Prc oder größer), Mittel (Prc > Prb > Prs) und Klein (Pra oder kleiner) der erhaltene Leitungsdruck Pro ist, in den der Sollwert fällt, durch eine Rechenoperation erhalten. Dann wird eines von den Leitungsdruckkennfeldern mp3a bis mp3c2 (siehe 2) für den Leitungsdruckbereich ausgewählt, und die Haupt- und Voreinspritzzeitperioden Tm und Ts, die den Haupt- und Voreinspritzmengen Qm und Qs entsprechen, unter Verwendung des ausgewählten Leitungsdruckkennfeldes erhalten.
Bei dem Schritt s5 wird der der Motordrehzahl Ne und der Gaspedalwinkelauslenkung θa entsprechende Motorbetriebsbereich erhalten, und die dem Motorbetriebsbereich et entsprechenden Haupt- und Voreinspritzzeitpunkte tm und ts werden berechnet.
Danach werden bei dem Schritt s6 die Haupt- und Voreinspritzzeitperioden Tm und Ts in einen Einspritzzeitperioden-Steuerabschnitt d2-1 der Einspritzventiltreiberschaltung D2 eingegeben und der Haupteinspritzzeitpunkt tm und der Voreinspritzzeitpunkt ts werden in einen Einspritzzeitpunkt-Steuerabschnitt d2-2 eingegeben. Dadurch zählt die Einspritzventiltreiberschaltung D2 das Diskriminationssignal δc und den Ausgangsimpuls δq (Einheit des Kurbelwellenwinkelsignals), führt die Voreinspritzung Js für die Voreinspritzzeitperiode Ts von dem Voreinspritzzeitpunkt ts aus durch, und führt die Haupteinspritzung Jm für die Haupteinspritzzeitperiode Tm von dem Haupteinspritzzeitpunkt tm aus durch.
Ferner wird bei dem Schritt s7 der erhaltene Leitungsdruck Pro des Sollwertes in die Pumpentreiberschaltung D1 eingegeben. Dadurch steuert die Pumpentreiberschaltung D1 den Betrieb der Kraftstoffpumpe 25 so, daß der momentane Leitungsdruck Prn mit dem Solldruck Pro übereinstimmt.
Dadurch wird die Kraftstoffeinspritzung so gesteuert, daß eine Kraftstoffeinspritzung an der Position unmittelbar vor der Einlaßventilöffnung (siehe 4) bei dem letzten Stadium des Auslaßhubs (vor dem oberen Einlaßtotpunkt) erfolgt, und in dem Kurbelwellenwinkelbereich Einj (siehe 5 und 6) zu dem Zeitpunkt, wenn der Kraftstoff vollständig an der Innenwand des Hohlraums 22 ankommt.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Kraftstoffpartikel durch die Voreinspritzung Js nicht sofort gezündet, um eine vollständige Vormischzeit zu erreichen, da die Zylindertemperatur relativ niedrig ist, wodurch die Vormischungsverbrennung (gleichmäßige Verbrennung) gefördert wird und der Kraftstoff durch die Haupteinspritzung Jm, innerhalb der Brennkammer 7, in welcher die Temperatur erhöht ist, sofort verdampft und verbrannt wird, was die Erzeugungsmengen von NOx und Rauch (PM) reduziert.
Da der Voreinspritzkraftstoff vollständig an der Innenwand des Hohlraums 22 ankommt, wird der Kraftstoff an einem Anhaften an der Innenwand des Zylinders 5 gehindert, und eine Ölverdünnung sicher unterdrückt.
Ferner wird, da die vollständige Vormischung des Kraftstoffs durch die Voreinspritzung Js durchgeführt wird, und die Vormischungsverbrennung begünstigt wird, der Vormischungsverbrennungsbereich relativ während der Haupteinspritzzeitperiode verringert, um zu einer Diffusionsverbrennung zu führen, so daß die Mengen von NOx und PM reduziert werden, das heißt der Kompromiß zwischen PM und NOx verbessert wird.
Obwohl in der vorstehenden Erläuterung die Voreinspritzung Js nur bei dem Auslaßhub vor der Haupteinspritzung Jm durchgeführt wird, kann die Piloteinspritzung Jp (siehe die Kettenlinie mit zwei Punkten in 3) nach der Voreinspritzung Js und unmittelbar vor der Haupteinspritzung Jm durchgeführt werden, um die Menge an NOx zu reduzieren, oder die Nacheinspritzung Js (siehe Kettenlinie mit zwei Punkten in 3) kann bei einer vorbestimmten Kurbelwellenwinkelposition unmittelbar nach der Haupteinspritzung Jm durchgeführt werden, um dadurch die Erzeugungsmengen von NOx und Rauch (PM) zu reduzieren.
Obwohl in der vorstehenden Erläuterung der Haupteinspritzzeitpunkt tm und der Voreinspritzzeitpunkt ts abhängig von dem Betriebsbereich des Motors eingestellt werden, ist es zusätzlich möglich, daß der Haupteinspritzzeitpunkt tm abhängig von dem Betriebsbereich et verzögert wird, und das der Voreinspritzzeitpunkt ts an der Position unmittelbar vor der Einlaßventilöffnung in dem letzten Stadium des Auslaßhubes eingestellt wird, was die NOx Menge weiter reduziert.
Obwohl in der vorstehenden Erläuterung der nicht dargestellte Abgasreiniger in dem Abgaskanal EX vorgesehen ist, kann dieser Abgasreiniger ein NOx-selektiver Reduzierungskatalysator sein. Zusätzlich können, wenn die Voreinspritzung Js in dem letzten Stadium des Auslaßhubes durchgeführt wird, der Voreinspritzzeitpunkt-ts und die Voreinspritzzeitperiode Ts so eingestellt werden, daß teilweise unverbrannter HS ausgestoßen wird, welcher als ein Reduzierungsmittel für den NOx -selektiven Katalysator verwendet wird, um dadurch das NOx des Filters zu reduzieren.
Obwohl in der vorstehenden Erläuterung der Dieselmotor ein Vormischkompressions-Zündungstyp ist, in welchem das Kraftstoffeinspritzventil mehrere Düsenlöcher besitzt, ist die Erfindung auch auf einem Dieselmotor anwendbar, welcher ein Kraftstoffeinspritzventil mit nur einem einzigen Düsenloch besitzt.
Nachdem die Erfindung so beschrieben ist, ist es offensichtlich, daß dieselbe in verschiedener Weise variiert werden kann. Derartige Varianten sind nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen, wie sie für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sind, sollen innerhalb des Schutzumfangs der nachstehenden Ansprüche mit eingeschlossen sein.

Claims

Dieselmotor (1) mit: einem Kraftstoffeinspritzsystem (M) zum Durchführen einer Haupteinspritzung (Jm) mit Hochdruckkraftstoff in eine Brennkammer (7) in der Nähe eines Kompressionstotpunktes und zum Durchführen einer Voreinspritzung (Js) vor der Haupteinspritzung; und einer Steuerung (27) zum Steuern des Einspritzsystems (M) auf der Basis eines Fahrzustandes; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (27) das Auftreten der Voreinspritzung (Js) vor der Einlaßventilöffnung (Einj) in dem letzten Stadium eines Auslaßhubes steuert.
Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dieselmotor (1) einen Hohlraum (22) auf der Oberseite eines Kolbens (6) aufweist, wobei die Steuerung (M) das Auftreten der Voreinspritzung (Js) vor der Einlaßventilöffnung (Einj) in dem letzten Stadium des Auslaßhubes und zu dem Zeitpunkt steuert, wenn ein Kraftstoff vollständig innerhalb des Hohlraums (22) vorliegt.
Dieselmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreinspritzung (Js) durch eine einmalige Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird.
Dieselmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dieselmotor (1) eine Sammelleitung (24) aufweist, wobei die Steuerung (M) die Kraftstoffeinspritzzeitperioden (Tm, Ts) durch Einstellen eines Kraftstoffdruckes (Pr) innerhalb der Sammelleitung so steuert, daß die Voreinspritzung vor der Einlaßventilöffnung (Einj) in dem letzten Stadium des Auslaßhubes und zu dem Zeitpunkt auf tritt, wenn ein Kraftstoff vollständig innerhalb des Hohlraums (22) vorliegt.
Dieselmotor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (M) so steuert, daß die Voreinspritzung (Js) zu dem Zeitpunkt auftritt, wenn ein Kraftstoff vollständig an der Innenwand des Hohlraums ankommt.