DE102012200206B4

DE102012200206B4 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102012200206B4
Application number: DE102012200206.5A
Authority: DE
Inventors: Shinya Hoshi; Satoru Sasaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: DE102012200206A1; JP2012145042A; JP5206799B2

Abstract

Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die auf ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine (10) angewendet ist und die angepasst ist, um eine Haupteinspritzung als auch eine Nacheinspritzung nachfolgend auf die Haupteinspritzung in einem Verbrennungszyklus durchzuführen, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung Folgendes aufweist:
eine Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) zum Erlangen einer In-Zylindersauerstoffkonzentration an einem vorbestimmten Zeitpunkt während einer Zeitdauer von einem Zünden eines Kraftstoffs, der durch die Nacheinspritzung eingespritzt ist, bis zu einem Ende einer Verbrennung des Kraftstoffs; und
eine Einspritzmengeneinstelleinrichtung (S422 - S428) zum Einstellen wenigstens einer von einer Haupteinspritzmenge und einer Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) erlangt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die auf ein Kraftstoffeinspritzsystem angewendet wird, gemäß der eine Hauptkraftstoffeinspritzung und eine andere Kraftstoffeinspritzung (als Nacheinspritzung bezeichnet) nachfolgend zu der Hauptkraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungszyklus in einer Brennkraftmaschine ausgeführt werden.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Mehrfachkraftstoffeinspritzungsart ist in der Technik bekannt, wie z. B. in JP 2008-196 449 A oder JP 3 798 741 B2 offenbart ist, gemäß dem eine Kraftstoffeinspritzung einer kleinen Menge vor oder nach einer Hauptkraftstoffeinspritzung zum Erzeugen eines Hauptdrehmoments ausgeführt ist, um Abgas zu reinigen und ein Kraftstoffverbrauchsverhältnis zu verbessern und dergleichen.
Gemäß dem Kraftstoffeinspritzsystem der Mehrfachkraftstoffeinspritzart wird eine Nacheinspritzung nachfolgend zu der Hauptkraftstoffeinspritzung ausgeführt, um Rauch bzw. Ruß zu verbrennen, der als unverbrannte Komponenten als eine Folge verbleibt, dass ein Teil des Kraftstoffs der Haupteinspritzung nicht ausreichend verbrannt wurde.
Gemäß dem vorangehenden Stand der Technik ( JP 2008-196 449 A ) wird ein Kraftstoffeinspritzmuster für entsprechende Kraftstoffeinspritzungen in der Mehrfachkraftstoffeinspritzung aus einem Kennfeld oder einer mathematischen Gleichung basierend auf einem Maschinenbetriebszustand erhalten und ein Einspritzungssteuerbefehlssignal für die Nacheinspritzung (die aus dem Kraftstoffeinspritzmuster heraus bestimmt wird) wird gesteuert basierend auf einem In-Zylinderdruck, der durch einen In-Zylinderdrucksensor erfasst ist, um die Kraftstoffeinspritzcharakteristik der Nacheinspritzung (mit einer kleineren Menge von Einspritzkraftstoff als die Haupteinspritzung) davon abzuhalten, durch den In-Zylinderdruck beeinflusst zu werden.
Gemäß dem vorangehenden anderen Stand der Technik ( JP 3 798 741 B2 ) werden mehrere Verbrennungsparameter, die einen Verbrennungszustand einer Maschine repräsentieren, basierend auf einem In-Zylinderdruck, der durch einen In-Zylinderdrucksensor erfasst ist, und einem Kurbelwinkel berechnet. Zielwerte für solche Verbrennungsparameter, die Verbrennungszustände für jeden Betriebszustand einer Maschine am geeignetsten repräsentieren, werden vorab in einem Kennfeld oder in einer mathematischen Gleichung eingestellt. Einspritzsteuerbefehlssignale für entsprechende Kraftstoffeinspritzungen in der Mehrfacheinspritzung werden korrigiert, sodass tatsächliche Verbrennungsparameter nahe den Sollwerten bzw. Zielwerten für die Verbrennungsparameter kommen, abhängig von der Betriebsbedingung bzw. dem Betriebszustand der Maschine.
Es ist notwendig, wenigstens eine von einer Haupteinspritzmenge und einer Nacheinspritzmenge basierend auf dem Verbrennungszustand der Haupteinspritzung einzustellen, um eine Rußmenge bzw. Rauchmenge zu reduzieren, die durch die Haupteinspritzung erzeugt ist.
Gemäß dem vorangehenden Stand der Technik ( JP 2008-196 449 A ) wird das Einspritzsteuerbefehlssignal für die Nacheinspritzung basierend auf dem In-Zylinderdruck gesteuert, wenn die Nacheinspritzung nachfolgend zu der Haupteinspritzung ausgeführt ist. Jedoch repräsentiert der In-Zylinderdruck nicht den Verbrennungszustand, der auf die Rußerzeugung bezogen ist. Deshalb kann es nicht möglich sein, die Haupteinspritzmenge und/oder die Nacheinspritzmenge passend einzustellen, um den Rußbetrag bzw. die Rußmenge zu reduzieren, falls einzig der In-Zylinderdruck erfasst ist, wie in dem vorangehenden Stand der Technik ( JP 2008-196 449 A ) offenbart ist.
Gemäß dem vorangehenden anderen Stand der Technik ( JP 3 798 741 B2 ) werden eine Änderungsrate des In-Zylinderdrucks, eine Wärmeabgaberate, eine Wärmeerzeugungsmenge bzw. -betrag und dergleichen basierend auf dem In-Zylinderdruck und dem Kurbelwinkel als die Verbrennungsparameter zum Repräsentieren des Verbrennungszustands berechnet. Obwohl diese Verbrennungsparameter den Druck, der durch die Verbrennung erzeugt ist, die Änderung des Wärmebetrags und dergleichen repräsentieren, repräsentieren sie nicht den Verbrennungszustand, der mit der Rauch- bzw. Rußerzeugung in Beziehung steht, wie gleichermaßen in dem vorangehenden erstgenannten Stand der Technik ( JP 2008-196 449 A ). Deshalb ist es nicht möglich, auch in dem zweiten Stand der Technik ( JP 3 798 741 B2 ) die Haupteinspritzmenge und/oder die Nacheinspritzmenge passend einzustellen, um die Rauch- bzw. Rußmenge zu reduzieren.
In einem transienten Zustand des Maschinenbetriebszustands, wie z. B. einem Beschleunigungszustand, in dem ein Beschleunigerpedal getreten ist, ist zusätzlich ein Ansprechen einer Einlassluftmenge als auch einer EGR-Menge (Abgasrückführung bzw. -rezirkulation) verzögert und jede dieser Mengen kann variieren. Als ein Ergebnis variiert der Verbrennungszustand in jedem Zylinder. Entsprechend, insbesondere in dem transienten Zustand, ist es ferner schwierig, die Rauchmenge durch Einstellen von einer oder beiden von der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge basierend auf dem In-Zylinderdruck oder basierend auf den Verbrennungsparametern, die basierend auf dem In-Zylinderdruck berechnet werden, zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorangehenden Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorzusehen, gemäß welcher Rauch bzw. Ruß, der in dem Abgas enthalten ist, unabhängig von dem Betriebszustand der Maschine reduziert werden kann.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung (z. B. wie in dem angefügten Anspruch 1 definiert ist) erlangt eine Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) eine In-Zylindersauerstoffkonzentration zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während einer Zeitdauer von einer Zündung des Kraftstoffs, der durch die Nacheinspritzung eingespritzt ist, bis zu einem Ende einer Verbrennung des Kraftstoffs; und eine Einspritzmengeneinstelleinrichtung (S422 - S428) stellt wenigstens eine von einer Haupteinspritzmenge und einer Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration ein, die durch die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (S418) erlangt ist.
Gemäß dem vorangehenden Merkmal, basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration während der Zeitdauer von der Zündung des Kraftstoffs, der durch die Nacheinspritzung eingespritzt ist, bis zu dem Ende der Verbrennung des Kraftstoffs, ist es möglich, einen Sauerstoffverbrauchszustand durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung und die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung bis zu dem vorbestimmten Zeitpunkt zu erlangen.
Da ein raucherzeugender Zustand bzw. eine raucherzeugende Bedingung von der Kraftstoffeinspritzmenge und der Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder abhängt, ist es möglich, die raucherzeugende Bedingung basierend auf dem Sauerstoffverbrauchszustand, der den Verbrennungszustand in dem Zylinder repräsentiert, mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu schätzen. Deshalb kann, wenn wenigstens eine von der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration an einem vorbestimmten Zeitpunkt während der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung eingestellt ist, der Sauerstoff in dem Zylinder effektiv verbraucht werden, um dadurch geeignet den Verbrennungszustand zu steuern. Folglich kann die Rauch bzw. Rußmenge in dem Abgas reduziert werden.
Zum Beispiel kann in einem Fall, dass die Nacheinspritzmenge größer als die Kraftstoffmenge ist, mit der die geeignete Verbrennung ausgeführt werden kann, um den Rauch zu verringern, die Nacheinspritzmenge in Übereinstimmung mit der In-Zylindersauerstoffkonzentration verringert werden oder die Haupteinspritzmenge ist verringert, um dadurch die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zeitpunkt eines Startens der Nacheinspritzung zu erhöhen. Ferner können alternativ die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge geeignet erhöht und/oder verringert werden.
Wie vorangehend, gemäß der vorliegenden Erfindung, werden die Haupteinspritzmenge und/oder die Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem vorbestimmten Zeitpunkt während der Zeitdauer der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung eingestellt. Deshalb, selbst in dem transienten Zustand, ist es z. B. in einem Beschleunigungszustand mit einem getretenen Beschleunigerpedal, in dem die In-Zylindersauerstoffkonzentration variiert, möglich, den Verbrennungszustand in dem Zylinder durch Einstellen von wenigstens einer von der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration geeignet zu steuern.
Jede der vorangehenden Funktionen, die durch entsprechende Einrichtungen ausgeführt werden, kann durch eine Gerätetechnik, in der die vorangehende Funktion durch ihren Aufbau festgelegt ist, eine Gerätetechnik, in der die vorangehende Funktion durch Programme festgelegt ist, oder eine Kombination der beiden Gerätetechniken realisiert werden. Jede der Funktionen muss nicht notwendigerweise von jeder einzelnen Hardware- bzw. Gerätetechnik realisiert sein, die physikalisch unabhängig von der andern ist.

1 ist eine schematische Ansicht, die einen Aufbau eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A bis 2C sind schematische Ansichten, die jeweils einen Verbrennungszustand in einem Zylinder in Abhängigkeit von einer Haupteinspritzmenge und einer Nacheinspritzmenge zeigen, wobei 2A einen Zustand zeigt, in dem die Nacheinspritzmenge zu groß ist, 2B einen Zustand zeigt, in dem die Nacheinspritzmenge zu gering ist, und 2C eine Bedingung bzw. einen Zustand zeigt, in dem die Nacheinspritzmenge passend berechnet ist;
3A und 3B sind Diagramme, die jeweils Charakteristik- bzw. Eigenschaftskurven einer Rauchkonzentration hinsichtlich eines Verbrennungsparameters und ein Rauchverschlechterungsverhältnis hinsichtlich des Verbrennungsparameters zeigen;
4A bis 4C sind Charakteristikdiagramme, die jeweils Zusammenhänge bzw. Beziehungen eines Wärmeerzeugungsverhältnisses, einer Wärmeabgabemenge und einer Sauerstoffkonzentration in Zylindern hinsichtlich eines Kurbelwinkels zeigen; und
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Einstellen einer Haupteinspritzmenge und einer Nacheinspritzmenge zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren beschrieben werden.
Eine Vierzylinderdieselmaschine (hiernach eine Maschine 10) mit einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem ist in 1 gezeigt.
In der Maschine 10 ist ein Kolben 16 beweglich in einem Zylinder 14 untergebracht, der in einem Zylinderblock 12 ausgebildet ist. Eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 16 in dem Zylinder 14 wird in eine Drehbewegung umgewandelt und an eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) der Maschine 10 über einen Steuerstab bzw. Pleuel 18 übertragen.
Ein Zylinderkopf 22 ist an einem oberen Ende des Zylinderblocks 12 befestigt, um eine Brennkammer 20 an einer oberen Seite des Kolbens 16 auszubilden. Ein Einlassanschluss 24 und ein Auslassanschluss 26, von denen jeder in die Brennkammer 20 mündet, sind in dem Zylinderkopf 22 ausgebildet.
Jeder von dem Einlassanschluss 24 und dem Auslassanschluss 26 wird durch ein Einlassventil 28 und ein Auslassventil 30, die durch Nockenbauteile (nicht gezeigt) betätigt werden, geöffnet und/oder geschlossen.
Ein Einlassrohr 32 ist mit dem Einlassanschluss 24 zum Zuführen von Einlassluft verbunden, während ein Auslassrohr 34 mit dem Auslassanschluss 26 zum Abgeben von Abgas aus dem Zylinder 14 verbunden ist. Das Auslass- bzw. Abgasrohr 34 ist mit dem Einlassrohr 32 über ein EGR-Rohr 36 verbunden. Eine EGR-Menge (eine Menge von Abgas, das von dem Auslassrohr 34 in das Einlassrohr 32 rezirkuliert wird) wird durch ein EGR-Ventil 38 gesteuert, das in dem EGR-Rohr 36 vorgesehen ist.
In einem Einlasshub, während dem der Einlassanschluss 24 durch das Einlassventil 28 geöffnet ist, wird der Kolben 16 in dem Zylinder 14 in einer Abwärtsrichtung bewegt, sodass ein Unterdruck in dem Zylinder 14 erzeugt wird. Dann strömen die Einlassluft von dem Einlassrohr 32 und das EGR-Gas von dem EGR-Rohr 36 zusammen in den Zylinder 14 durch den Einlassanschluss 24.
In einem Abgas- bzw. Auslasshub, während dem der Auslassanschluss 26 durch das Auslassventil 30 geöffnet ist, wird das Abgas aus dem Zylinder 14 durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 16 herausgedrückt, sodass das Abgas durch den Auslassanschluss 26 in das Auslassrohr 34 abgegeben wird.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem 2 ist aus einer Common-Rail 40 zum Sammeln von Hochdruckkraftstoff, einer Hochdruckkraftstoffzuführpumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen des Hochdruckkraftstoffs zu der Common-Rail 40, mehreren Kraftstoffeinspritzventilen 42, die an jedem Zylinder zum Einspritzen des Hochdruckkraftstoffs, der in der Common-Rail 40 gespeichert ist, in die jeweiligen Zylinder 14 der Maschine 10 vorgesehen sind, und einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 50 zusammengesetzt.
Die Common-Rail 40 speichert den Hochdruckkraftstoff, der von der Hochdruckkraftstoffzuführpumpe zugeführt ist, bei einem Soll-Common-Rail-Druck und solch ein Hochdruckkraftstoff wird über Kraftstoffzuführleitungen 100 zu den Kraftstoffeinspritzventilen 42 zugeführt. Der Soll-Common-Rail-Druck der Common-Rail 40 wird durch die ECU 50 eingestellt. Genauer gesagt wird ein Maschinenbetriebszustand basierend auf einem Beschleunigeröffnungsgrad, einer Maschinendrehzahl und dergleichen erfasst und der Soll-Common-Rail-Druck wird in Abhängigkeit von dem Maschinenbetriebszustand eingestellt.
Das Kraftstoffeinspritzventil 42 weist ein elektromagnetisches Ventil, das durch die ECU 50 gesteuert ist, und eine Düse zum Einspritzen des Kraftstoffs in Übereinstimmung mit einer Ventilöffnungsbewegung von dieser auf. Das Kraftstoffeinspritzventil 42 ist an dem Zylinderkopf 22 in solch einer Weise befestigt, dass ein vorderes Ende von diesem in den Zylinder 14 vorragt.
Die ECU 50 ist aus einem Mikrocomputer mit einer CPU 52, RAM 54, ROM 56, einem Flash-Speicher (nicht gezeigt), Eingabe-Ausgabe-Schnittstellen und dergleichen zusammengesetzt. Die ECU 50 nimmt verschiedene Eingabesignale von einem Kurbelwinkelsensor 60, einem Beschleunigungssensor 62, einem Kraftstoffdrucksensor 64, einem In-Zylinderdrucksensor 66, einem Einlassluftdrucksensor 68, einem Einlasslufttemperatursensor 70, einem Einlassluftmengensensor 72, Sauerstoffkonzentrationssensoren 74, 76, einem Temperatursensor 78 für ein Maschinenkühlwasser und dergleichen auf. Die ECU 50 erfasst den Maschinenbetriebszustand basierend auf den vorangehenden Eingangssignalen.
Die ECU 50 führt verschiedene Arten von Maschinensteuerungsprozessen in Übereinstimmung mit Steuerprogrammen aus, die in einer Speichervorrichtung, wie z. B. dem ROM 56 oder dem Flash-Speicher, gespeichert sind.
Der Kurbelwinkelsensor 60 ist neben einem Pulsrotor 44 vorgesehen, der in einer synchronisierten Art mit der Kurbelwelle der Maschine 10 gedreht wird. Der Kurbelwinkelsensor 60 erzeugt mehrere Pulssignale (ein Rotationswinkelsignal) für jede Rotation bzw. Drehung des Pulsrotors 44, entsprechend einer Anzahl von Zähnen, die an einem Außenumfang des Pulsrotors 44 ausgebildet sind. Die ECU 50 erfasst eine Maschinendrehzahl NE und eine Drehwinkelposition (einen Kurbelwinkel θ) basierend auf dem Drehwinkelsignal von dem Kurbelwinkelsensor 60.
Der Beschleunigungssensor 62 gibt ein Signal aus, das einem Beschleunigeröffnungsgrad entspricht, der einen Pedalbetätigungsbetrag (ein Pedalhub) eines Beschleunigerpedals repräsentiert, das durch einen Fahrzeugfahrer betätigt ist.
Der Kraftstoffdrucksensor 64 ist an der Common-Rail 40 befestigt, sodass er ein Signal ausgibt, das dem Kraftstoffdruck (dem Common-Rail-Druck) des Hochdruckkraftstoffs entspricht, der in der Common-Rail 40 gespeichert ist. Der In-Zylinderdrucksensor 66 ist in dem Zylinderkopf 22 für wenigstens einen Zylinder der Maschine 10 vorgesehen, um ein Signal auszugeben, das einem In-Zylinderdruck entspricht. Das Ausgabesignal von dem In-Zylinderdrucksensor 66 wird in die ECU 50 eingegeben, nachdem Störgeräusche durch einen Tiefbandfilter (LPF) 80 entfernt sind.
Der Einlassluftdrucksensor 68 ist an dem Einlassrohr 32 befestigt, um ein Signal auszugeben, das einem Einlassluftdruck „Pm“ in dem Einlassrohr 32 entspricht. Der Einlasslufttemperatursensor 70 ist ebenfalls an dem Einlassrohr 32 befestigt, um ein Signal auszugeben, das einer Temperatur (einer Einlasslufttemperatur) „Ta“ der Einlassluft entspricht, die durch das Einlassrohr 32 strömt. Der Einlassluftmengensensor 72 ist außerdem an dem Einlassrohr 32 befestigt, um ein Signal auszugeben, das einer Strömungsmenge (einer Einlassluftmenge) „Ga“ der Einlassluft entspricht, die durch das Einlassrohr 32 strömt.
Die Sauerstoffkonzentrationssensoren 74 und 76 sind z. B. aus A/F-Sensoren zum Erfassen eines Luftkraftstoffverhältnisses zusammengesetzt. Der Sauerstoffkonzentrationssensor 74 ist in dem Einlassrohr 32 an einer stromabwärtigen Seite eines Verbindungspunkts vorgesehen, an dem das EGR-Rohr 36 mit dem Einlassrohr 32 verbunden ist. Der Sauerstoffkonzentrationssensor 74 gibt ein Signal aus, das einer Sauerstoffkonzentration des Einlassgases (das eine Mischung der Einlassluft und des EGR-Gases ist) entspricht, das von dem Einlassrohr 32 und dem EGR-Rohr 36 in den Zylinder 14 strömt. Der Sauerstoffkonzentrationssensor 76 ist in dem Abgasrohr 34 vorgesehen, um ein Signal auszugeben, das einer Sauerstoffkonzentration des Abgases entspricht, das von dem Zylinder 14 in das Abgasrohr bzw. Auslassrohr 34 abgegeben ist.
Der Temperatursensor 78 für das Maschinenkühlwasser ist an dem Zylinderblock 12 befestigt, um ein Signal auszugeben, das einer Temperatur des Maschinenkühlwassers entspricht (hiernach auch als Wassertemperatur referenziert).
Die ECU 50 führt die Maschinensteuerung für die Maschine 10 aus, wie z. B. eine Kraftstoffdrucksteuerung, eine Kraftstoffeinspritzsteuerung und dergleichen. Gemäß der Kraftstoffdrucksteuerung wird der Kraftstoffdruck, der in der Common-Rail 40 gespeichert ist, gesteuert. Genauer gesagt ist eine Abgabemenge der Kraftstoffzuführpumpe (eine Pumpenabgabemenge) geregelt, sodass ein tatsächlicher Common-Rail-Druck, der durch den Kraftstoffdrucksensor 64 erfasst ist, auf einen Soll-Kraftstoffdruck gesteuert wird.
Gemäß der Kraftstoffeinspritzsteuerung werden eine Kraftstoffeinspritzmenge und ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt des Kraftstoffeinspritzventils 42 gesteuert. Und zwar werden eine am meisten geeignete Kraftstoffeinspritzmenge und Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der Betriebsbedingung der Maschine 10 berechnet und das Kraftstoffeinspritzventil 42 wird in Übereinstimmung mit solch einem berechneten Resultat betrieben. Gemäß der Kraftstoffeinspritzsteuerung können die Mehrfacheinspritzung, wie z. B. eine Piloteinspritzung, eine Voreinspritzung, die Nacheinspritzung, eine Posteinspritzung und dergleichen vor oder nach der Haupteinspritzung in Abhängigkeit von der Betriebsbedingung bzw. dem Betriebszustand der Maschine 10 ausgeführt werden.
Die Piloteinspritzung wird ausgeführt, um eine kleine Menge von Kraftstoff mit dem Einlassgas vorab vor einer Zündung des Kraftstoffs zu mischen, der durch die Haupteinspritzung zum Erzeugen des Hauptdrehmoments eingespritzt wird. Die Voreinspritzung wird durch ein Einspritzen einer kleinen Menge von Kraftstoff vor der Haupteinspritzung ausgeführt, um den Kraftstoff in dem Zylinder vor der Haupteinspritzung zu verbrennen, um dadurch eine schnelle Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung zu unterdrücken. Gemäß der Piloteinspritzung und/oder der Voreinspritzung können ein Verbrennungsgeräusch und eine Vibration verringert werden.
Die Nacheinspritzung wird durch ein Einspritzen einer kleinen Menge von Kraftstoff nach der Haupteinspritzung ausgeführt, um den Rauch bzw. Ruß zu verbrennen, der in dem Zylinder als unverbrannte Komponenten des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung erzeugt ist, um dadurch das Abgas zu reinigen. Die Posteinspritzung wird durch ein Einspritzen einer kleinen Menge des Kraftstoffs ausgeführt, um so Feinstaub und dergleichen zu verbrennen, die in einem DPF (Dieselpartikelfilter) (nicht gezeigt) gefangen sind.
In den vorangegangenen verschiedenen Arten der Kraftstoffeinspritzungen erzeugen die Piloteinspritzung, die Voreinspritzung, die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung das Ausgangsdrehmoment der Maschine 10.
Ein Verbrennungszustand in dem Zylinder, der durch die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge erzeugt ist, wird beschrieben werden. 2A bis 2C zeigen die Verbrennungszustände in dem Zylinder, wenn die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge unter der Bedingung geändert werden, dass eine Summe der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge für jeden Verbrennungszyklus bei einem konstanten Wert gehalten ist, um nicht das Ausgangsdrehmoment der Maschine 10 zu ändern. In 2A bis 2C bezeichnet ein Bezugszeichen 200 einen Einspritzbereich durch die Haupteinspritzung, während ein Bezugszeichen 210 einen Einspritzbereich durch die Nacheinspritzung bezeichnet.
Die Kraftstoffeinspritzmenge der Haupteinspritzung ist größer als die Kraftstoffeinspritzmenge durch die anderen Einspritzungen der Mehrfacheinspritzung, da das Hauptdrehmoment durch die Haupteinspritzung erzeugt wird. Deshalb kann der Kraftstoff durch die Haupteinspritzung eine Innenumfangsfläche des Zylinders 14 (hiernach auch als ein Außenumfangsabschnitt eines Zylinderraums referenziert) erreichen, der weit entfernt von dem Kraftstoffeinspritzventil 42 ist, selbst wenn die Kraftstoffeinspritzmenge der Haupteinspritzung geändert wird. Folglich dehnt sich die Verbrennung in dem Einspritzbereich 200 des Zylinders 14 durch die Haupteinspritzung aus, d. h. in dem Außenumfangsabschnitt des Zylinderraums. Dann wird, da der Sauerstoff kontinuierlich in dem Außenumfangsabschnitt des Zylinderraums verbraucht wird, die Sauerstoffkonzentration in dem Außenumfangsabschnitt des Zylinderraums verringert werden. Da die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung nicht in einem Mittenabschnitt des Zylinderraums auftritt, wird andererseits angenommen, dass ein Großteil des Sauerstoffs, der für die Verbrennung notwendig ist, nicht in diesem Mittenabschnitt verbraucht wird.
Wenn die Nacheinspritzmenge in dem Zustand zu groß ist, dass der größte Teil des Sauerstoffs in dem Mittenabschnitt des Zylinders während der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung in dem Außenumfangsabschnitt des Zylinderraums nicht verbraucht wird, erreicht der Kraftstoff durch die Nacheinspritzung auch den Außenumfangsabschnitt des Zylinderraums, wie in 2A gezeigt ist, und die Verbrennung von solch einem Kraftstoff durch die Nacheinspritzung wird in dem Einspritzbereich 210 ausgeführt, in dem die Sauerstoffkonzentration gering ist. Folglich wird die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung in dem Einspritzbereich 210 in einem unvollständigen Verbrennungszustand ausgeführt, um dadurch den Rauch bzw. Ruß zu erzeugen.
Es wurde von den Erfindern in Erwägung gezogen, dass die Nacheinspritzmenge verringert wird und die Haupteinspritzmenge erhöht wird, dass die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung in dem Mittenabschnitt des Zylinders ausgeführt wird, d. h., in dem Einspritzbereich 210, wie in 2B gezeigt ist, in dem die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung nicht stattfindet.
Wenn die Haupteinspritzmenge jedoch zu groß ist, verknappt sich der Sauerstoff in dem Einspritzbereich 200 bei der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung, um dadurch den Rauch bzw. Ruß zu erzeugen. Wenn andererseits die Nacheinspritzmenge verringert ist, kann die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung in dem Mittenabschnitt des Zylinders (der Einspritzbereich 210, der in 2B gezeigt ist) ausgeführt werden, in dem eine ausreichende Menge des Sauerstoffs existiert. Da jedoch der Einspritzbereich 210 (d. h. ein Einspritzbereich des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung) klein ist, kann der Rauch bzw. Ruß, der in dem Einspritzbereich 200 durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung erzeugt ist, nicht effektiv durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung verbrannt werden.
Es ist deshalb notwendig, die Haupteinspritzmenge als auch die Nacheinspritzmenge, wie in 2C gezeigt ist, einzustellen, sodass der Sauerstoff sich in dem Einspritzbereich 200 durch die Haupteinspritzung bei der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung nicht verknappt, wobei die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung in dem Mittenabschnitt des Zylinders (der Einspritzbereich 210) ausgeführt werden kann, in dem eine ausreichende Menge des Sauerstoffs nach der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung verbleibt, und der Rauch bzw. Ruß, der durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung erzeugt ist, kann effektiv durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung verbrannt werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Verhältnis einer In-Zylindersauerstoffmenge hinsichtlich der Nacheinspritzmenge in Erwähnung gezogen, um die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge auf am meisten geeignete Werte zum Verringern des Rauchs zu steuern. Die In-Zylindersauerstoffmenge wird basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration zu einem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung berechnet. In 3A ist eine Beziehung einer Rauchkonzentration (FSN: Schwärzungszahl) hinsichtlich eines Verbrennungsparameters für jede Betriebsart gezeigt. Der Verbrennungsparameter wird durch die folgende Formel (1) berechnet, die das Verhältnis der In-Zylindersauerstoffmenge [g] hinsichtlich der Nacheinspritzmenge [g] ist. Der Verbrennungsparameter repräsentiert den Verbrennungszustand in dem Zylinder. In 3A zeigt jede der drei Charakteristikkurven 300, 302, 304 die Beziehung zwischen der Rauchkonzentration (FSN) hinsichtlich des Verbrennungsparameters für drei verschiedene Betriebsarten. $Verbrennungsparameter = In - Zylindersauerstoffmenge [g] /Nacheinspritzmenge [g]$
Die drei verschiedenen Betriebsarten entsprechen jeweils einem Niederlastbereich, einem mittleren Lastbereich und einem Hochlastbereich, von denen jeder durch die Maschinendrehzahl und die Kraftstoffeinspritzmenge definiert ist.
Wie in 3A gezeigt ist, existiert in jeder der drei Betriebsarten solch ein Verbrennungsparameter (bezeichnet durch A in der Zeichnung), an dem die Rauchkonzentration (FSN) minimiert ist.
3B zeigt ein Rauchverschlechterungsverhältnis hinsichtlich des Verbrennungsparameters. Zuerst wird eine Rauchmenge basierend auf einer Multiplikation der Abgasmenge und der Rauchkonzentration für jede Charakteristikkurve 300, 302 und 304 der entsprechenden Betriebsarten berechnet. Ein minimaler Wert der Rauchmenge ist als ein Referenzwert definiert, an dem das Rauchverschlechterungsverhältnis 0% wird. Das Rauchverschlechterungsverhältnis hinsichtlich des Referenzwerts, der sich in Übereinstimmung mit dem Verbrennungsparameter ändert, wird für jede Charakteristikkurve 300, 302 und 304 berechnet. Und derart berechnete Werte werden in 3B normalisiert.
Wie in 3B gezeigt ist, ist das Verhältnis zwischen dem Rauchverschlechterungsverhältnis [%] und der Verbrennungsparameter für die drei verschiedenen Betriebsarten allgemein, wie durch eine Charakteristikkurve 310 gezeigt ist. Das Rauchverschlechterungsverhältnis [%] ist minimiert bei dem gleichen Wert A des Verbrennungsparameters, wie dem für die Rauchkonzentration (FSN).
Ein Bereich von 3B, in dem der Verbrennungsparameter größer als der Parameterwert A ist (an dem das Rauchverschlechterungsverhältnis minimiert ist), entspricht einem Bereich, in dem die Nacheinspritzmenge zu gering für die In-Zylindersauerstoffmenge ist. Da der Einspritzbereich 210 durch die Nacheinspritzung gering ist, wenn die Nacheinspritzmenge zu gering ist, wird der Effekt zum Verbrennen des Rauchs bzw. Ruß (der in dem Einspritzbereich 200 durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung erzeugt ist) durch die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung verringert werden und dadurch kann der Rauchbetrag bzw. die Rauchmenge erhöht werden.
Wenn die Nacheinspritzmenge zu gering ist, wird die Haupteinspritzmenge zu groß unter der Bedingung, dass die Summe der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge bei dem konstanten Wert für jeden Verbrennungszyklus gehalten ist. Als ein Ergebnis, dass die Haupteinspritzmenge zu groß wird, verknappt sich deshalb der Sauerstoff in dem Einspritzbereich 200 durch die Haupteinspritzmenge und dadurch wird der Rauch erzeugt.
Andererseits entspricht ein Bereich von 3B, in dem der Verbrennungsparameter kleiner als der Parameterwert A ist (an dem das Rauchverschlechterungsverhältnis minimiert ist), einem Bereich, in dem die Nacheinspritzmenge für die In-Zylindersauerstoffmenge zu groß ist. Wenn die Nacheinspritzmenge zu groß wird, wird die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung in dem Einspritzbereich 200 ausgeführt, in dem der Sauerstoff aufgrund der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung verknappt ist. Folglich kann der Rauch in dem Einspritzbereich 210 durch die Nacheinspritzung erzeugt werden.
Wenn der Parameterwert des Verbrennungsparameters, der in dem vorliegenden Verbrennungszyklus berechnet ist, von dem Zielwert (an dem das Rauchverschlechterungsverhältnis [%] minimiert ist) verschoben ist, kann die am meisten geeignete Nacheinspritzmenge (mit der die Rauchmenge in dem nächsten Verbrennungszyklus minimiert werden kann) basierend auf der In-Zylindersauerstoffmenge berechnet werden, die aus der In-Zylindersauerstoffkonzentration berechnet ist. Die Haupteinspritzmenge kann ferner basierend auf der Nacheinspritzmenge berechnet werden, da die Summe der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge nicht geändert wird.
Die In-Zylindersauerstoffkonzentration wird erklärt werden. Die ECU 50 berechnet eine Rate einer Wärmeabgabe (dQ/dθ) für jeden Verbrennungszyklus basierend auf der folgenden Gleichung (2). In der Gleichung (2) bezeichnet „Q“ eine Menge einer Wärmeabgabe, „V“ bezeichnet ein Volumen des Zylinders, „P“ bezeichnet den In-Zylinderdruck, der durch den In-Zylinderdrucksensor 66 erfasst ist, „θ“ bezeichnet den Kurbelwinkel, der durch den Kurbelwinkelsensor 60 erfasst ist und „k“ bezeichnet ein Verhältnis einer spezifischen Wärme. 4A zeigt eine Charakteristikkurve 320 des Wärmeabgabeverhältnisses (dQ/dθ) für jeden Verbrennungszyklus. $\begin{array}{l} Wärmeabgaberate (dQ/d θ) \\ = (V \cdot dP/d θ + k \cdot P \cdot dV/d θ) / (k - 1) \end{array}$
Die ECU 50 integriert die Rate der Wärmeabgabe für einen bestimmten Kurbelwinkelbereich für einen Verbrennungszyklus von einem Start der Verbrennung bis zu einem Ende der Verbrennung, um einen integrierten Wert (eine Gesamtmenge bzw. einen Gesamtbetrag der Wärmeabgabe) zu berechnen. Die ECU 50 berechnet außerdem eine Wärmeabgabemenge auf entsprechende Kurbelwinkel, um ein Verhältnis der entsprechenden Menge einer Wärmeabgabe hinsichtlich der Gesamtmenge der Wärmeabgabe zu berechnen. Das Verhältnis für die Wärmeabgabemenge ist durch eine Charakteristikkurve 330 in 4B angegeben.
In der Charakteristikkurve 320 der Wärmeabgaberate korrespondieren Spitzen bzw. Peaks 322, 324 bzw. 326 zu jedem Peak bzw. Spitze der Wärmeabgaberate für die Piloteinspritzung, die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung. Entsprechend kann ein Zeitpunkt, an dem die Wärmeabgaberate durch die Haupteinspritzung nach dem Peak 324 verringert ist und eine Erhöhung der Wärmeabgaberate durch die Nacheinspritzung beginnt, als der Zündzeitpunkt für den Kraftstoff durch die Nacheinspritzung bestimmt werden.
Da die Wärmeabgabemenge und die Sauerstoffkonzentration in dem Zylinder miteinander in Verbindung stehen, wird die In-Zylindersauerstoffkonzentration verringert, indem die Wärmeabgabemenge erhöht wird. Wie in 4C gezeigt ist, kann eine Charakteristikkurve 340 der In-Zylindersauerstoffkonzentration für jeden Verbrennungszyklus basierend auf der Änderung des Betrags der Wärmeabgabe bzw. der Wärmeabgabemenge erhalten werden, und zwar aus den In-Zylindersauerstoffkonzentrationen am Beginn der Verbrennung und am Ende der Verbrennung für jeden Verbrennungszyklus. Die In-Zylindersauerstoffkonzentration am Start der Verbrennung ist durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 74 erfasst, der an einer Einlassseite vorgesehen ist, während die In-Zylindersauerstoffkonzentration am Ende der Verbrennung durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 76 erfasst ist, der an einer Auslassseite vorgesehen ist.
Die In-Zylindersauerstoffkonzentration am Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung wird aus der Charakteristikkurve 340 für die In-Zylindersauerstoffkonzentration berechnet. Dann kann die In-Zylindersauerstoffmenge am Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung aus der In-Zylindersauerstoffkonzentration und der Einlassluftmenge berechnet werden, die in den Zylinder zugeführt wird.
Die Nacheinspritzmenge, mit der die Rauchmenge minimiert werden kann, wird aus dem In-Zylindersauerstoffbetrag zum Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung und dem Sollwert des Verbrennungsparameters berechnet, an dem der Rauchbetrag minimiert ist. Die Haupteinspritzmenge wird dann aus der Nacheinspritzmenge berechnet.
Ein Ausgleichsprozess für die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge für den Zweck eines Verringerns des Rauchs wird mit Bezug auf ein Flussdiagramm aus 5 beschrieben werden.
Zuerst erlangt die ECU 50 die Maschinendrehzahl und die Kraftstoffeinspritzmenge an einem Schritt S400, welche den Maschinenbetriebszustand repräsentieren. Dann erlangt die ECU 50 in Schritt S402 den Sollwert (X_target) des Verbrennungsparameters, der vorausgehend zum Reduzieren des Rauchs eingestellt ist, in Abhängigkeit von dem Maschinenbetriebszustand.
Bei einem Schritt S404 erlangt die ECU 50 die Sauerstoffkonzentration des Einlassgases, das eine Mischung der frischen Luft und des EGR-Gases ist und in den Zylinder zugeführt werden wird, von dem Sauerstoffkonzentrationssensor 74, der an der Einlassseite vorgesehen ist. Bei einem Schritt S406 erlangt die ECU 50 die Nacheinspritzmenge basierend auf der Kraftstoffeinspritzmenge, die bei Schritt S400 erlangt ist. Bei einem Schritt S408 erlangt die ECU 50 den In-Zylinderdruck von dem In-Zylinderdrucksensor 66.
Bei einem Schritt S410 berechnet die ECU 50 die Wärmeabgaberate durch die Formel bzw. Gleichung (2) basierend auf dem In-Zylinderdruck und dem Kurbelwinkel. Bei einem Schritt S412 berechnet die ECU den Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung, wenn die Wärmeabgaberate für die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung verringert ist, aber die Wärmeabgaberate für die Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung ihren Anstieg beginnt.
Bei einem Schritt S414 berechnet die ECU 50 die Wärmeabgabemenge durch Integrieren der Wärmeabgaberate. Bei einem Schritt S416 erlangt die ECU 50 die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von dem Sauerstoffkonzentrationssensor 76, der auf der Abgas- bzw. Auslassseite vorgesehen ist. Bei einem Schritt S418 berechnet die ECU 50 die In-Zylindersauerstoffkonzentration bei dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung basierend auf der Sauerstoffkonzentration des Einlassgases, die bei dem Schritt S404 erlangt ist, der Charakteristikkurve 330, die bei dem Schritt S414 berechnet ist, und der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, die bei dem Schritt S416 erlangt ist.
Bei einem Schritt S420 berechnet die ECU 50 die Menge des Einlassgases (d. h. die Mischung der frischen Luft und des EGR-Gases), das in den Zylinder zugeführt ist, basierend auf der Einlassluftmenge, die durch den Einlassluftmengenerfassungssensor 72 erfasst ist, und der EGR-Menge von dem Öffnungsgrad des EGR-Ventils 38. Dann berechnet die ECU 50 die In-Zylindersauerstoffmenge bei dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung basierend auf der Menge des Einlassgases und der In-Zylindersauerstoffkonzentration, die bei dem Schritt S418 erlangt ist. Die ECU 50 berechnet das Verhältnis der In-Zylindersauerstoffmenge hinsichtlich der Nacheinspritzmenge, die bei dem Schritt S406 erlangt ist. Dieses Verhältnis wird als der Parameterwert (X_now) des tatsächlichen Verbrennungsparameters bzw. Ist-Verbrennungsparameters des vorliegenden Verbrennungszyklus berechnet.
Bei einem Schritt S422 berechnet die ECU 50 einen Differenzwert (ΔX = X_target - X_now) zwischen dem Sollwert (X_target) für den Verbrennungsparameter, der bei dem Schritt S402 erlangt ist, und dem berechneten Wert (X_now) des tatsächlichen Verbrennungsparameters, der bei dem Schritt S420 erlangt ist. Bei einem Schritt S424 bestimmt die ECU 50, ob der Differenzwert (ΔX) kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Wenn der Differenzwert (ΔX) kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist (JA bei dem Schritt S424), bestimmt die ECU 50, dass die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge passend bestimmt sind und der Prozess geht zu Ende.
Wenn der Differenzwert (ΔX) größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist (NEIN bei dem Schritt S424), bestimmt die ECU 50, dass die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge nicht passend bestimmt sind und dadurch der Rauchbetrag nicht ausreichend verringert ist.
Dann geht der Prozess zu einem Schritt S426, an dem die ECU 50 die Nacheinspritzmenge für den nächsten Verbrennungszyklus basierend auf der In-Zylindersauerstoffmenge zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung von diesem Mal und dem Sollwert (X_target) des Verbrennungsparameters einstellt, sodass der Differenzwert (ΔX) Null „0“ wird. Bei einem Schritt S428 stellt die ECU 50 die Haupteinspritzmenge für den nächsten Verbrennungszyklus basierend auf der Nacheinspritzmenge für den nächsten Verbrennungszyklus ein, sodass die Gesamtkraftstoffeinspritzmenge für einen Verbrennungszyklus bei dem vorbestimmten Wert gehalten werden kann, der in Abhängigkeit von dem Maschinenbetriebszustand bestimmt ist.
Wenn die Haupteinspritzmenge in dem nächsten Verbrennungszyklus geändert wird, wird ebenfalls die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung geändert werden. Deshalb ist es nicht möglich, den Rauch in dem nächsten Verbrennungszyklus durch die Nacheinspritzmenge des derzeitigen Verbrennungszyklus ausreichend zu reduzieren. Jedoch ist es gemäß der vorliegenden Erfindung, da die Haupteinspritzmenge als auch die Nacheinspritzmenge kontinuierlich basierend auf dem Verbrennungsparameter eingestellt werden, der das Verhältnis der In-Zylindersauerstoffmenge zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung hinsichtlich der Nacheinspritzmenge ist, möglich, die am besten geeignete Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge einzustellen, um die Rauchmenge zu reduzieren.
Wie vorangehend erläutert ist, wurde gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung in Erwägung gezogen und das Verhältnis der In-Zylindersauerstoffmenge zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung hinsichtlich der Nacheinspritzmenge ist als der Verbrennungsparameter eingestellt, welcher die raucherzeugende Bedingung in dem Zylinder repräsentiert, nämlich die Verbrennungsbedingung bzw. den Verbrennungszustand in dem Zylinder. Dann wird die Haupteinspritzmenge als auch die Nacheinspritzmenge basierend auf dem Verbrennungsparameter eingestellt, um so den Rauch bzw. Ruß so gut wie möglich zu reduzieren. Folglich kann der Sauerstoff in dem Zylinder effektiv durch die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung verbraucht werden, um dadurch effektiv den Rauch zu verringern.
Da zusätzlich die Wärmeabgaberate basierend auf dem In-Zylinderdruck berechnet ist, der durch den In-Zylinderdrucksensor 66 erfasst ist, kann die Wärmeabgabemenge präzise durch ein Integrieren der berechneten Wärmeabgaberate berechnet werden.
Da zusätzlich die Haupteinspritzmenge als auch die Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration eingestellt sind, ist es möglich, die bevorzugte Verbrennungsbedingung bzw. den Verbrennungszustand in dem Zylinder aufrechtzuerhalten, selbst in dem transienten Zustand des Maschinenbetriebszustands, wie z. B. dem Beschleunigungszustand mit dem getretenen Beschleunigerpedal. Entsprechend ist es möglich, die Rauchmenge unabhängig von dem Betriebszustand der Maschine zu reduzieren, nämlich ungeachtet des stetigen Zustands oder des transienten Zustands des Maschinenbetriebszustands.
Da zusätzlich die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge basierend auf dem Sollwert des Verhältnisses der In-Zylindersauerstoffmenge an dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung hinsichtlich der Nacheinspritzmenge und basierend auf der In-Zylindersauerstoffmenge eingestellt werden, ist es nicht notwendig, eine große Anzahl von Kennfeldern zum Anpassen der Haupteinspritzmenge als auch der Nacheinspritzmenge auf die entsprechenden Maschinenbetriebsbedingungen vorab bereitzustellen und zu speichern, um den Rauch zu reduzieren. Deshalb ist es möglich, eine Größe der Speichervorrichtung für solche Kennfelder zu reduzieren.
Bei dem Schritt S414 ist der Wärmeabgabebetrag bzw. die Wärmeabgabemenge basierend auf dem In-Zylinderdruck berechnet, der durch den In-Zylinderdrucksensor 66 erfasst ist. Jedoch kann der Betrag der Wärmeabgabe berechnet (geschätzt) werden durch ein physikalisches Modell basierend auf einem physikalischen Wert(e) bezogen auf den Verbrennungszustand in dem Zylinder, wie z. B. die Maschinendrehzahl, einem Veränderungsbetrag der Maschinendrehzahl, Kraftstoffeinspritztiming, dem Common-Rail-Druck, die Sauerstoffkonzentration in dem Einlassgas, die Einlassluftmenge, die Temperatur der Einlassluft und dergleichen. In solch einem Fall ist der Schritt S408 nicht notwendig. Bei dem Schritt S410 wird die Wärmeabgaberate geschätzt basierend auf den physikalischen Werten bezogen auf den Verbrennungszustand in dem Zylinder. Bei dem Schritt S412 ist der Zündzeitpunkt bzw. das Zündtiming des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung basierend auf der geschätzten Wärmeabgaberate geschätzt. Bei dem Schritt S414 wird die geschätzte Wärmeabgaberate integriert, um die Wärmeabgabemenge zu berechnen. Wie vorangehend entsprechen die Schritte S410 und S414 einer Funktion zum Ausführen der Schätzung der Wärmeabgabemenge. Es ist bevorzugt, die Wärmeabgaberate als auch die Wärmeabgabemenge basierend auf den physikalischen Werten einschließlich der Maschinendrehzahl zu schätzen, welche eng verbunden mit dem Verbrennungszustand sind, um die Wärmeabgaberate als auch die Wärmeabgabemenge präzise zu schätzen.
(Modifikationen)
Gemäß der vorangehenden Ausführungsform werden die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration bei dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung eingestellt, um die Rauchmenge zu reduzieren, während die gesamte Einspritzmenge bezogen auf das Ausgangsdrehmoment der Maschine 10 (das basierend auf dem Maschinenbetriebszustand berechnet ist) nicht geändert wird, wenn die Mehrfacheinspritzung bzw. Multi-Stage-Injection ausgeführt wird.
Das Timing bzw. der Zeitpunkt, bei dem die In-Zylindersauerstoffkonzentration (basierend auf welcher die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge eingestellt werden) erhalten ist, soll nicht auf den Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung begrenzt werden. Jeder Zeitpunkt während einer Zeitdauer von dem Zündungsstart zu einem Ende der Verbrennung des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung kann für ein Berechnen (oder Erfassen) der In-Zylindersauerstoffkonzentration verwendet werden, solange die In-Zylindersauerstoffkonzentration berechnet oder erfasst werden kann. Zum Beispiel kann die In-Zylindersauerstoffkonzentration erlangt werden, wenn die Wärmeabgaberate der Verbrennung durch die Nacheinspritzung maximiert ist.
Es kann außerdem möglich sein, eine von der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration einzustellen, um die Rauchmenge zu reduzieren, anstelle eines Einstellens von beiden von diesen.
Zum Beispiel kann es in einem Fall, in dem die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung niedriger als der vorbestimmter Wert ist, so bestimmt werden, dass der Rauch bzw. Ruß erhöht werden kann, da die Haupteinspritzmenge zu groß ist. Und in solch einem Fall kann lediglich die Haupteinspritzmenge verringert werden. Alternativ kann in einem Fall, in dem die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung höher ist als der vorbestimmte Wert, die Haupteinspritzmenge nicht eingestellt werden, sondern die Nacheinspritzmenge kann erhöht werden. Zusätzlich kann in einem Fall, in dem die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung niedriger als der vorbestimmte Wert ist, die Haupteinspritzmenge nicht eingestellt werden, aber die Nacheinspritzmenge kann verringert werden. Wenn eine von der Haupteinspritzmenge und der Nacheinspritzmenge eingestellt werden wird, ist es noch wünschenswerter, die Nacheinspritzmenge einzustellen, sodass das Ausgangsdrehmoment der Maschine nicht großartig geändert werden muss.
Gemäß der vorangehenden Ausführungsform ist der Sollwert des Verbrennungsparameters in Abhängigkeit von dem Maschinenbetriebszustand eingestellt. Jedoch kann ein konstanter Wert als der Sollwert unabhängig von dem Maschinenbetriebszustand eingestellt werden.
Gemäß der vorangehenden Ausführungsform ist der Sollwert des Verbrennungsparameters vorab bereitgestellt. Jedoch kann der Parameterwert des Verbrennungsparameters, mit dem die Rauchmenge minimiert werden kann, durch einen Lernprozess während des Maschinenbetriebs eingestellt werden.
Anstelle eines Erfassens der Sauerstoffkonzentration in dem Einlassgas und in dem Auslassgas aus den Ausgangssignalen der Sauerstoffkonzentrationssensoren 74 und 76 kann die Sauerstoffkonzentration in dem Einlassgas und in dem Auslassgas basierend auf der Einlassluftmenge, der Einlasslufttemperatur, dem Einlassluftdruck, der Maschinendrehzahl, der Kraftstoffeinspritzmenge und dergleichen geschätzt werden.
Gemäß der vorangehenden Ausführungsform führen die Steuerprogramme der ECU 50 die folgenden Funktionen durch;
eine Einrichtung zum Erlangen einer Sauerstoffkonzentration;
eine Einrichtung zum Einstellen der Kraftstoffeinspritzmenge;
eine Einrichtung zum Berechnen der Wärmeabgabemenge;
eine Einrichtung zum Schätzen der Wärmeabgabemenge; und
eine Einrichtung zum Berechnen des Verbrennungszustands.
Jedoch kann ein Teil der vorangehenden Funktionen durch eine Hardware bzw. ein Gerät ausgeführt werden, gemäß der die Funktion durch einen Schaltkreisaufbau selbst definiert ist.

Claims

Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die auf ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine (10) angewendet ist und die angepasst ist, um eine Haupteinspritzung als auch eine Nacheinspritzung nachfolgend auf die Haupteinspritzung in einem Verbrennungszyklus durchzuführen, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung Folgendes aufweist: eine Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) zum Erlangen einer In-Zylindersauerstoffkonzentration an einem vorbestimmten Zeitpunkt während einer Zeitdauer von einem Zünden eines Kraftstoffs, der durch die Nacheinspritzung eingespritzt ist, bis zu einem Ende einer Verbrennung des Kraftstoffs; und eine Einspritzmengeneinstelleinrichtung (S422 - S428) zum Einstellen wenigstens einer von einer Haupteinspritzmenge und einer Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration, die durch die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) erlangt ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einspritzmengeneinstelleinrichtung (S422 - S428) die Haupteinspritzmenge und die Nacheinspritzmenge basierend auf der In-Zylindersauerstoffkonzentration einstellt, während eine Gesamtkraftstoffeinspritzmenge für einen Verbrennungszyklus, die basierend auf einem Maschinenbetriebszustand eingestellt ist, nicht geändert ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) die In-Zylindersauerstoffkonzentration basierend auf einer Sauerstoffkonzentration eines Einlassgases, das in einen Zylinder (14) der Maschine (10) zugeführt ist, einer Sauerstoffkonzentration eines Abgases, das aus dem Zylinder (14) abgegeben ist, und einer Wärmeabgabemenge in dem Zylinder (14) berechnet.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner Folgendes aufweist: eine Wärmeabgabemengenberechnungseinrichtung (66, S414) zum Berechnen einer Wärmeabgaberate in dem Zylinder (14) basierend auf einem In-Zylinderdruck, der durch einen In-Zylinderdrucksensor (66) erfasst ist, einem Kurbelwinkel und einem In-Zylindervolumen, und zum Berechnen der Wärmeabgabemenge durch ein Integrieren der Wärmeabgaberate, wobei die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) die Wärmeabgabemenge aus der Wärmeabgabemengenberechnungseinrichtung (66, S414) erlangt.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner Folgendes aufweist: eine Wärmeabgabemengenschätzeinrichtung zum Schätzen der Wärmeabgabemenge basierend auf einem physikalischen Wert, der auf einen Verbrennungszustand in dem Zylinder (14) bezogen ist, wobei die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) die Wärmeabgabemenge von der Wärmeabgabemengenschätzeinrichtung erlangt.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Wärmeabgabemengenschätzeinrichtung die Wärmeabgabemenge basierend auf dem physikalischen Wert einschließlich einer Maschinendrehzahl schätzt.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner Folgendes aufweist: eine Verbrennungszustandberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Verhältnisses einer In-Zylindersauerstoffmenge, die aus der In-Zylindersauerstoffkonzentration berechnet ist, hinsichtlich der Nacheinspritzmenge, als einen Verbrennungsparameter, der einen Verbrennungszustand in dem Zylinder (14) repräsentiert, wobei die Einspritzmengeneinstelleinrichtung (S422 - S428) wenigstens die Nacheinspritzmenge einstellt, sodass das Verhältnis der In-Zylindersauerstoffmenge hinsichtlich der Nacheinspritzmenge auf einen Sollwert gesteuert ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einspritzmengeneinstelleinrichtung (S422 - S428) den Sollwert vorab aufweist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sauerstoffkonzentrationserlangungseinrichtung (74, 76, S418) die In-Zylindersauerstoffkonzentration zu dem Zündzeitpunkt des Kraftstoffs erlangt, der durch die Nacheinspritzung eingespritzt ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Zeitpunkt, zu dem die Wärmeabgaberate durch eine Verbrennung eines Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung verringert wird und zu dem eine Erhöhung der Wärmeabgaberate des Kraftstoffs durch die Nacheinspritzung beginnt, als der Zündzeitpunkt des Kraftstoffs definiert ist, der durch die Nacheinspritzung eingespritzt ist.