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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Kraftstoffeinspritzsteuerungssystem für Brennkraftmaschinen, die dazu ausgelegt sind, Mehrfacheinspritzungen von Kraftstoff in die Kraftmaschine durchzuführen, um das Kraftstoffgeräusch sowie die Menge von in Abgasemissionen der Kraftmaschine enthaltenem NOx (Stickoxiden) und PM (Partikel) zu minimieren.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Im Allgemeinen sind Common-Rail-Einspritzsysteme bekannt, die dazu konstruiert wurden, in einer Common Rail gespeicherten Hochdruckkraftstoff direkt in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Genauer gesagt arbeiten die Common-Rail-Einspritzsysteme so, dass sie Mehrfacheinspritzungen von Kraftstoff in die Brennkammer der Kraftmaschine während eines einzelnen Verbrennungsereignisses durchführen, um Kraftmaschinengeräusche zu verringern, die von dem Verbrennen des Kraftstoffs herrühren, und um die Menge schadhafter Emissionen, etwa in dem Abgas enthaltenem NOx zu verringern. Typische Common-Rail-Einspritzsysteme sind so ausgelegt, dass sie drei Einspritzereignisse ausführen: eine Haupteinspritzung zum Einsprühen des meisten Kraftstoffs, eine Voreinspritzung unmittelbar vor der Haupteinspritzung und eine der Haupteinspritzung nachfolgende Nacheinspritzung.
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Der in der Nacheinspritzung eingesprühte Kraftstoff dient dazu, durch die Verbrennung des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs erzeugtes Gas zu oxidieren, wodurch Partikel (PM), etwa in dem Gas enthaltener Ruß, der aus der Verbrennung des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs herrührt, zu oxidieren, um die Menge der Partikel zu verringern. Die Nacheinspritzung wird, wie dies zuvor beschrieben ist, dem Haupteinspritzungsereignis folgend durchgeführt. Die Haupteinspritzung dient dem Einsprühen einer Menge des Kraftstoffs, die größer als jene ist, die in den Ereignissen der Voreinspritzung und der Nacheinspritzung eingesprüht werden, sodass der Druck in der Brennkammer stärker als in der Vor- und der Nacheinspritzung ansteigen wird. Die Nacheinspritzung muss daher den Kraftstoff gegen den Druck einsprühen, der bei dem Ereignis der Haupteinspritzung erhöht wurde.
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Der Druck des in der Common Rail gespeicherten Kraftstoffs wird für gewöhnlich bei einem konstanten Zielniveau gehalten, welches gemeinsam für die Voreinspritzung, die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung festgelegt wird. Die Erhöhung des Zielniveaus zum Zwecke der Beseitigung von Partikeln von den Abgasemissionen wird daher zu einer ungewünschten Erhöhung des Drucks führen, bei dem der Kraftstoff in der Voreinspritzung eingesprüht wird. Die Voreinspritzung dient dem Einsprühen einer Menge von Kraftstoff, die viel kleiner als jene während der Ereignisse der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung. Das Einsprühen des Kraftstoffs durch die Voreinspritzung bei einem erhöhten Druck verursacht daher, dass sich der Kraftstoff in der Brennkammer in einer kurzen Zeitspanne in der die Luft verteilt. Dies wird zu einem Absenken der Zündfähigkeit des Kraftstoffs führen, was zu einer Fehlzündung des Kraftstoffs in der Kraftmaschine führen kann. Das Einsprühen des Kraftstoffs durch die Haupteinspritzung bei dem erhöhten Druck verursacht eine relativ große Menge des schnell zu verbrennenden Kraftstoffs, was in einem schnellen Anstieg des Drucks in der Brennkammer resultiert, was zu einer Vergrößerung des Kraftmaschinengeräuschs oder Erhöhung der Menge des emittierten NOx führt. Somit gibt es eine gegensätzliche Beziehung zwischen der Verringerung des Kraftmaschinengeräuschs oder der NOx-Emissionen und der Partikelemissionen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzsteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das als ein Mehrfacheinspritzungssteuerungssystem ausgestaltet ist, um eine Kompatibilität zwischen einer Verringerung des Kraftmaschinengeräuschs oder von NOx und einer Verringerung von in den Abgasemissionen der Kraftmaschine enthaltenen Partikeln sicherzustellen.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Kraftstoffeinspritzsteuerungssystem für eine Brennkraftmaschine, etwa eine Kraftfahrzeugdieselkraftmaschine bereitgestellt, die mit einer Brennkammer und einem in der Brennkammer installierten Kraftstoffinjektor ausgestattet ist. Das Kraftstoffeinspritzsteuerungssystem weist folgendes auf: (a) ein Kraftstoffzuführsystem, das so arbeitet, dass es Kraftstoff mit Druck beaufschlagt und zu dem Kraftstoffinjektor zuführt; (b) eine Kraftstoffmengenberechnungseinrichtung, die eine Sollmenge des von dem Kraftstoffinjektor in die Brennkammer einzusprühenden Kraftstoffs berechnet; (c) eine Injektorantriebseinrichtung, die einen Betrieb des Kraftstoffinjektors antreibt, um die durch die Einspritzmengenberechnungseinheit berechnete Kraftstoffmenge in einer Reihenfolge aus einer Voreinspritzung, einer Haupteinspritzung und einer Nacheinspritzung einzusprühen, wobei die Haupteinspritzung dazu dient, das meiste der durch die Einspritzmengenberechnungseinheit berechneten Kraftstoffsollmenge bei einem Haupteinspritzungsdruckniveau einzusprühen, wobei die Voreinspritzung vor der Haupteinspritzung durchgeführt wird, um einen Anteil der Kraftstoffsollmenge bei einem Voreinspritzungsdruckniveau einzusprühen, wobei die Nacheinspritzung der Haupteinspritzung folgend durchgeführt wird, um einen Anteil der Kraftstoffsollmenge bei einem Nacheinspritzungsdruckniveau einzusprühen; und (d) einen Kraftstoffdruckregler, der dazu dient, den Druck des zu dem Kraftstoffinjektor geschickten Kraftstoffs so zu regeln, dass zumindest zwei von dem Voreinspritzungsdruckniveau, dem Haupteinspritzungsdruckniveau und dem Nacheinspritzungsdruckniveau voneinander verschieden sind.
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Beispielsweise kann das Kraftstoffeinspritzsteuerungssystem so gebaut sein, dass es die Nacheinspritzung des Kraftstoffs bei einem erhöhten Druckniveau in die Brennkammer durchführt, in der der Druck und die Temperatur durch die Verbrennung des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs bereits erhöht wurden, sodass der in der Nacheinspritzung eingesprühte Kraftstoff mit dem verbrannten Gas gemischt wird, welches durch die Einspritzung bei dem erhöhten Druckniveau verrührt bzw. bewegt wird. Dies erleichtert die Oxidation der nicht verbrannten Substanz, etwa der in dem verbrannten Gas enthaltenen Partikel, mittels des in der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoffs, und ermöglicht zudem, dass das Voreinspritzungsdruckniveau so abgesenkt wird, dass ein Fehlzünden des Kraftstoffs und ein schnelles Erhöhen des Drucks in der Brennkammer zu Beginn der Haupteinspritzung verhindert wird. Dadurch werden daher ein Verringern des Verbrennungsgeräuschs und des NOx und ein Verringern der Menge von schadhaften Erzeugnissen, etwa Partikeln, erreicht.
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In der bevorzugten Art der Erfindung kann der Kraftstoffdruckregler so arbeiten, dass er das Voreinspritzungsdruckniveau niedriger als das Haupteinspritzungsdruckniveau festlegt. Für gewöhnlich ist die Menge des in der Voreinspritzung eingesprühten Kraftstoffs viel kleiner als jene des in der Haupt- und der Nacheinspritzung eingespritzten Kraftstoffs. Eine Erhöhung des Grads des Durchdringens oder des Ausbreitens des Kraftstoffs in der Voreinspritzung wird daher ein Mischen des Kraftstoffs mit Luft in der Brennkammer so verursachen, dass es mager ist, was in einer Instabilität der Zündfähigkeit des Gemischs resultiert, was zu einer Fehlzündung führt. Der Grad des Durchdringens oder des Ausbreitens hängt von dem Druck ab, bei dem der Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor eingesprüht wird. Wenn das Voreinspritzungsdruckniveau identisch zu dem Haupteinspritzungsdruckniveau festgelegt wird, neigt daher der in der Voreinspritzung eingesprühte Kraftstoff dazu, fehlgezündet zu werden. Das Absenken des Voreinspritzungsdruckniveaus auf unterhalb des Haupteinspritzungsdruckniveaus verursacht, dass ein in der Voreinspritzung erzeugter Kraftstoffstrahl um den Kraftstoffinjektor herum verbleibt, sodass ein angefettetes Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer erzeugt wird, wodurch die Stabilität der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs sichergestellt wird. Dies verhindert die Fehlzündung in der Voreinspritzung und stellt zudem die Stabilität beim Verbrennen des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs sicher.
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Der Kraftstoffdruckregler kann zudem das Nacheinspritzungsdruckniveau höher als das Haupteinspritzungsdruckniveau festlegen. Die Nacheinspritzung wird der Haupteinspritzung folgend durchgeführt. Die Haupteinspritzung dient dazu, viel Kraftstoff einzusprühen. Nachdem der in der Haupteinspritzung eingesprühte Kraftstoff verbrannt wurde, werden daher der Druck und die Temperatur in der Brennkammer erhöht. Wenn die Nacheinspritzung des Kraftstoffs bei dem gleichen Druck wie bei der Haupteinspritzung durchgeführt wird, kann dies zu einem Mangel des Grads der Durchdringung des Kraftstoffs führen, was zu einem Mangel des Vermischens der in der Haupteinspritzung erzeugten verbrannten Gase mit dem in der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoff führt. Um dieses Problem zu vermeiden, legt der Kraftstoffdruckregler das Nacheinspritzungsdruckniveau höher als das Haupteinspritzungsdruckniveau fest, um das Vermischen des durch den Kraftstoffinjektor eingesprühten Kraftstoffs mit dem durch den Kraftstoff in der Haupteinspritzung erzeugten verbrannten Gas innerhalb der Gesamtheit der Brennkammer zu erleichtern. Dies verbessert das Oxidieren unverbrannter Substanzen, die in dem Gas enthalten sind, das durch die Verbrennung des Kraftstoffs in der Nacheinspritzung erzeugt wird, und führt zu einer Verringerung der Menge bspw. von in den Abgasemissionen der Kraftmaschine enthaltenen Partikeln.
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Das Kraftstoffzuführsystem kann mit einer Zuführpumpe, einer ersten Common Rail und einer zweiten Common Rail ausgestattet sein. Die Zufuhrpumpe dient dazu, den Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen. Die erste Common Rail speichert den von der Kraftstoffzuführpumpe geschickten Kraftstoff bei einem ersten Druckniveau. Die zweite Common Rail speichert den von der Zuführpumpe geschickten Kraftstoff bei einem zweiten Druckniveau, das niedriger als das erste Druckniveau ist. Der Kraftstoffdruckregler dient dazu, zwischen einer Fluidverbindung der ersten Common Rail zu dem Kraftstoffinjektor und einer Fluidverbindung der zweiten Common Rail zu dem Kraftstoffinjektor umzuschalten, um den Druck des zu dem Kraftstoffinjektor geschickten Kraftstoffs zu ändern. Dies ermöglicht es, die Zeit, in der der Kraftstoffdruck zu dem Kraftstoffinjektor zugeführt wird, so zu ändern, dass sie einfach in Synchronisation mit der Zeitgebung der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung oder der Nacheinspritzung angeordnet ist.
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Das Kraftstoffzuführsystem kann alternativ mit einer Zuführpumpe, einem Kraftstoffzuführpfad, einem Rückführpfad und einem Druckverringerungsventil ausgestattet sein. Die Zuführpumpe dient dazu, den Kraftstoff mit Druck zu beaufschlagen. Der Kraftstoffzuführpfad verbindet die Zuführpumpe mit dem Kraftstoffinjektor, um den Kraftstoff von der Zuführpumpe zu dem Kraftstoffinjektor zuzuführen. Der Rückführpfad zweigt von dem Kraftstoffzuführpfad ab, sodass er ein zu einem Kraftstofftank führendes Ende hat. Das Druckverringerungsventil ist in dem Rückführpfad angeordnet. Der Kraftstoffdruckregler dient dazu, zumindest eines von einer Strömungsrate des von der Zuführpumpe abgegebenen Kraftstoffs und einem Grad, bis zu dem das Druckverringerungsventil geöffnet ist, zu steuern, um den Druck des zu dem Kraftstoffinjektor geschickten Kraftstoffs zu ändern. Genauer gesagt wird der Kraftstoff zu dem Kraftstoffinjektor bei einem höheren Druck geschickt, wenn sich das Druckverringerungsventil in einer geschlossenen Position befindet, während der Kraftstoff zu dem Kraftstoffinjektor bei einem niedrigeren Druck geschickt wird, wenn sich das Druckverringerungsventil in einer geöffneten Position befindet. Außerdem wird der Druck des zu dem Kraftstoffinjektor zuzuführenden Kraftstoffs geändert, indem die Menge des von der Zuführpumpe abgegebenen Kraftstoffs geregelt wird. Ein solcher Aufbau des Kraftstoffzuführsystems macht es somit einfach, die Zeit, bei der der Druck des zu dem Kraftstoffinjektor 12 zugeführten Kraftstoffs geändert wird, synchron mit der Zeitgebung der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung anzuordnen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung kann aus der im Weiteren angegebenen ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung vollständiger verstanden werden, die jedoch nicht dazu herangezogen werden sollten, die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsbeispiele zu beschränken, sondern die lediglich dem Zwecke der Erläuterung und des Verständnisses dienen.
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In den Zeichnungen ist:
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1 ein schematisches Schaubild, das ein Dieselkraftmaschinensystem darstellt, das mit einer Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels ausgestattet ist;
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2 ein Blockdiagramm, das die in 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung zeigt;
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3 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Menge des eingesprühten Kraftstoffs und einer Winkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine wiedergibt;
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4 ein Ablaufdiagramm einer Abfolge logischer Schritte oder eines Programms, das durch die Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung von 2 auszuführen ist, um den Druck zu regeln, bei dem der Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingesprüht wird;
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5 ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Partikelgröße eines durch einen Kraftstoffinjektor erzeugten Kraftstoffstrahls und dem Druck wiedergibt, bei dem der Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor eingesprüht wird;
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6 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Menge der von einer Brennkraftmaschine emittierten Partikel und dem Druck der Nacheinspritzung wiedergibt;
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7 eine Darstellung, die eine Beziehung einer Änderung einer Menge des verbrannten Kraftstoffs auf eine Eingabe eines Antriebssignals zu einem Kraftstoffinjektor und einer Winkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine wiedergibt;
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8 ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Menge des verbrannten Kraftstoffs in einem Ereignis einer Voreinspritzung und einem Kraftstoffeinspritzdruck wiedergibt;
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9 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Länge eines Kraftstoffstrahls und der Zeit wiedergibt, die seit dem Start des Einsprühens des Kraftstoffs verstrichen ist;
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10 ein schematisches Schaubild, das eine Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt; und
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11 ein schematisches Schaubild, das eine Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung des dritten Ausführungsbeispiels zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile in verschiedenen Ansichten beziehen, insbesondere unter Bezugnahme auf 1 ist ein Dieselkraftmaschinensystem 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, das als ein Common-Rail-Mehrfachkraftstoffeinspritzungssystem für in Kraftfahrzeugen montierten Brennkraftmaschinen gebaut ist.
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Das Dieselkraftmaschinensystem 10 hat eine Dieselkraftmaschine 11, Kraftstoffinjektoren 12 und ein Kraftstoffzuführsystem 13. Die Dieselkraftmaschine 11 ist mit einem Zylinderblock 14, einem Zylinderkopf 15 und Kolben 16 ausgestattet. Der Zylinderblock 14 hat eine Vielzahl von Zylindern 17, die darin ausgebildet sind. Der Zylinderkopf 15 ist an einer Endfläche des Zylinderblocks 14 montiert.
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Jeder der Kolben 16 befindet sich in einem der Zylinder 17, sodass er in einer Achsrichtung der Zylinder 17 hin und her bewegbar ist. Die die Zylinder 17 definierenden Innenwände des Zylinderblocks 14, eine Innenwand des Zylinderkopfs 15 und Endflächen der Kolben 16 bilden Brennkammern 18.
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Die Kraftstoffinjektoren 12 passieren den Zylinderkopf 15, wobei deren Köpfe jeweils den Brennkammern 18 ausgesetzt sind. Das Kraftstoffzuführsystem 13 ist mit einer ersten Common Rail 21, einer zweiten Common Rail 22, einer Zuführpumpe 23 und einem Kraftstofftank 24 ausgestattet. Die Zuführpumpe 23 arbeitet so, dass sie Kraftstoff von dem Kraftstofftank 24 ansaugt und diesen mit Druck beaufschlagt und zu der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 zuführt. Die erste und die zweite Common Rail 21 und 22 dienen als Kraftstoffdruckspeicher zum Speichern des Kraftstoffs darin, der von der Zuführpumpe 23 zugeführt wird, und halten ihn bei einem gesteuerten Druckniveau. Die erste und die zweite Common Rail 21 und 22 sind durch ein Auswählventil 25 mit den Kraftstoffinjektoren 12 verbunden. Genauer gesagt ist jeder der Kraftstoffinjektoren 12 mit einem Kraftstoffzuführrohr 26 verbunden. Jedes der Kraftstoffzuführrohre 26 führt zu einer ersten Zuführleitung 31 und einer zweiten Zuführleitung 32 durch das Auswählventil 25. Die erste Zuführleitung 31 ist mit der ersten Common Rail 21 verbunden. Die zweite Zuführleitung 32 ist mit der zweiten Common Rail 22 verbunden. Das Auswählventil 25 dient dazu, eine Fluidverbindung zwischen jedem der Kraftstoffinjektoren 12 und der ersten Common Rail 21 oder der zweiten Common Rail 22 aufzustellen.
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Die erste Common Rail 21 ist so gebaut, dass sie den Kraftstoff bei einem Druckniveau speichert, das höher als jenes in der zweiten Common Rail 22 ist. Genauer gesagt beaufschlagt die Zuführpumpe 23 den Kraftstoff mit Druck und schickt ihn sowohl zu der ersten Common Rail 21 als auch zu der zweiten Common Rail 22. Die erste und die zweite Common Rail 21 und 22 speichern den Kraftstoff bei voneinander verschiedenen Druckniveaus. Entweder die erste Common Rail 21 oder die zweite Common Rail 22 führt den Kraftstoff zu den Kraftstoffinjektoren 12 zu.
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Das Dieselkraftmaschinensystem 10 beinhaltet zudem ein Einlasssystem 34 und ein Auslasssystem 35. Das Einlasssystem 34 ist mit einem Einlassrohr 36 und einer Drossel 37 ausgestattet. In dem Einlassrohr 36 ist ein Einlasspfad 38 ausgebildet, der an einem seiner Enden mit den Brennkammern 18 in Verbindung ist und der an seinem anderen Ende der Luft ausgesetzt ist. Die Drossel 37 dient dazu, den Einlasspfad 37 zu öffnen oder zu schließen, um einen Einlassluftstrom zu steuern. Das Auslasssystem 35 ist mit einem Auslassrohr 41 und einer Emissionssteuerungsvorrichtung (nicht gezeigt) ausgestattet. In dem Auslassrohr 41 ist ein Auslasspfad 42 ausgebildet, der an seinem einen Ende mit den Brennkammern 18 in Verbindung ist und dessen anderes Ende der Luft ausgesetzt ist. Die Abgasemissionsvorrichtung ist in einem Abschnitt des Auslasspfads 42 angeordnet, um die Emissionen der Brennkammern 18 zu steuern.
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Das Dieselkraftmaschinensystem 10 hat zudem eine Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung 50, die mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 51 ausgestattet ist. Die ECU 51 ist elektrisch mit einem Einlassluftdrucksensor 52, einem Einlasslufttemperatursensor 53, einem Beschleunigungseinrichtungspositionssensor 54, einem Drehzahlsensor 55, einem Kühlmitteltemperatursensor 56, einem ersten Drucksensor 57, einem zweiten Drucksensor 58 und einem Einlassluftmengensensor 59 verbunden. Der Einlassluftdrucksensor 52 misst den Druck der durch den Einlasspfad 38 strömenden Einlassluft und gibt ein diesen Druck anzeigendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Der Einlasslufttemperatursensor 53 misst die Temperatur der durch den Einlasspfad 38 strömenden Einlassluft und gibt ein diese Temperatur angebendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Der Beschleunigungseinrichtungspositionssensor 54 misst die Position eines Beschleunigungseinrichtungspedals (nicht gezeigt), das in dem Fahrzeug montiert ist und das eine Funktion einer Bemühung eines Fahrers an dem Beschleunigungseinrichtungspedal wiedergibt, und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Der Drehzahlsensor 55 misst die Drehzahl einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle der Kraftmaschine 11 und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Der Kühlmitteltemperatursensor 56 misst die Temperatur eines Kühlmittels für die Kraftmaschine 11 und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Der erste Drucksensor 57 misst den Druck des Kraftstoffs in der ersten Common Rail 21 und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Auf ähnliche Weise misst der zweite Drucksensor 58 den Druck des Kraftstoffs in der zweiten Common Rail 22 und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus. Der Einlassluftmengensensor 59 misst die Menge (oder eine Strömungsrate) der von einem Einlasspfad 38 in die Brennkammern 18 eingesaugten Einlassluft und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zu der ECU 51 aus.
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Die ECU 51 ist durch einen Mikrocomputer (nicht gezeigt) implementiert, der aus einer CPU, einem ROM und einem RAM aufgebaut ist. Die ECU 51 dient dazu, in dem ROM gespeicherte Computerprogramme auszuführen, um den gesamten Betrieb der Dieselkraftmaschine 10 zu steuern. Genauer gesagt führt die ECU 51 die Computerprogramme aus, um, wie dies in 2 dargestellt ist, eine Einspritzmengenberechnungseinheit 61, eine Injektorantriebseinrichtung 62, eine Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 und eine Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 63 funktional aufzubauen. Die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61, die Injektorantriebseinrichtung 62, die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 und die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 können alternativ durch Hardware implementiert werden. Die ECU 51 ist zudem mit einer Speichervorrichtung 65 verbunden, die bspw. durch einen nicht flüchtigen Speicher implementiert ist. Die Speichervorrichtung 65 kann von dem ROM und dem RAM der ECU 51 gemeinsam genutzt werden.
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Die Einspritzmengenberechnungseinheit 61 berechnet eine Kraftstoffsollmenge, die von jedem der Kraftstoffinjektoren 12 in eine entsprechende Brennkammer einzusprühen ist. Genauer gesagt analysiert die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61 eine Ausgabe des Beschleunigungseinrichtungspositionssensors 54 und die Drehzahl der Kurbelwelle, die durch den Drehzahlsensor 55 gemessen wird, um eine Einspritzmenge Q des Kraftstoffs zu bestimmen. Die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61 korrigiert zudem die Einspritzmenge Q auf Grundlage des durch den Einlassluftdrucksensor 52 gemessenen Drucks der Einlassluft, der durch den Einlasslufttemperatursensor 53 gemessenen Einlasslufttemperatur, der durch den Kühlmitteltemperatursensor 56 gemessenen Kühlmitteltemperatur, der durch den Einlassluftmengensensor 59 gemessenen Einlassluftmenge und der Einspritzcharakteristiken der Kraftstoffinjektoren 12, um eine Solleinspritzmenge Qd zu bestimmen, die die Menge des von den jeweiligen Kraftstoffinjektoren 12 einzusprühende Kraftstoffs ist. Die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61 teilt zudem die Solleinspritzmenge Qd in eine Haupteinspritzmenge Qm, die die Menge des in der Haupteinspritzung einzusprühenden Kraftstoffs ist (d. h., einer einzigen Haupteinspritzung), eine Voreinspritzungsmenge Qp, die die Menge des in der Voreinspritzung einzusprühenden Kraftstoffs ist, und eine Nacheinspritzungsmenge Qa auf, die die Menge des in der Nacheinspritzung einzusprühenden Kraftstoffs ist.
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Die Injektorantriebseinrichtung 62 dient dazu, einen Betrieb eines jeden der Kraftstoffinjektoren 12 zum Einsprühen der durch die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61 bestimmten Solleinspritzmenge Qd einzusprühen. Genauer gesagt gibt die Injektorantriebseinrichtung 62 eine Abfolge von Antriebssignalen zu einem (nicht gezeigten) elektromagnetischen Stellglied eines jeden der Kraftstoffinjektoren 12 aus, um deren Einsprühloch intermittierend zu öffnen. Die Injektorantriebseinrichtung 62 bestimmt eine Einschaltdauer (d. h. die Einspritzperiode), für welche jeder der Kraftstoffinjektoren 12 offen zu halten ist, als eine Funktion des Kraftstoffdrucks in der ersten Common Rail 21 oder der zweiten Common Rail 22 und eine Dauer einer entsprechenden Haupt-, Vor- und Nacheinspritzung und gibt das Antriebssignal für die bestimmte Einschaltdauer zu den Kraftstoffinjektoren 12 aus. Jeder der Kraftstoffinjektoren 12 spricht auf das Antriebssignal an, das von der Injektorantriebseinrichtung 62 ausgegeben wurde, um eine entsprechende von der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung durchzuführen, um die Voreinspritzungsmenge Qp, die Haupteinspritzungsmenge Qm oder die Nacheinspritzungsmenge Qa in die Kraftmaschine 11 einzusprühen.
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Die Voreinspritzung, die Haupteinspritzung die Nacheinspritzung werden, wie dies in 3 dargestellt ist, der Reihe nach je Takt durchgeführt, d. h., in jedem Kraftmaschinenverbrennungszyklus (einem viertaktigen Zyklus), der einen Einlass oder eine Einbringung, eine Kompression, eine Expansion und einen Auslass enthält. Genauer gesagt wird eine solche Reihe von mehrfachen Einspritzungen in einer vorgegebenen Zeitspanne (die auch im Folgenden als eine Mehrfacheinspritzungsdauer bezeichnet wird) durchgeführt, die ein Zeitintervall zwischen dem Kompressionstakt und dem Expansionstakt (d. h. der Bewegung des Kolbens 16 von dem unteren Totpunkt (BDC) zu dem oberen Totpunkt (TDC) und zu BDC ist). Die Haupteinspritzungsmenge Qm ist das meiste der Solleinspritzungsmenge Qd des in jeder Mehrfacheinspritzungsdauer einzusprühenden Kraftstoffs. Die Voreinspritzung wird unmittelbar vor der Haupteinspritzung durchgeführt. Die Voreinspritzungsmenge Qp des Kraftstoffs ist die Solleinspritzungsmenge Qd abzüglich der Summe der Haupteinspritzungsmenge Qm und der Nacheinspritzungsmenge Qa. Die Nacheinspritzung wird unmittelbar nach der Haupteinspritzung durchgeführt. Die Nacheinspritzungsmenge Qa des Kraftstoffs ist die Solleinspritzungsmenge Qd abzüglich der Summe aus der Haupteinspritzungsmenge Qm und der Voreinspritzungsmenge Qp. Die Solleinspritzungsmenge Qd wird daher durch eine Beziehung Qd = Qm + Qp + Qa angegeben. Die Haupteinspritzungsmenge Qm, die Voreinspritzungsmenge Qp und die Nacheinspritzungsmenge Qa sind so ausgewählt, dass sie eine Beziehung Qm > Qa > Qp erfüllen.
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Die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 arbeitet als eine Kraftstoffdruckberechnungseinrichtung zum Berechnen oder Bestimmen der Solldrücke des jeweils in der ersten Common Rail 21 und der zweiten Common Rail 22 gespeicherten Kraftstoffs. Die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 arbeitet zudem als ein Kraftstoffdruckregler zum Regulieren oder Festlegen des Solldrucks in der ersten Common Rail 21 so, dass er höher als jener in der zweiten Common Rail 22 ist. Genauer gesagt wird die erste Common Rail 21 so gesteuert, dass sie den Druck bei einem Druckniveau P1 zur Verwendung in der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung speichert, während die zweite Common Rail 22 so gesteuert wird, dass sie den Druck bei einem Druckniveau P2 zur Verwendung in der Voreinspritzung speichert. Wenn es erforderlich ist, die Voreinspritzung durchzuführen, wird jeder der Kraftstoffinjektoren 12 von der zweiten Common Rail 22 mit dem Kraftstoff des Druckniveaus P2 versorgt. Wenn es erforderlich ist, die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung durchzuführen, wird jeder der Kraftstoffinjektoren 12 mit dem Kraftstoff des Druckniveaus P1 von der ersten Common Rail 21 versorgt.
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Alternativ kann die zweite Common Rail 22 so gesteuert werden, dass sie den Kraftstoff bei dem Druckniveau P1 zur Verwendung in der Nacheinspritzung speichert, wohingegen die erste Common Rail 21 so gesteuert werden kann, dass sie den Kraftstoff bei dem Druckniveau P2 zur Verwendung in der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung speichert. Wenn es erforderlich ist, die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung durchzuführen, wird jeder der Kraftstoffinjektoren 12 mit dem Kraftstoff des Druckniveaus P2 von der zweiten Common Rail 22 versorgt. Wenn es erforderlich ist, die Nacheinspritzung durchzuführen, wird jeder der Kraftstoffinjektoren 12 mit dem Kraftstoff des Druckniveaus P1 von der ersten Common Rail 21 versorgt. In der Nacheinspritzung sprühen die Kraftstoffinjektoren 12 den Kraftstoff bei dem Druck ein, der höher als jener in den Ereignissen der Vor- und der Haupteinspritzung ist.
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Die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 arbeitet so, dass sie das Auswählventil 25 ein- oder ausschaltet, wenn es erforderlich ist, die Mehrfacheinspritzungen durchzuführen. Die sich von den Kraftstoffinjektoren 12 erstreckenden Kraftstoffzuführrohre 26 sind, wie dies zuvor beschrieben wurde, durch das Auswählventil 25 entweder mit der ersten Zuführleitung 31 oder der zweiten Zuführleitung 32 verbunden. Die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 schaltet das Auswählventil 25 ein oder aus, um die Fluidverbindung der Kraftstoffzuführrohre 26 wahlweise mit der ersten Zuführleitung 31 oder der zweiten Zuführleitung 32 zu verbinden, wodurch den Kraftstoffinjektoren 12 ermöglicht wird, den Kraftstoff nach Bedarf entweder bei dem ersten Druckniveau P1 oder bei dem zweiten Druckniveau P2 einzusprühen.
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Die zuvor genannten Betriebe des Dieselkraftmaschinensystems 10 sind nachstehend unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm eines Kraftstoffeinspritzsteuerungsprogramms beschrieben, das in 4 dargestellt ist.
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Nach dem Start des Dieselkraftmaschinensystems 10 startet die ECU 51 das Ausführen des Programms bei regelmäßigen Intervallen.
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Zuerst bestimmt die ECU 51 in Schritt S101 einen Betriebszustand des Dieselkraftmaschinensystems 10. Genauer gesagt überwacht die ECU 51 die Ausgabe des Beschleunigungseinrichtungspositionssensors 54, der die Position des Beschleunigungseinrichtungspedals (d. h. eine Öffnungsposition der Drossel 37) angibt, und die durch den Drehzahlsensor 55 gemessene Drehzahl der Kraftmaschine 11, um den Betriebszustand des Dieselkraftmaschinensystems 10 zu bestimmen (d. h. den Grad der erforderlichen Last an dem Dieselkraftmaschinensystem 10).
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Die Routine schreitet dann zu Schritt S102 vor, bei dem die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61 die Einspritzmenge Q des Kraftstoffs auf Grundlage des in Schritt S101 erhaltenen Betriebszustands des Dieselkraftmaschinensystems 10 bestimmt. Die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 161 korrigiert zudem die Einspritzmenge Q auf Grundlage des durch den Einlassluftdrucksensor 52 gemessenen Drucks der Einlassluft, der durch den Einlasslufttemperatursensor 53 gemessenen Temperatur der Einlassluft, der durch den Kühlmitteltemperatursensor 56 gemessenen Temperatur des Kühlmittels, der durch den Einlassluftmengensensor 51 gemessenen Einlassluftmenge und der Einspritzcharakteristiken der Kraftstoffinjektoren 12, um die Solleinspritzmenge Qd zu bestimmen.
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Die Routine schreitet dann zu Schritt S103 vor, bei dem die Einspritzmengenberechnungseinrichtung 61 zudem die Einspritzzeitgebung, bei der der Kraftstoff von den Kraftstoffinjektoren 12 einzuspritzen ist, als eine Funktion der Position des Kolbens 16, der sich von BDC auf TDC in dem Kompressionstakt oder von TDC auf BDC in dem Expansionstakt bewegt, d. h., als die Winkelposition der Kurbelwelle der Kraftmaschine 11 bestimmt. Genauer gesagt dient die Kraftstoffmengenberechnungseinrichtung 61 als eine Einspritzzeitgebungsberechnungseinrichtung, um Zeitpunkte zu bestimmen, zu denen die Voreinspritzung, die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung während der vorstehend beschriebenen Mehrfacheinspritzungsdauer auszuführen ist. Mit anderen Worten bestimmt die Einspritzmengenberechnungseinheit 61 die Einspritzzeitgebungen der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung mit Bezug auf die Position des Kolbens 16 in jedem der Zylinder 17, d. h. auf die Winkelposition der Kurbelwelle der Kraftmaschine 11.
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Die Routine schreitet dann zu S104 vor, in dem die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 die Ausgaben von dem ersten Drucksensor 57 und dem zweiten Drucksensor 58 überwacht, um die tatsächlichen Drücke des Kraftstoffs in der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 zu bestimmen.
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Die Routine schreitet zu Schritt S105 vor, bei dem bestimmt wird, ob der Einspritzdruck, der der Druck ist, bei dem der Kraftstoff von den Kraftstoffinjektoren 12 einzuspritzen ist, in der darauffolgenden Mehrfacheinspritzungsdauer zu ändern ist oder nicht. Beispielsweise dann, wenn das Dieselkraftmaschinensystem 10 in einem niedrigen Lastzustand oder im Leerlauf arbeitet, entscheidet die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63, dass es nicht erforderlich ist, den Einspritzdruck zu ändern. Auf diese Weise bestimmt die Kraftstoffdrucksteuerungseinrichtung 63, ob der Einspritzdruck geändert werden sollte oder nicht, als eine Funktion des Betriebszustands des Dieselkraftmaschinensystems 10, der in Schritt S101 ermittelt wird.
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Falls in Schritt S105 JA als Antwort erhalten wird, bedeutet dies, dass der Einspritzdruck geändert werden sollte, und dann schreitet die Routine zu Schritt S106 vor, bei dem die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 als ein Common-Rail-Druckbestimmungsschaltkreis arbeitet, um Solldruckniveaus zu bestimmen, bei denen der Kraftstoff in der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 zu speichern ist, und zwar jeweils auf Grundlage des Betriebszustands des Dieselkraftmaschinensystems 10, der in Schritt S101 erhalten wird. Genauer gesagt bestimmt die Kraftstoffdrucksteuerungseinrichtung 63 das erste Druckniveau P1 und das zweite Druckniveau P2 als die Druckniveaus des Kraftstoffs, die jeweils in der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 gespeichert sind. Das erste Druckniveau P1 ist, wie dies zuvor beschrieben ist, das Druckniveau, bei dem der Kraftstoff in der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung einzusprühen ist, während das zweite Druckniveau P2 das Druckniveau ist, mit dem der Kraftstoff in der Voreinspritzung einzusprühen ist.
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Die Routine schreitet zu S107 vor, in dem die Kraftstoffdrucksteuerungseinrichtung 63 als ein Druckregler arbeitet, um den Druck in der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 jeweils in Übereinstimmung mit dem ersten und dem zweiten Druckniveau P1 und P2 zu bringen.
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Die Routine schreitet zu S108 vor, in dem die Kraftstoffdrucksteuerungseinrichtung 63 eine Druckumschaltzeit bestimmt, welches die Zeit ist, zu der der Einspritzdruck zu ändern ist, und zwar auf Grundlage der Einspritzzeitgebungen der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung. Genauer gesagt wird die Voreinspritzung, wie dies zuvor beschrieben ist, ausgeführt, um den Kraftstoff bei dem zweiten Druckniveau P2 einzusprühen, wohingegen die Haupt- und die Nacheinspritzungen ausgeführt werden, um den Druck bei dem ersten Druckniveau P1 einzusprühen. Die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 legt somit die Druckschaltzeit zwischen den Zeiten der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung fest.
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Die Routine schreitet zu Schritt S109 vor, bei dem die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 das Auswählventil 25 umschaltet, um die Fluidverbindung zwischen jedem der Kraftstoffinjektoren 12 und der zweiten Common Rail 22 für die Voreinspritzung des Kraftstoffs in die Kraftmaschine 11 aufzustellen. Genauer gesagt treibt die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 das Auswählventil 25 an, um die Kraftstoffrohre 26 mit der zweiten Common Rail 22 zu verbinden, nachdem die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 in Schritt S105 bestimmt hat, dass der Einspritzdruck zu ändern ist, wodurch der Kraftstoff von der zweiten Common Rail 22 zu den Kraftstoffinjektoren 12 zugeführt wird.
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Die Routine schreitet zu Schritt S110 vor, in dem die Injektorantriebseinrichtung 62 jedes der Kraftstoffinjektoren 12 aktiviert, um den Kraftstoff dann einzusprühen, wenn die Einspritzzeitgebung der Voreinspritzung erreicht ist. Genauer gesagt sprüht jeder der Injektoren 12 den Kraftstoff bei dem zweiten Druckniveau P2 in dem Ereignis der Voreinspritzung in eine entsprechende der Brennkammern 18 der Kraftmaschine 11 ein.
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Die Routine schreitet zu Schritt S111 vor, in dem die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 das Auswählventil 25 umschaltet, um die Fluidverbindung zwischen jedem der Kraftstoffinjektoren und der ersten Common Rail 21 für die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung des Kraftstoffs in die Kraftmaschine 11 herstellt. Genauer gesagt treibt die Kraftstoffdruckauswähleinrichtung 64 das Auswählventil 25 an, um die Kraftstoffzuführrohre 26 mit der ersten Common Rail 21 zu verbinden, nachdem die Voreinspritzung in Schritt S110 vollendet wurde, um dadurch den Kraftstoff von der ersten Common Rail 21 zu den Kraftstoffinjektoren 12 zuzuführen.
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Die Routine schreitet zu Schritt S112 vor, in dem die Injektorantriebseinrichtung 62 jeden der Kraftstoffinjektoren 12 aktiviert, um den von der ersten Common Rail 21 geschickten Kraftstoff einzusprühen, wenn die Einspritzzeitgebung der Haupteinspritzung erreicht ist. Genauer gesagt sprüht jeder der Kraftstoffinjektoren 12 den Kraftstoff bei dem ersten Druckniveau P1 in dem Ereignis der Haupteinspritzung in eine entsprechende Brennkammer 18 der Kraftmaschine 11 ein.
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Die Routine schreitet dann zu Schritt S113 vor, in dem die Injektorantriebseinrichtung 62 jeden der Kraftstoffinjektoren 12 aktiviert, um den von der ersten Common Rail 21 geschickten Kraftstoff einzusprühen, wenn die Einspritzzeitgebung der Nacheinspritzung erreicht wurde. Genauer gesagt sprüht jeder der Kraftstoffinjektoren 12 den Kraftstoff mit dem ersten Druckniveau P1 bei dem Ereignis der Nacheinspritzung in eine entsprechende der Brennkammern 18 der Kraftmaschine 11.
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Falls in Schritt S105 die Antwort NEIN erhalten wird, was bedeutet, dass der Einspritzdruck in einem nachfolgenden Ereignis der Kraftstoffeinspritzung von Kraftstoff in die Kraftmaschine 11 nicht geändert werden sollte, dann schreitet die Routine zu Schritt S114 vor, in welchem die Injektorantriebseinrichtung 62 die Kraftstoffinjektoren 12 gemäß einem ausgewählten aus den Kraftstoffeinspritzprogrammen aktiviert. Genauer gesagt treibt die Injektorantriebseinrichtung 62 die Kraftstoffinjektoren 12 an, um eine Gesamtheit der Solleinspritzmenge Qd, die in Schritt S102 ermittelt wurde, einzusprühen, wenn die in Schritt S103 bestimmte Einspritzzeitgebung(en) erreicht ist (sind). Das eine der Kraftstoffeinspritzprogramme wird als eine Funktion des in Schritt S101 ermittelten Betriebszustands des Dieselkraftmaschinensystems 10 ausgewählt. Beispielsweise dann, wenn sich die Last an dem Dieselkraftmaschinensystem 10 (d. h. der Kraftmaschine 11) in einem niedrigen Bereich befindet, wird eines der Kraftstoffeinspritzprogramme ausgewählt, welches die Kraftstoffinjektoren 12 dazu anweist, lediglich die Haupt- und die Nacheinspritzung ohne die Voreinspritzung durchzuführen. In diesem Fall öffnet die Injektorantriebseinrichtung 62 die Kraftstoffinjektoren 12 dann nicht, wenn die Einspritzzeitgebung der Voreinspritzung erreicht wurde, und öffnet dann die Kraftstoffinjektoren 12, wenn die Einspritzzeitgebungen der Haupt- und der Nacheinspritzung der Reihe nach erreicht werden.
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Der Betrieb des Dieselkraftmaschinensystems 10 wird nachstehend beschrieben.
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Wenn es erforderlich ist, die Voreinspritzung durchzuführen, werden die Kraftstoffinjektoren 12 so gesteuert, dass sie den Kraftstoff bei einem Druckniveau einsprühen, das niedriger als jenes in der Haupt- und der Nacheinspritzung ist. Genauer gesagt ist das Druckniveau der Voreinspritzung das Druckniveau P2, während die Druckniveaus der Haupt- und der Nacheinspritzung das Druckniveau P1 sind. Ein Kraftstoffstrahl von den Kraftstoffinjektoren 12, der in 5 dargestellt ist, erhält mit einem Anstieg des Drucks, mit dem der Kraftstoff eingesprüht wird, für gewöhnlich eine kleine Partikelgröße. Mit anderen Worten wird das Zerstäuben des von den Kraftstoffinjektoren 12 eingesprühten Kraftstoffs mit einer Zunahme des Einspritzdrucks verbessert. Der Zerstäubungsgrad des in der Haupt- oder der Nacheinspritzung bei dem Druckniveau P1 eingesprühten Kraftstoffs wird daher mehr als jener des in der Voreinspritzung bei dem Druckniveau P2 eingesprühten Kraftstoffs erhöht, welches niedriger als das Druckniveau P1 ist.
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Für gewöhnlich werden nach dem Abbrennen des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs der Druck und die Temperatur in der Brennkammer 18 durch das Verbrennen des Kraftstoffs erhöht, was zu einem Verkürzen der Zündverzögerung des in der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoffs führt. Dies kann zu einem Mangel des Vermischens der in dem Ereignis der Haupteinspritzung erzeugten Verbrennungsgase mit dem in der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoff führen, was in einer Zunahme der Menge der von der Kraftmaschine 11 emittierten Partikel resultiert. Wie dies in 6 dargestellt ist, nimmt die Partikelmenge mit einem Anstieg des Drucks ab, mit dem der Kraftstoff in der Nacheinspritzung eingesprüht wird.
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Das Dieselkraftmaschinensystem 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist so gebaut, dass es die Nacheinspritzung des Kraftstoffs bei dem erhöhten Druckniveau P1 in die Brennkammer 18 durchführt, in welcher der Druck und die Temperatur durch die Verbrennung des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs bereits erhöht wurden, sodass der in der Nacheinspritzung eingesprühte Kraftstoff mit dem verbrannten Gas gemischt wird, das durch das Einspritzen bei dem Druckniveau P1 verrührt bzw. bewegt wird, was in einer schnellen und verbesserten Gleichmäßigkeit des Gemischs aus dem in der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoff mit dem in dem Ereignis der Haupteinspritzung erzeugten verbrannten Gas trotz der erhöhten Temperatur in der Brennkammer 18 resultiert. Wie dies in 7 gezeigt ist, erleichtert dies das Oxidieren der unverbrannten Substanzen, etwa der Partikel, die in dem verbrannten Gas verblieben sind, mittels des Kraftstoffs, der in der Nacheinspritzung eingesprüht wird, in welcher die Zündverzögerung kürzer als jene ist, die in den Ereignissen der Vor- und der Haupteinspritzung auftritt.
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Die verbrannte Menge des in der Voreinspritzung eingesprühten Kraftstoffs nimmt mit einem Anstieg des Drucks, mit dem der Kraftstoff von den Kraftstoffinjektoren 12 eingesprüht wird, ab, wie dies in 8 dargestellt ist. Die Länge eines von den Kraftstoffinjektoren 12 eingesprühten Kraftstoffstrahls ändert sich mit dem Verlauf der Zeit seit dem Start des Einsprühens des Kraftstoffs, wie dies in 9 dargestellt ist. Der Strahl breitet sich schnell aus, wenn der Druck ansteigt, mit dem der Kraftstoff von den Kraftstoffinjektoren 12 eingestrahlt wird. Mit anderen Worten wächst der Strahl umso schneller, je höher der Einspritzdruck des Kraftstoffs ist. Das Zerstäuben des von den Kraftstoffinjektoren 12 eingesprühten Kraftstoffs wird mit einem Anstieg dessen Einspritzdrucks verbessert, wie dies aus 5 ersichtlich ist. Die Menge des in der Voreinspritzung eingesprühten Kraftstoffs ist viel kleiner als die des in der Haupt- und der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoffs. Das Einsprühen einer solchen kleinen Kraftstoffmenge bei einem höheren Druck in dem Ereignis der Voreinspritzung verursacht, dass der Kraftstoffstrahl schnell wächst und sich über die Gesamtheit der Brennkammer 18 ausbreitet, wie dies in 9 dargestellt ist, was in dem Erzeugen eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 18 resultiert. Dies verursacht, dass die Zündfähigkeit des Kraftstoffs in der Brennkammer 18 mit einem Anstieg des Einspritzdrucks des Kraftstoffs in die Brennkammer 18 verringert wird, wie dies in 8 dargestellt ist, was wiederum in einer Abnahme der Menge des in der Brennkammer 18 verbrannten Kraftstoffs resultiert. Um ein solches Problem abzuschwächen, ist das Dieselkraftmaschinensystem 1 so ausgestaltet, dass es das Druckniveau P2, bei dem Kraftstoff in der Voreinspritzung eingesprüht wird, unter das Druckniveau P1 senkt, bei dem der Kraftstoff in der Haupt- und der Nacheinspritzung eingesprüht wird, um das Wachstum des Kraftstoffstrahls, der von dem Kraftstoffinjektor 12 in dem Ereignis der Voreinspritzung eingestrahlt wird, zu verlangsamen, und dadurch zu verursachen, dass der Kraftstoffstrahl um den Kraftstoffinjektor herum verbleibt, um ein angefettetes Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 18 zu erzeugen, und somit die Stabilität der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu verbessern.
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Das in dem Ereignis der Voreinspritzung erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch entwickelt dann eine Flamme, die einen Schnellstart der Zündung des in einem nachfolgenden Ereignis der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs und eine allmähliches Verbrennen davon hervorbringt, wodurch das Verbrennungsgeräusch und die Menge des von der Kraftmaschine 11 emittierten NOx verringert wird, was für gewöhnlich von der Verbrennungsgeschwindigkeit des eingesprühten Kraftstoffs abhängig ist.
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Das Umschalten zwischen den Druckniveaus P1 und P2 wird durch das Auswählventil 64 erreicht, wie dies vorstehend beschrieben ist. Genauer gesagt spricht das Auswählventil 64 auf ein Steuersignal von der ECU 51 an, um den Einspritzdruck zwischen der Voreinspritzung und der Haupt- und der Nacheinspritzung zu ändern.
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Genauer gesagt legt die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung das Druckniveau P2 der Voreinspritzung niedriger als das Druckniveau P1 der Haupt- und der Nacheinspritzung fest, wodurch das Ausbreiten des durch die Voreinspritzung erzeugten Kraftstoffstrahls in der Brennkammer 18 beschränkt wird, um ein angefettetes Luft-Kraftstoff-Gemisch um den Kraftstoffinjektor 12 herum zu erzeugen. Dadurch wird die Zündfähigkeit des Gemischs verbessert, die Wahrscheinlichkeit einer Fehlzündung in dem Ereignis der Voreinspritzung minimiert und die Stabilität beim Verbrennen des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs verbessert.
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Die Kraftstoffdrucksteuereinrichtung 63 kann alternativ den Druck der Nacheinspritzung höher als jenen der Haupteinspritzung festlegen. Dies führt zu schnellem und hinsichtlich der Gleichmäßigkeit verbessertem Vermischen des in der Nacheinspritzung eingesprühten Kraftstoffs mit dem von der Verbrennung des in der Haupteinspritzung eingesprühten Kraftstoffs resultierenden Gas. Dies erleichtert die Oxidation der unverbrannten Substanzen, etwa der Partikel, die in dem Gas vorhanden sind, das durch die Verbrennung des Kraftstoffs in dem Ereignis der Nacheinspritzung erzeugt wird, und resultiert in einer Verringerung der Menge der in den Abgasemissionen von der Kraftmaschine 11 enthaltenen Partikeln.
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Wie dies aus der obigen Erörterung ersichtlich ist, dient das Dieselkraftmaschinensystem von diesem Ausführungsbeispiel dazu, die Drücke der Mehrfacheinspritzungen von Kraftstoff in die Kraftmaschine 11 zu steuern, um sowohl die Menge der Partikel mittels der Nacheinspritzung zu verringern, als auch die Menge von NOx und die Stärke des Verbrennungsgeräuschs mittels der Nacheinspritzung zu verringern.
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Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist das Kraftmaschinenzuführsystem 13 mit der ersten Common Rail 21 und der zweiten Common Rail 22 ausgestattet. Die zweite Common Rail 22 speichert den Kraftstoff bei einem Druck, der niedriger als der in der ersten Common Rail 21 ist. Das Auswählventil 64 wird durch die ECU 51 gesteuert, um zwischen der Fluidverbindung der Kraftstoffinjektoren 12 mit der ersten Common Rail 21 und jener mit der zweiten Common Rail 22 umzuschalten, um den Kraftstoff bei einem höheren Druck von der ersten Common Rail 21 und bei einem niedrigeren Druck von der zweiten Common Rail 22 zu den Kraftstoffinjektoren 12 zuzuführen. Die Verwendung des Auswählventils 64 macht es daher einfach, die Zeit, zu der der Druck des zu den Kraftstoffinjektoren 12 zuzuführenden Kraftstoffs geändert wird, synchron mit der Zeitgebung der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung oder der Nacheinspritzung anzuordnen.
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10 zeigt das Kraftstoffzuführsystem 13 des Dieselkraftmaschinensystems 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die gleichen Bezugszeichen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile und deren ausführliche Erläuterung wird daher ausgelassen.
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Das Kraftstoffzuführsystem 13 hat einen Abgabepfad 71, einen Rail-Zu-Rail-Verbindungspfad 72, einen Hochdruckpfad 73, einen Niederdruckpfad 74, einen Kraftstoffzuführpfad 75, einen Ablasspfad 76, ein Hochdruckauswählventil 77, ein Niederdruckauswählventil 78, ein Druckverringerungsventil 79 und ein Ablassventil 81.
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Der Abgabepfad 71 verbindet die Zuführpumpe 23 mit der ersten Common Rail 21. Der Rail-Zu-Rail-Verbindungspfad 72 verbindet die erste Common Rail 21 mit der zweiten Common Rail 22. Der Hochdruckpfad 73 verbindet die erste Common Rail 21 mit dem Kraftstoffzuführpfad 75. Der Niederdruckpfad 74 verbindet die zweite Common Rail 22 mit dem Kraftstoffzuführpfad 75. Der Kraftstoffzuführpfad 75 verbindet den Hochdruckpfad 73 und den Niederdruckpfad 74 mit jedem der Kraftstoffinjektoren 12. Der Ablasspfad 76 verbindet die zweite Common Rail 22 mit dem Kraftstofftank 24. Das Hochdruckauswählventil 77 ist in dem Hochdruckpfad 73 angeordnet, um wahlweise eine Fluidverbindung zwischen der ersten Common Rail 21 und dem zu den Kraftstoffinjektoren 12 führenden Zuführpfad 75 aufzustellen oder zu blockieren. Das Niederdruckauswählventil 78 ist in dem Niederdruckpfad 74 angeordnet, um wahlweise eine Fluidverbindung zwischen der zweiten Common Rail 22 und dem zu den Kraftstoffinjektoren 12 führenden Kraftstoffzuführpfad 75 herzustellen oder zu blockieren. Das Druckverringerungsventil 79 ist in dem Rail-Zu-Rail-Verbindungspfad 72 angeordnet, um den Druck des von der ersten Common Rail 21 zu der zweiten Common Rail 22 strömenden Kraftstoffs zu steuern oder zu verringern. Das Ablassventil 81 ist in dem Ablasspfad 76 montiert, um wahlweise den Kraftstoff von der zweiten Common Rail 22 zu dem Kraftstofftank 24 abzulassen.
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Das Hochdruckauswählventil 77, das Niederdruckauswählventil 78, das Druckverringerungsventil 79 und das Ablassventil 81 sind elektrisch mit der ECU 51 verbunden und arbeiten als eine Kraftstoffdruckregeleinrichtung oder als ein Kraftstoffdruckumschaltmechanismus, um den Druck des zu den Kraftstoffinjektoren 12 zu schickenden Kraftstoffs zu steuern. Die ECU 51 gibt Ein- und Ausschaltsignale zum Öffnen oder Schließen des Hochdruckauswählventils 77, des Niederdruckauswählventils 78, des Druckverringerungsventils 79 und des Ablassventils 81 aus. Der durch die Zuführpumpe 23 mit Druck beaufschlagte Kraftstoff wird durch den Abgabepfad 71 geführt und in der ersten Common Rail 21 gespeichert. Ein Überschuss des Kraftstoffs in der ersten Common Rail 21 wird durch den Rail-Zu-Rail-Verbindungspfad 72 zu der zweiten Common Rail 22 geschickt. Der Druck eines solchen überschüssigen Kraftstoffs wird durch das Druckverringerungsventil 79 verringert und betritt dann die zweite Common Rail 22, sodass der Druck des Kraftstoffs in der Common Rail 22 ein niedrigeres Niveau als jener in der ersten Common Rail 21 haben wird. Wenn das Ablassventil 81 geöffnet ist, wird ein Überschuss des Kraftstoffs in der zweiten Common Rail 22 zurück zu dem Kraftstofftank 24 geführt. Die ECU 51 dient dazu, die Strömungsraten des von der Zuführpumpe 23 und von der zweiten Common Rail 22 zu dem Kraftstofftank 24 durch das Ablassventil 81 abgegebenen Kraftstoff zu steuern, um die Drücke in der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 jeweils bei dem ausgewählten Niveau zu halten.
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Jeder der Kraftstoffinjektoren 18 ist an den Kraftstoffzuführpfad 75 gekoppelt. Jeder der Kraftstoffinjektoren 18 ist mit einem Steuerventil 82 ausgestattet, welches in Antwort auf ein von der ECU 51 eingegebenes Ein-Aus-Signal wahlweise geöffnet oder geschlossen wird. Die Kraftstoffinjektoren 18 haben einen Rückdruckpfad 83, der von dem Kraftstoffzuführpfad 75 abzweigt, um einen Anteil des Drucks des von der ersten Common Rail 21 oder der zweiten Common Rail 22 geschickten Kraftstoffs als einen Rückdruck zu verwenden, der eine in jeder der Kraftstoffinjektoren 18 installierte Nadel 84 vorspannt. Genauer gesagt wird die Nadel 84 hydraulisch vorgespannt, um ein (nicht gezeigtes) Sprühloch des Kraftstoffinjektors 12 zu schließen. Sowohl der Rückdruck als auch der Druck des Kraftstoffs in dem Kraftstoffzuführpfad 75 wirken an der Nadel 84 eines jedes Kraftstoffinjektors 12. Das Steuerventil 82 dient dazu, den an der Nadel 84 wirkenden Rückdruck zu ändern, um das Gleichgewicht zwischen dem Rückdruck und dem Druck des Kraftstoffs in dem Kraftstoffzuführpfad 75 zu steuern, um dadurch die Nadel 84 anzuheben oder abzusenken, um das Sprühloch zu öffnen oder zu schließen, um den Kraftstoff in die Brennkammer 18 der Kraftmaschine 11 einzustrahlen. Jeder der Kraftstoffinjektoren 12 kann wahlweise so ausgestaltet sein, dass er eine piezoelektrische Vorrichtung als ein Stellglied zum Steuern des Rückdrucks an der Nadel 84 verwendet.
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Wenn es für den jeweiligen Kraftstoffinjektor 12 erforderlich ist, den Kraftstoff bei einem niedrigeren Druck einzusprühen, d. h. die Voreinspritzung durchzuführen, schließt die ECU 51 das Hochdruckauswählventil 77 in dem Hochdruckpfad 73 und öffnet das Niederdruckauswählventil 78 in dem Niederdruckpfad 74, um den Kraftstoff von der zweiten Common Rail 22 zu den Kraftstoffinjektoren 12 zu schicken. Der Kraftstoffinjektor 12 sprüht dann den Kraftstoff bei dem niedrigen Druck (d. h. dem Druckniveau P2) ein, der von der zweiten Common Rail 22 zugeführt wurde. Nach Vollendung der Voreinspritzung schließt die ECU 51 das Niederdruckauswählventil 78 in dem Niederdruckpfad 74 und öffnet das Hochdruckauswählventil 77 in dem Hochdruckpfad 73, um den Kraftstoff von der ersten Common Rail 21 zu den Kraftstoffinjektoren 12 zu schicken. Die Kraftstoffinjektoren 12 sprühen dann den Kraftstoff bei dem höheren Druck (d. h. dem Druckniveau P1) ein, der von der ersten Common Rail 21 zugeführt wird. Auf diese Weise öffnet oder schließt die ECU 51 das Hochdruckauswählventil 77 und das Niederdruckauswählventil 78, um zwischen dem höheren Einspritzdruck und den niedrigeren Einspritzdruck zu einem gewünschten Zeitpunkt unter den Zeitgebungen der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung umzuschalten.
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Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel speichert die zweite Common Rail 22 den Kraftstoff bei dem Druck, der niedriger als jener in der ersten Common Rail 21 ist. Die vorstehend beschriebene ECU 51 arbeitet so, dass sie zwischen den Fluidverbindungen der Kraftstoffinjektoren 12 mit der ersten Common Rail 21 und mit der zweiten Common Rail 22 umschaltet, um dadurch den Kraftstoff bei dem höheren Druck von der ersten Common Rail 21 und bei dem niedrigeren Druck von der zweiten Common Rail 22 zu den Kraftstoffinjektoren 12 zu schicken. Genauer gesagt steuert die ECU 51 die Ein-Aus-Betriebe des Hochdruckauswählventils 77 und des Niederdruckauswählventils 78, um den Druck des durch die Kraftstoffinjektoren 12 einzusprühenden Kraftstoffs zu regeln. Die Verwendung des Hochdruckauswählventils und des Niederdruckauswählventils 77 und 78 macht es daher einfach, die Zeit, zu der der Druck des zu den Kraftstoffinjektoren 12 zuzuführenden Kraftstoffs geändert wird, synchron mit den Zeitgebungen der Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung anzuordnen.
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11 zeigt das Kraftstoffzuführsystem 13 der Dieselkraftmaschine 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Die gleichen Bezugszeichen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile, und deren ausführliche Erläuterung wird hier ausgelassen.
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Das Kraftstoffzuführsystem 13 hat einen Kraftstoffzuführpfad 91, einen Rückführpfad 92 und ein Druckverringerungsventil 93. Der Kraftstoffzuführpfad verbindet die Zuführpumpe 23 mit den Kraftstoffinjektoren 12. Die Kraftstoffinjektoren 12 haben den gleichen Aufbau wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Rückführpfad 92 zweigt von dem Kraftstoffzuführpfad 21 ab und ist an seinem einen Ende mit dem Kraftstofftank 24 verbunden. Das Druckverringerungsventil 93 ist in dem Rückführpfad 92 angeordnet, um den Druck des von der Zuführpumpe 23 ausgegebenen Kraftstoffs zu steuern.
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Die Zuführpumpe 23 und das Druckverringerungsventil 93 sind elektrisch mit der ECU 51 verbunden. Die ECU 51 gibt Antriebssignale aus, um die Betriebe der Zuführpumpe 23 und des Druckverringerungsventils 93 zu steuern. Genauer gesagt gibt die ECU 51 das Antriebssignal aus, um eine Strömungsrate des von der Zuführpumpe 23 abgegebenen Kraftstoffs zu steuern. Beispielsweise kann eine solche Steuerung der Strömungsrate erreicht werden, indem die Strömungsrate des in die Zuführpumpe 23 eingesaugten Kraftstoffs unter Verwendung eines in einem Kraftstoffeinlass der Zuführpumpe 23 angeordneten Durchflussreglers geregelt wird. Wenn die Strömungsrate des von der Zuführpumpe 23 ausgegebenen Kraftstoffs erhöht wird, wird dies zu einem Druckanstieg des von der Zuführpumpe 23 zu den Kraftstoffinjektoren 12 geschickten Kraftstoffs führen. Die ECU 51 gibt zudem ein Antriebssignal zum Öffnen oder Schließen des in dem Rückführpfad 92 montierten Druckverringerungsventils 93 aus. Wenn das Ausmaß, zu dem das Druckverringerungsventil 93 geöffnet ist, zunimmt, dann nimmt die Menge des von der Zuführpumpe 23 zu dem Kraftstofftank 24 abgelassenen Kraftstoff zu, wodurch der Druck des zu den Kraftstoffinjektoren 12 zuzuführenden Kraftstoffs verringert wird. Genauer gesagt dient die ECU 51 entweder oder sowohl als auch dazu, die Strömungsrate des von der Zuführpumpe 23 zu den Kraftstoffinjektoren 12 geschickten Kraftstoffs zu steuern und/oder eine Öffnungsposition des Druckverringerungsventils 93 zu regeln, d. h. das Ausmaß, mit dem das Druckverringerungsventil 93 offen ist, um den Druck des zu den Kraftstoffinjektoren 12 geschickten Kraftstoffs zu regeln.
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Wenn es für jeden der Kraftstoffinjektoren 12 erforderlich ist, den Kraftstoff bei einem niedrigeren Druck einzusprühen, d. h. die Voreinspritzung durchzuführen, verringert die ECU 51 die Strömungsrate des von der Zuführpumpe 23 abgegebenen Kraftstoffs und erhöht zudem das Ausmaß, mit dem das Druckverringerungsventil 93 geöffnet ist, wodurch der Druck des von der Zuführpumpe 23 zu den Kraftstoffinjektoren 12 geschickten Kraftstoffs gesenkt wird. Die Kraftstoffinjektoren 12 sprühen dann den Kraftstoff bei dem niedrigeren Druck (bspw. dem Druckniveau P2) ein. Nach Vollendung der Voreinspritzung erhöht die ECU 51 die Strömungsrate des von der Zuführpumpe 23 abgegebenen Kraftstoffs und verringert zudem das Ausmaß, mit dem das Druckverringerungsventil 93 geöffnet ist, wodurch der Druck des von der Zuführpumpe 23 zu den Kraftstoffinjektoren 12 geschickten Kraftstoffs erhöht wird. Die Kraftstoffinjektoren 12 sprühen dann den Kraftstoff bei dem höheren Druck (bspw. dem Druckniveau P1) ein.
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Wie dies aus der obigen Erörterung ersichtlich ist, ist das Kraftstoffzuführsystem 13 des dritten Ausführungsbeispiels dazu ausgestaltet, den Betrieb des Druckverringerungsventils 93 zu steuern und/oder die Strömungsrate des von der Zuführpumpe 23 ausgegebenen Kraftstoffs zu regeln, um den Druck des durch die Kraftstoffinjektoren 12 einzusprühenden Kraftstoffs zu ändern. Wie in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel macht es dieser Aufbau einfach, den Zeitpunkt, zu dem der Druck des zu den Kraftstoffinjektoren 12 zuzuführenden Kraftstoffs geändert wird, synchron mit den Zeitgebungen der Vor-, der Haupt- und der Nacheinspritzung anzuordnen.
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Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele offenbart wurde, um deren besseres Verständnis zu erleichtern, ist es anzuerkennen, dass die Erfindung in Verschiedenen Arten ausgeführt werden kann, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen der gezeigten Ausführungsbeispiele beinhaltet, die alle ausgeführt werden können, ohne von dem Prinzip der in den beiliegenden Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen.
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Das erste und das zweite Ausführungsbeispiel beziehen sich auf das Dieselkraftmaschinensystem 1, das mit der ersten und der zweiten Common Rail 21 und 22 ausgestattet ist, in welchem der Kraftstoff bei voneinander verschiedenen Drücken gespeichert wird und bei welchem die Kraftstoffinjektoren 12 so gesteuert werden, dass sie den Kraftstoff wahlweise bei dem von der ersten Common Rail 21 geschickten höheren Druck oder bei dem von der zweiten Common Rail 22 geschickten niedrigeren Druck eingesprühen. Das Dieselkraftmaschinensystem 1 kann jedoch alternativ so ausgestellt sein, dass es eine zusätzliche Common Rail, also eine dritte Common Rail hat, um den Kraftstoff bei den Ereignissen der Vor-, der Haupt- und der Nacheinspritzung bei drei unterschiedlichen Druckniveaus einzusprühen.
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Das Dieselkraftmaschinensystem 1 des dritten Ausführungsbeispiels kann so arbeiten, dass es den Einspritzdruck zwischen zwei verschiedenen Druckniveaus oder zwischen drei verschiedenen Druckniveaus umschaltet. Genauer gesagt steuert die ECU 51 das Ausmaß, mit dem das Druckverringerungsventil 93 geöffnet ist, um den Druck bei den drei Druckniveaus zu erzeugen, die unter den Zeitgebungen der Voreinspritzung, der Haupteinspritzung und der Nacheinspritzung voneinander verschieden sind.
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Das Dieselkraftmaschinensystem 1 kann alternativ so gebaut sein, dass die Voreinspritzung, die Haupteinspritzung und die Nacheinspritzung jeweils in mehrere Einspritzungsereignisse unterteilt sind. Beispielsweise kann die ECU 51 eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (die für gewöhnlich als Prä- oder Posteinspritzung bezeichnet werden) vor der Voreinspritzung und/oder nach der Nacheinspritzung durchführen. In diesem Fall kann die ECU 51 den Einspritzdruck zwischen drei oder mehreren Niveaus umschalten.
