DE102015105459B4

DE102015105459B4 - Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102015105459B4
Application number: DE102015105459.0A
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO CORPORATION Yokota Takamasa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2035-04-11
Also published as: JP2015203320A; JP6135587B2; DE102015105459A1

Abstract

Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung, die das Zerstäuben eines Kraftstoffs in eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors, der zumindest eine erste und eine zweite Zerstäubungsöffnung aufweist, steuert, und die aufweist:einen Reichweitenrechner, der derart ausgebildet ist, dass dieser eine Reichweite, bei der es sich um eine Distanz handelt, die ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl aus dem Kraftstoffinjektor aus jeder von den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen in eine Zerstäubungsrichtung, in der sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl bewegt, erwartungsgemäß zurücklegt, aufgrund der Tatsache berechnet, dass ein Impuls des Kraftstoffs, der aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen versprüht wird, als Impuls einer Mischung aus dem Kraftstoff und einem Gas innerhalb der Brennkammer erhalten bleibt;eine Interferenzgradbestimmungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass diese einen Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen ausgestoßen werden, als Funktion der vom Reichweitenrechner errechneten Reichweite bestimmt, eine Interferenzdistanz bestimmt, die der Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der ersten Zerstäubungsöffnung austritt, entlang einer Wandfläche der Brennkammer bis zu einer Stelle zurücklegt, wo sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl mit dem aus der zweiten Zerstäubungsöffnung austretenden Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt, und außerdem eine Einspritzdauer bestimmt, über die der Kraftstoffinjektor fortfährt, Kraftstoff zu zerstäuben; undeine Zerstäubungssteuerung, die derart ausgebildet ist, dass diese, wenn bestimmt wird, dass der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, der von der Interferenzgradbestimmungseinrichtung abgeleitet wird, größer ist als ein vorgegebener Wert, die Zerstäubung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffinjektor so steuert, dass die Menge des Kraftstoffs, der die Stelle erreicht, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen vermischen, kleiner wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung, die dafür ausgelegt ist, den Zustand zu steuern, in dem Kraftstoff unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors in eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine zerstäubt bzw. gesprüht wird.
Allgemeiner Stand der Technik
Die japanische Patent-Erstveröffentlichung JP 2012 - 122 412 A lehrt ein Verbrennungskraftmaschinensteuersystem, das dafür ausgelegt ist, eine Strömungsrate eines Drallstroms innerhalb einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Sollwert in Übereinstimmung zu bringen, um jegliche physische Vermischung bzw. Interferenz zwischen aufeinander folgenden Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus einem Kraftstoffinjektor ausgestoßen werden, oder zwischen Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die durch eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung erzeugt werden, wie sie üblicherweise in einem Mehrfacheinspritzsystem für Dieselmotoren durchgeführt werden, zu vermeiden.
Die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die durch die Haupteinspritzung erzeugt werden, können jedoch auf die Wand der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine treffen, so dass sie sich vermischen. Dies führt zu einem erhöhten Äquivalenzverhältnis der Luft-Kraftstoff-Mischung dort, wo sich die miteinander vermischten Kraftstoffzerstäubungsstrahlen überlagern, was zu einer erhöhten Menge an Rußemission (d.h. an Feinstaub) führen kann.
Darüber hinaus offenbart die DE 10 2015 102 167 A1 ein Kraftstoffeinspritzsystem, welches die Einspritzung von Kraftstoff von einem Spritzloch eines Kraftstoffinjektors in eine Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine steuert. Das Kraftstoffeinspritzsystem ermittelt eine Reichweite, welche ein Kraftstoffstrahl ausgehend von dem Spritzloch in einer Spritzrichtung voraussichtlich zurücklegt, in Bezug auf einen Kurbelwinkel der Maschine, und berechnet die Verbrennungsposition des Kraftstoffes basierend auf der Reichweite und dem Druck in der Verbrennungskammer. Das Kraftstoffeinspritzsystem arbeitet derart, dass dieses die Einspritzrate verringert, mit welcher der Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden soll, basierend auf der Verbrennungsposition des Kraftstoffes und einem Spritzloch-zu-Wand-Abstand zwischen dem Spritzloch und einer Wandoberfläche der Verbrennungskammer. Wenn eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Verbrennungsposition des Kraftstoffstrahls die Wandoberfläche der Verbrennungskammer erreicht, verringert das Kraftstoffeinspritzsystem die Einspritzrate, was in einer Abnahme des Impulses des Kraftstoffes resultiert. Dies verhindert, dass der verbrennende Kraftstoffstrahl die Wandoberfläche der Verbrennungskammer erreicht, wodurch ein Abfall der Temperatur des Kraftstoffstrahls oder der Temperatur, mit welcher der Kraftstoffstrahl verbrennt, vermieden wird, um die Emission von unverbranntem Kraftstoff zu minimieren.
Die DE 10 2014 119 518 A1 beschreibt eine Rußemissionsberechnungsvorrichtung, die eine ausgestoßene Rußmenge berechnet, die erzeugt wird, wenn ein aus einer Einspritzöffnung eines Kraftstoffinjektors in eine Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzter Kraftstoff verbrannt wird. Insbesondere dient die Vorrichtung dazu, dass sie eine erreichte Strecke bzw. Reichweite, die die Kraftstoffeinspritzung von der Einspritzöffnung zurücklegen soll, und ein Mischverhältnis einer Mischung (d. h. die Kraftstoffeinspritzung) basierend auf der erreichten Strecke bzw. Reichweite und einer Sauerstoffkonzentration der Mischung berechnet. Das Mischverhältnis reflektiert eine Veränderung der erreichten Strecke der Kraftstoffeinspritzung mit einer Veränderung des Kurbelwinkels und einer Veränderung der Sauerstoffkonzentration mit einer Veränderung des Kurbelwinkels. Die Verwendung einer Rate der Wärmeabgabe und des Mischverhältnisses ermöglicht daher, dass die ausgestoßene Rußmenge genau bezüglich einer Veränderung der Sauerstoffmenge berechnet wird, die sich aus dem Verlauf der Verbrennung des Kraftstoffs ergibt.
Zudem offenbart die JP 2013 - 160 194 A eine Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine. Wenn eine Haupteinspritzung von einem Kraftstoffeinspritzventil mit einer Mehrzahl von Düsenlöchern bei einem Common-Rail-Dieselmotor ausgeführt wird, werden eine Position einer unteren Wirbel-Seitenfläche und eine Position einer oberen Wirbel-Seitenfläche eines Kraftstoffstrahls berechnet und ein Strahlintervall von benachbarten Strahlen wird berechnet. Eine Kraftstoffeinspritzbedingung oder ein Wirbelsteuerungsventil-Öffnungsgrad wird derart korrigiert, dass das Strahlintervall in einem vorbestimmten Bereich liegt. Wenn das Strahlintervall größer als ein zulässiger Strahlintervall-Maximalwert ist, wird der Kraftstoffeinspritzdruck erhöht oder eine Wirbelgeschwindigkeit wird erhöht. Wenn das Strahlintervall kleiner als 0 ist, wird die Haupteinspritzung aufgeteilt oder die Wirbelgeschwindigkeit wird verringert.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es ein Ziel der Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die dafür ausgelegt ist, eine emittierte Menge an unverbranntem Kraftstoff zu verringern.
Die vorstehende Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung geschaffen, die ein Zerstäuben bzw. Sprühen bzw. Sprayen von Kraftstoff in eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors, der zumindest eine erste und eine zweite Zerstäubungsöffnung aufweist, steuert. Die Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung weist auf: (a) einen Reichweitenrechner, der eine Reichweite, bei der es sich um eine Distanz handelt, die zerstäubter Kraftstoff bzw. ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen in einer Zerstäubungsrichtung, in der sich der zerstäubte Kraftstoff bewegt, erwartungsgemäß innerhalb der Brennkammer zurücklegt, aufgrund der Tatsache berechnet, dass ein Impuls des Kraftstoffs, der aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen versprüht wird, als Impuls einer Mischung aus dem Kraftstoff und aus Gas erhalten bleibt; (b) eine Interferenzgradbestimmungseinrichtung, die einen Grad der Interferenz bzw. Vermischung zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen ausgestoßen werden, als Funktion der vom Reichweitenrechner errechneten Reichweite bestimmt, eine Interferenzdistanz bzw. Vermischungsdistanz bestimmt, die der Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der ersten Zerstäubungsöffnung austritt, entlang einer Wandfläche der Brennkammer bis zu einer Stelle zurücklegt, wo sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl mit dem aus der zweiten Zerstäubungsöffnung austretenden Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt, und außerdem einen Einspritzzeitabschnitt bzw. eine Einspritzdauer bestimmt, über den der Kraftstoffinjektor ununterbrochen Kraftstoff versprüht; und (c) eine Zerstäubungssteuerung, die, wenn bestimmt wird, dass der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, der von der Interferenzgradbestimmungseinrichtung abgeleitet wird, größer ist als ein vorgegebener Wert, die Zerstäubung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffinjektor so steuert, dass die Menge des Kraftstoffs, der die Stelle erreicht, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen vermischen, kleiner wird.
Genauer bestimmt der Reichweitenrechner die Reichweite, die der Kraftstoffzerstäubungsstrahl erwartungsgemäß ab jeder von den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen in der Zerstäubungsrichtung erreicht, aufgrund der Tatsache, dass der Impuls des Kraftstoffs, der aus der Zerstäubungsöffnung gesprüht wird, als Impuls der Mischung innerhalb der Brennkammer erhalten bleibt. Dann leitet die Interferenzgradbestimmungseinrichtung den Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen ausgestoßen werden, ab als Funktion der Reichweite, der Interferenzdistanz, die der Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der ersten Zerstäubungsöffnung austritt, entlang der Wandoberfläche der Brennkammer bis zu der Stelle zurücklegt, wo der Kraftstoffzerstäubungsstrahl sich mit dem Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt, der aus der zweiten Zerstäubungsöffnung austritt, und des Einspritzzeitabschnitts, über den der Kraftstoffinjektor den Kraftstoff fortgesetzt versprüht.
Die Interferenzdistanz kann als Funktion des Durchmessers der Brennkammer und der Anzahl der Zerstäubungsöffnungen des Kraftstoffinjektors oder durch direkte Beobachtung des Zustands der Kraftstoffzerstäubungsstrahlen abgeleitet werden. Der Einspritzzeitabschnitt kann aus einem Einspritzungssteuersignal, das an den Kraftstoffinjektor ausgegeben wird, dem Hubbetrag eines Ventils des Kraftstoffinjektors oder einer Druckänderung des Kraftstoffs im Kraftstoffinjektor abgeleitet werden. Anhand der Reichweite, der Interferenzdistanz und des Einspritzzeitabschnitts wird der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen ausgestoßen werden, innerhalb der Brennkammer berechnet. Wenn zum Beispiel die Reichweite länger wird als die Interferenzdistanz, dann wird bestimmt, dass sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen. Wie lange die gegenseitige Vermischung der Kraftstoffzerstäubungsstrahlen andauert, hängt von der Länge des Einspritzzeitabschnitts ab.
Wenn bestimmt wird, dass der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen höher ist als der vorgegebene Wert, dann steuert die Zerstäubungssteuerung die Zerstäubung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffinjektor, z.B. ändert sie den Modus, in dem der Kraftstoffinjektor den Kraftstoff zerstäubt, um die Kraftstoffmenge, die an der Stelle ankommt, wo die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen sich miteinander vermischen, zu verkleinern oder zu minimieren. Dadurch wird eine Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, nachdem diese auf der Wandoberfläche der Brennkammer aufgetroffen sind, vermieden, wodurch eine unerwünschte Zunahme des Äquivalenzverhältnisses der Mischung innerhalb der Brennkammer, die zu einer Zunahme der emittierten Rußmenge (z.B. PM) führt, vermieden wird.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehend angegebenen ausführlichen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung besser verständlich werden, die aber nicht so verstanden werden sollten, als sei die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern die nur der Erläuterung und der Erklärung dienen sollen.
In den Zeichnungen sind:

1 eine Skizze, die eine Diesel-Kraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zeigt;
2 eine Schnittansicht, die ein Zerstäubungsmuster von Kraftstoff zeigt, der aus einer Zerstäubungsöffnung eines Kraftstoffinjektors ausgestoßen wird;
3 eine Teilschnittansicht, die eine physische Interferenz von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen in einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine veranschaulicht;
4 ein Ablaufschema von logischen Schritten oder ein Programm zur Steuerung der Zerstäubung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffinjektor in einem Zerstäubungssteuersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 ein Zeitschema, das einen Kraftstoffeinspritzpuls vor und nach der Aufteilung in zwei Pulse veranschaulicht;
6 ein Ablaufschema einer Abfolge logischer Schritte oder ein Programm zur Berechnung einer Interferenzfrist, bei der es sich um einen Zeitraum handelt, der vergeht, bis ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl von einem Kraftstoffinjektor zu einer Stelle gelangt, wo er sich mit einem anderen Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt;
7 ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen einem Einspritzdruck, einer Gasdichte und einem Zerstäubungswinkel darstellt;
8 ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen einem Koeffizienten und einem Einspritzdruck darstellt;
9(a) und 9(b) Zeitschemata, die eine Beziehung zwischen dem Impuls eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls und einem Überholen von Kraftstofftropfen darstellt;
10 eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Kurbelwinkel und einer Distanz zwischen einem Kraftstoffzerstäubungsstrahl eines Kraftstoffinjektors und einer Wandoberfläche einer Brennkammer darstellt
11 eine schematische Ansicht, die eine physische Interferenz zwischen nebeneinander liegenden Kraftstoffzerstäubungsstrahlen innerhalb einer Brennkammer darstellt; und
12 ein Zeitschema, das eine Differenz einer Reichweite veranschaulicht zwischen Kraftstoff, der über einen einzelnen Haupteinspritzzeitabschnitt in eine Brennkammer gesprüht wird, und Kraftstoff, der jeweils über einer ersten und einer zweiten, darauf folgenden Haupteinspritzzeitabschnitt in die Brennkammer gesprüht wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, wo gleiche Bezugszeichen in mehreren Ansichten gleiche Teile bezeichnen, und insbesondere auf 1, wo ein Kraftstoffzerstäubungssteuersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist. Das Kraftstoffzerstäubungssteuersystem, auf das hierin Bezug genommen wird, wird mit einer Diesel-Kraftmaschine (d.h. einer Verbrennungskraftmaschine) verwendet, die in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, um das Sprühen bzw. Zerstäuben von Kraftstoff in eine Brennkamm der Kraftmaschine unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors zu steuern.
Das Fahrzeug ist, wie in 1 dargestellt, mit einer Verbrennungskraftmaschine 10, einer Steuerung 30 und einem Beschleunigersensor 41 ausgestattet, der eine durch einen Fahrer vorgenommene Betätigung eines Gaspedals, das in dem Fahrzeug installiert ist, (d.h. die Position des Gaspedals) misst und ein Signal, das eine entsprechende Angabe liefert, an die Steuerung 30 ausgibt.
Die Kraftmaschine 10 ist beispielsweise ein Vierzylinder-Dieselmotor. Um die Darstellung zu vereinfachen, zeigt 1 nur einen Zylinder der Kraftmaschine 10. Die Kraftmaschine 10 ist mit einem Zylinder 11, einem Kolben 12, einer Kurbelwelle 13, einem Einlasskanal 15, einem Lader 16, einer Drosselvorrichtung 19, einem Einlassventil 17, einem Auslassventil 18, einer Kraftstoffpumpe 21, einer Common Rail 22, einem Kraftstoffinjektor 24, einem Auslasskanal 25, einer AGR (Abgasrückführung)-Ventilvorrichtung 52, einem Drehzahlsensor 42, einem Zylinderdrucksensor 43, einem Ansaugluftdrucksensor 44, einem Ansauglufttemperatursensor 45, einem Kraftstoffdrucksensor 45, einem Luftdurchsatzmesser 47, einem A/F-Sensor 48, einem Kühlmitteltemperatursensor 49 und einem Injektorinnendrucksensor 50 ausgestattet. Der Kolben 12 definiert bzw. begrenzt eine Brennkammer 14 innerhalb des Zylinders 11.
Der Einlasskanal 15 ist mit einem Ladeluftkühler 54, der Drosselvorrichtung 19, einem Ausgleichsbehälter 20 und einem Ansaugkrümmer 20a ausgestattet, die in dieser Reihenfolge von seiner stromaufwärtigen Seite her angeordnet sind. Der Ladeluftkühler 54 dient dazu, Luft, die vom Lader 16 geliefert wird, zu kühlen. Die Drosselvorrichtung 19 ist mit einem Stellantrieb 19a, beispielsweise einem Wechselstrommotor, und einer Drosselklappe 19b ausgestattet. Der Stellantrieb 19a dient dazu, die Drosselklappe 19b zu öffnen und zu schließen. Der Ausgleichsbehälter 20 ist über den Ansaugkrümmer 20a mit den Brennkammern 14 der einzelnen Zylinder 11 verbunden. Das Einlassventil 17 ermöglicht oder blockiert selektiv eine Verbindung zwischen dem Ansaugkrümmer 20a und der Brennkammer 14.
Die Kraftstoffpumpe 21 dient als Einspritzdruckregler, um Kraftstoff unter Druck zu setzen und zur Common Rail 22 zu liefern. Die Common Rail 22 dient als Kraftstoffspeicher, in dem der Kraftstoff bei einem Solldruck gespeichert wird. Der Kraftstoffinjektor 24 (auch als Kraftstoffeinspritzventil bezeichnet) sprüht den Kraftstoff, der von der Common Rail 22 geliefert wird, direkt in die Brennkammer 14 der Kraftmaschine 10. Der Kraftstoffinjektor 24 weist einen Kopf auf mit mehreren Zerstäubungsöffnungen 24a, wie in 2 dargestellt, durch die der Kraftstoff in die Brennkammer 14 ausgestoßen wird. Jede von den Zerstäubungsöffnungen ist im Querschnitt kreisförmig.
In der Abgasleitung 25 ist eine Abgasemissionssteuervorrichtung 26 (auch als Reinigungseinheit bezeichnet) installiert, die dazu dient, schädliche oder auch weniger schädliche Produkte zu verringern, die in Emissionen enthalten sind, die durch die Abgasleitung 25 strömen. Das Auslassventil 18 wird geöffnet und geschlossen, um eine Verbindung zwischen der Abgasleitung 25 und der Brennkammer 14 zu ermöglichen oder zu blockieren.
Der Lader 16 ist zwischen der Ansaugleitung 15 und der Abgasleitung 25 angeordnet. Der Lader 16 ist mit einem Ansaugluftverdichter 16a, der in der Ansaugleitung 15 installiert ist, einer Abgasturbine 16b, die in der Abgasleitung 25 installiert ist und einer Drehwelle 16c ausgestattet, die den Ansaugluftverdichter 16a und die Abgasturbine 16b miteinander verbindet. Die Abgasturbine 16b wird durch die Energie von Abgas angetrieben, das durch die Abgasleitung 25 strömt, um eine Drehenergie zu erzeugen, die ihrerseits über die Drehwelle 16c auf den Ansaugluftverdichter 16a übertragen wird, wodurch Luft, die durch die Ansaugleitung 15 strömt, verdichtet wird. Der Lader 16 dient dazu, die Luft, die in die Kraftmaschine 10 eingeführt werden soll, zu verdichten. Der Lader 16 ist mit einem (nicht dargestellten) variablen Leitblech versehen, das geöffnet und geschlossen wird, um den Ladedruck zu regulieren.
Ein Abschnitt der Abgasleitung 25, der stromaufwärts von der Abgasturbine 16b liegt, ist über eine AGR-Leitung 51 mit einem Abschnitt der Ansaugleitung 15 (d.h. dem Ausgleichsbehälter 20) verbunden, der stromabwärts von der Drosselvorrichtung 19 liegt. Die AGR-Leitung 51 ist mit einer AGR-Ventilvorrichtung 52 und einem AGR-Kühler 53 verbunden. Die AGR-Ventilvorrichtung 52 dient als Abgasrückführer und ist mit einem Stellantrieb 52a, beispielsweise einem Wechselstrommotor, und einem AGR-Ventil 52b verbunden, das vom Stellantrieb 52a geöffnet und geschlossen wird. Genauer wird ein Teil des Abgases, das durch die Abgasleitung 25 strömt (der nachstehend auch als AGR-Gas bezeichnet wird), in Bezug auf seine Durchflussrate vom AGR-Ventil 52b reguliert, vom AGR-Kühler 53 gekühlt und dann in die Ansaugleitung 15 eingeführt. Der Stellantrieb 52a dient auch als Sensor zum Messen einer Öffnungsstellung des AGR-Ventils 52b.
Der Drehzahlsensor 42 misst die Drehzahl NE der Kraftmaschine 10. Der Zylinderdrucksensor 43 (der nachstehend auch als erster Drucksensor bezeichnet wird) misst einen Zylinderdruck Pcyl, bei dem es sich um den Druck innerhalb des Zylinders 11 (d.h. innerhalb der Brennkammer 14) handelt. Der Ansaugluftsensor 44 misst den Druck im Ausgleichsbehälter 20 (d.h. in der Ansaugleitung 15). Der Ansauglufttemperatursensor 45 misst die Temperatur der Ansaugluft innerhalb des Ausgleichsbehälters 20 (d.h. innerhalb der Ansaugleitung 15). Der Kraftstoffdrucksensor 46 misst den Druck des Kraftstoffs innerhalb der Common Rail 22. Der Luftdurchsatzmesser 47 misst, wie viel frische Luft in der Ansaugleitung 15 pro Zeiteinheit strömt. Der A/F-Sensor 48 ist stromabwärts von der Abgasemissionssteuervorrichtung 26 installiert und misst das Luft-Kraftstoffverhältnis. Der Kühlmitteltemperatursensor 49 misst die Temperatur THW des Kühlmittels der Kraftmaschine 10. Der Injektor-Innendrucksensor 50 (der nachstehend auch als zweiter Drucksensor bezeichnet wird) dient dazu, den Druck von Kraftstoff zu messen, der in einem Kraftstoffweg strömt, der im Kraftstoffinjektor 24 ausgebildet ist (der nachstehend auch als Injektorinnendruck Pinj bezeichnet wird).
Die Steuerung 30 wird durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) implementiert. Die Steuerung 30 überwacht Ausgangssignale von den oben genannten Sensoren, um jeweils den Betrieb des Laders 16, der Kraftstoffpumpe 21, des Kraftstoffinjektors 24 und der AGR-Ventilvorrichtung 52 zu steuern, und dient als Kraftstoffzerstäubungssteuersystem.
2 ist ein Diagramm, das ein Muster einer Kraftstoffzerstäubung zeigt. Es wird der Kraftstoffzerstäubungsstrahl auf einer Kontrolloberfläche (d.h. einem Längsschnitt des Kraftstoffzerstäubungsstrahls), die von einer gestrichelten Linie angegeben wird, betrachtet.
Wenn Kraftstoff aus den einzelnen Zerstäubungsöffnungen 24a des Kraftstoffinjektors 24 ausgestoßen wird, verändert er sich üblicherweise in einen Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus winzigen Flüssigkeitstropfen besteht und im Querschnitt in der x-Richtung, wie in 2, im Wesentlichen eine Dreiecksform aufweist. Der Kraftstoffzerstäubungsstrahl bewegt sich in einer Zerstäubungsrichtung (d.h. der x-Richtung in 2), während Luft in die Brennkammer 14 gesaugt wird. In einer Region A, wo sich die Flüssigkeitstropfen des Kraftstoffzerstäubungsstrahls befinden, entsteht eine Mischung aus Gas (d.h. Luft und AGR-Gas) und Kraftstoff. Die Region A ist konusförmig und wird nachstehend auch als kraftstoffbesprühte Region bezeichnet.
Die Geschwindigkeit der winzige Kraftstofftropfen nimmt üblicherweise aufgrund eines Luftwiderstands ausgehend von einer Anfangsgeschwindigkeit an einem Querschnitt S0 eines Auslasses der Zerstäubungsöffnung 24a ab. Der kinetische Impuls des Kraftstoffs am Querschnitt S0 des Auslasses der Zerstäubungsöffnung 24a verändert sich daher zu dem der Mischung innerhalb der kraftstoffbesprühten Region A. Anders ausgedrückt wird der Impuls des Kraftstoffs, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a austritt, als derjenige der Mischung innerhalb der kraftstoffbesprühten Region A bewahrt. Genauer wird der Impuls des Kraftstoffs, der durch den Querschnitt S0 der Zerstäubungsöffnung 24a tritt, dem der Mischung gleich, die durch die Zieloberfläche S1 tritt, die in der Zerstäubungsrichtung in einem bestimmten Abstand x(t) zur Zerstäubungsöffnung 24a definiert ist. x(t) gibt den Abstand zum Auslass der Zerstäubungsöffnung 24a in der Richtung x zu einer Zeit t an, die ab dem Zeitpunkt 0 vergangen ist, zu dem der Kraftstoff den Querschnitt S0 des Auslasses der Zerstäubungsöffnung 24a erreicht. Der Querschnitt S0 wird nachstehend auch als Auslassquerschnitt bezeichnet.
Da der Impuls des Kraftstoffs, der durch den Auslassquerschnitt S0 tritt, wie in 2 dargestellt, dem der Mischung gleich ist, die durch die Zieloberfläche S1 tritt, die sich im Abstand x(t) zur Zerstäubungsöffnung 24a befindet, ist die Gl. 1, wie nachstehend, erfüllt. In Gl. 1 wird der Impuls des Kraftstoffs an der Zieloberfläche S1 ignoriert, da die Masse des Kraftstoffs, der durch die Zieloberfläche S1 tritt, kleiner ist als die der Luft, die durch die Zieloberfläche S1 tritt. $ρ_{f} π {(\frac{d}{2})}^{2} ν_{0}^{2} = ρ_{a} π {(x (t) \cdot tan θ_{0})}^{2} w {(t)}^{2}$
wobei ρ_f die Dichte des Kraftstoffs ist, d der Durchmesser der Zerstäubungsöffnung 24a ist, ν₀ eine Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ist, bei der es sich um die Geschwindigkeit am Auslassquerschnitt S0 der Zerstäubungsöffnung 24a des Kraftstoffinjektors 24 handelt, ρ_a die Gasdichte innerhalb des Zylinders 11 (d.h. innerhalb der Brennkammer 14) ist, θ₀ der Zerstäubungswinkel ist, in dem sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl ausbreitet, und w(t) die Geschwindigkeit der Mischung an der Zieloberfläche S1 ist. Schreibt man Gl. 1 um, erhält man die Gl. 2, wie nachstehend angegeben, welche die Geschwindigkeit angibt. $w (t) = \sqrt{\frac{ρ_{f}}{ρ_{a}}} \frac{d \cdot ν_{0}}{2 x (t) tan θ_{0}}$
Da w(t) = dx / dt, wird der Abstand x(t) von zerstäubtem Kraftstoff (d.h. eines Kraftstofftropfens), bezogen auf die vergangene Zeit t gemäß Gl. 3, wie nachstehend angegeben, ausgedrückt, die durch Integrieren und Umschreiben von Gl. 2 erhalten wird. $x (t) = {(\frac{ρ_{f}}{ρ_{a}})}^{\frac{1}{4}} \sqrt{\frac{d \cdot ν_{0}}{tan θ_{0}}} t$
3 ist eine schematische Ansicht, die eine physische Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen fj1 und fj2 veranschaulicht, die aus dem Kraftstoffinjektor 24 austreten. Wenn sie durch die Haupteinspritzung aus zwei aufeinander folgenden Kraftstoffzerstäubungen 24a (d.h. den Kraftstoffzerstäubungen 24a1 und 24a2 in der Zeichnung) ausgestoßen werden, können die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen fj1 und fj2 auf die Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 treffen (d.h. auf einen Eintiefungsabschnitt am Boden des Kolbens 12 in der Zeichnung), sich entlang der Wandoberfläche 12a bewegen und sich dann miteinander vermischen, wodurch eine Zerstäubungsüberlagerung entsteht, die von einem Kreis umgeben ist. Die Zerstäubungsüberlagerung weist üblicherweise ein vergrößertes Äquivalenzverhältnis zwischen Kraftstoff und Sauerstoff auf, was zu einer vergrößerten Menge an Rußemission (d.h. an Feinstaub) führen kann.
Das Kraftstoffzerstäubungssteuersystem ist daher technisch dafür ausgelegt, eine Zerstäubungsinterferenz zu berechnen, bei der es sich um den Grad einer physischen Vermischung zwischen dem Kraftstoffzerstäubungsstrahl fj1, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a1 austritt (die nachstehend auch als erste Zerstäubungsöffnung bezeichnet wird), und dem Kraftstoffzerstäubungsstrahl fj2 handelt, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a2 austritt (die nachstehend auch als zweite Zerstäubungsöffnung bezeichnet wird). Wenn bestimmt wird, dass die Zerstäubungsinterferenz größer ist als ein vorgegebener Wert, ändert das Kraftstoffzerstäubungssteuersystem den Modus, in dem der Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 24 gesprüht wird, so, dass die Kraftstoffmenge verkleinert wird, die erwartungsgemäß innerhalb eines bestimmten Zeitraums die Stelle in der Brennkammer 14 erreicht, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen fj1 und fj2 miteinander vermischen.
4 ist eine Abfolge von logischen Schritten oder ein Programm zum Steuern der Zerstäubung von Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 24. Das Programm wird von der Steuerung 30 bei jeder Einspritzung des Kraftstoffs in die Kraftmaschine 10 ausgeführt.
Nach dem Eintritt in das Programm geht die Routine zu Schritt S11 weiter, wo Betriebsbedingungen der Kraftmaschine 10 überwacht werden. Insbesondere überwacht die Steuerung 30 die Position des Gaspedals, die vom Beschleunigersensor 41 erfasst wird, und die Drehzahl NE der Kraftmaschine 10, die vom Drehzahlsensor 42 erfasst wird.
Die Routine geht dann zu Schritt S12 weiter, wo ein Einspritzdruck Pc bestimmt wird, bei dem es sich um einen Zieldruck handelt, bei dem der Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor 24 gesprüht werden soll. Genauer berechnet die Steuerung 30 den Einspritzdruck Pc durch Nachschlagen unter Verwendung eines Kennfelds als Funktion der Position des Gaspedals und der Motordrehzahl NE. Die Steuerung 30 treibt dann die Kraftstoffpumpe 21 an, um den Druck des Kraftstoffs in der Common Rail 22 mit dem Einspritzdruck Pc in Übereinstimmung zu bringen. Der Druck in der Common Rail 22 wird vom Kraftstoffdrucksensor 46 gemessen.
Die Routine geht zu Schritt S13 weiter, wo eine benötigte Kraftstoffmenge Q, die vom Kraftstoffinjektor 24 in die Kraftmaschine 10 eingespritzt werden soll, als Funktion der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine 10 bestimmt wird. Genauer berechnet die Steuerung 30 die benötigte Kraftstoffmenge Q durch Nachschlagen unter Verwendung eines Kennfelds als Funktion der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine 10, die in Schritt S11 abgeleitet worden sind.
Die Routine geht dann zu Schritt S14 weiter, wo eine benötigte Kraftstoffmenge Qm bestimmt wird, die in der Haupteinspritzung eingespritzt werden soll. Die Kraftstoffmenge Qm ist eine Fraktion der benötigten Kraftstoffmenge Q, die in Schritt S13 abgeleitet worden ist. Genauer berechnet die Steuerung 30 eine benötigte Kraftstoffmenge Qp, die in der Voreinspritzung eingespritzt werden soll, durch Nachschlagen unter Verwendung eines Kennfelds als Funktion der Position des Gaspedals und der Motordrehzahl NE. Dann subtrahiert die Steuerung 30 die Kraftstoffmenge Qp von der Kraftstoffmenge Q, um die Kraftstoffmenge Qm abzuleiten, die in der Haupteinspritzung eingespritzt werden soll.
Dann geht die Routine zu Schritt S15 weiter, in dem ein Einspritzzeitpunkt θinj, zu dem die Haupteinspritzung initiiert werden sollte, und eine Einspritzpulsbreite τ als Funktion der Drehzahl NE der Kraftmaschine 10, die in Schritt S11 abgeleitet worden ist, bestimmt werden. Die Einspritzpulsbreite τ ist die Breite eines Pulssignals, das von der Steuerung 30 ausgegeben wird, um den Kraftstoffinjektor 24 zu aktivieren, und entspricht einem Einspritzzeitabschnitt, über den der Kraftstoffinjektor 24 offen gehalten wird, um den Kraftstoff in der Haupteinspritzung in die Kraftmaschine 10 zu spritzen. Genauer berechnet die Steuerung 30 den Einspritzzeitpunkt θinj durch Nachschlagen unter Verwendung eines Kennfelds als Funktion der Drehzahl NE der Kraftmaschine 10, die in Schritt S11 abgeleitet worden ist. Die Steuerung 30 berechnet außerdem die Einspritzpulsbreite τ als Funktion des Drucks in der Common Rail 22, der vom Kraftstoffdrucksensor 46 gemessen wird, und der in Schritt S14 abgeleiteten Kraftstoffmenge Qm, die in der Haupteinspritzung eingespritzt werden soll. Man beachte, dass die Steuerung 30 auch den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzpulsbreite für die Voreinspritzung auf die gleiche Weise wie bei der Haupteinspritzung berechnet, aber die folgende Erörterung bezieht sich nur auf die Haupteinspritzung, da diese ein Hauptziel für die Steuerung in dieser Ausführungsform ist.
Dann geht die Routine zu Schritt S16 weiter, wo eine Interferenzfrist tbc berechnet wird, bei der es sich um einen Zeitraum handelt, den es dauert, bis der Kraftstoff von den Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2 des Kraftstoffinjektors 24 bis zu der Stelle kommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen vermischen. Die Art und Weise, wie die Interferenzfrist tbc berechnet wird, wird später ausführlich beschrieben. Die Stelle, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen vermischen, auf die hierin Bezug genommen wird, ist die Stelle innerhalb der Brennkammer 14, wo sich Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den nebeneinander liegenden Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2 des Kraftstoffinjektors 24 ausgestoßen werden, entlang der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 miteinander mischen.
Dann geht die Routine zu Schritt S17 weiter, in dem bestimmt wird, ob die Einspritzpulsbreite τ, die für die Haupteinspritzung verwendet wird (d.h. der Einspritzzeitabschnitt) größer ist oder nicht größer ist als ein Wert, der durch Subtrahieren eines vorgegebenen Schwellenwerts α von der Interferenzfrist tbc abgeleitet wird. Anders ausgedrückt wird bestimmt, ob die Zerstäubungsinterferenz, bei der es sich um den Grad der physischen Vermischung zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2 austreten, handelt und die als Funktion der Einspritzpulsbreite τ erhalten wird, größer oder nicht größer ist als ein vorgegebener Grad (d.h. Interferenzfrist tbc - Schwellenwert α). Der Schwellenwert α wird so ausgewählt, dass er ein Wert ist, der verhindert, dass der Kraftstoff weiterhin aus dem Kraftstoffinjektor 24 gesprüht wird, nachdem sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die in der Haupteinspritzung erzeugt werden, miteinander vermischen. Falls eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass die Einspritzpulsbreite τ nicht länger ist als Interferenzfrist tbc minus Schwellenwert α, dann geht die Routine zu Schritt S18 weiter, in dem der Kraftstoffinjektor 24 geöffnet wird, um den Kraftstoff über einen Zeitraum einzuspritzen, der durch die Einspritzpulsbreite τ vorgegeben wird. Dann endet die Routine.
Wenn andererseits eine JA-Antwort in Schritt S18 erhalten wird, was bedeutet, dass die Einspritzpulsbreite τ größer ist als die Interferenzfrist tbc minus dem Schwellenwert α, geht die Routine zu Schritt S19 weiter, wo der Einspritzzeitabschnitt für die Haupteinspritzung (d.h. die Einspritzpulsbreite τ, wie in 5 veranschaulicht, in zwei diskrete Einspritzzeitabschnitte geteilt wird (die nachstehend auch als erste bzw. zweite Haupteinspritzzeitabschnitte bezeichnet werden). Genauer teilt die Steuerung 30 die Einspritzpulsbreite τ in zwei Einspritzpulsbreiten τ1 und τ2 (τ = τ1+ τ2). Jede von den Einspritzpulsbreiten τ1 und τ2 wird so gewählt, dass sie kürzer ist als die Interferenzfrist tbc. Die Steuerung 30 kann alternativ dazu so ausgelegt sein, dass sie den Einspritzzeitabschnitt für die Haupteinspritzung in drei oder mehr diskrete Einspritzzeitabschnitte teilt und die Kraftstoffmenge Qm für die geteilten Einspritzzeitabschnitte nacheinander zerstäubt.
Wenn der Kraftstoffinjektor 24 betätigt wird, um den Kraftstoff für die ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitte (d.h. die Einspritzpulsbreite τ1 und τ2) nacheinander zu zerstäuben, ist eine Gesamtzeit, die nötig ist, um die Kraftstoffmenge Q, die in Schritt S13 abgeleitet worden ist, vollständig zu versprühen (d.h. eine Zeitdauer zwischen dem Beginn des früheren von den ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitten und dem Ende des späteren von den ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitten), um einen Zeitraum zwischen den ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitten länger als die Summe der ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitte, was zu einer Abnahme des Wirkungsgrads der Verbrennung des Kraftstoffs in der Kraftmaschine 10 führen kann. Um dieses Problem zu mildern, stellt die Steuerung 30 das Zeitintervall zwischen den ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitten auf ein kleinstes steuerbares Intervall tim ein. Dann gibt die Steuerung 30 ein Pulssignal für die Einspritzpulsbreite τ1 an den Kraftstoffinjektor 24 aus, damit dieser den Kraftstoff über den Haupteinspritzzeitabschnitt zerstäubt, hindert den Kraftstoffinjektor 24 für das Intervall tim an einer Kraftstoffzerstäubung und gibt dann ein Pulssignal für die Einspritzpulsbreite τ2 an den Kraftstoffinjektor 24 aus, damit dieser den Kraftstoff über den zweiten Haupteinspritzzeitabschnitt zerstäubt. Dann endet die Routine.
Die Steuerung 30 dient als Interferenzgradbestimmungseinrichtung, die die Operation in Schritt S17 durchführt. Anders ausgedrückt bestimmt die Steuerung 30 die Einspritzpulsbreite τ, die für die Haupteinspritzung verwendet wird, als Darstellung für den Grad der physischen Vermischung zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2 austreten. Die Steuerung 30 dient auch als Zerstäubungssteuerung, welche die Operation in Schritt S19 durchführt, um den Modus zu ändern, in dem der Kraftstoffinjektor 24 den Kraftstoff versprüht.
6 ist ein Ablaufschema einer Abfolge von logischen Schritten oder ein Programm zum Berechnen einer Interferenzfrist tbc. Dieses Programm wird durch die Steuerung 30 in Schritt S16 von 4 ausgeführt, um einen Kraftstoffbesprühungszustand in der Brennkammer 14 der Kraftmaschine 10 vorauszusagen, bevor der Kraftstoffinjektor 24 mit der Zerstäubung bzw. mit dem Versprühen des Kraftstoffs beginnt.
Nach dem Eintritt in das Programm geht die Routine zu Schritt S21 weiter, in dem der Druck P_cyl(θ) im Zylinder 11 (d.h. in der Brennkammer 14) der Kraftmaschine 10 in Bezug auf den Kurbelwinke θ (d.h. die Position der Kurbelwelle 13 der Kraftmaschine 10) über einen Zeitraum zwischen dem Beginn der Kraftstoffzerstäubung durch den Kraftstoffinjektor 24 und dem Ende der Kraftstoffzerstäubung bestimmt wird. Genauer berechnet die Steuerung den Druck P_cyl(θ) gemäß der nachstehenden Gleichung 4. $P_{c y l} = {(\frac{V (θ_{c l s})}{V (θ)})}^{γ} P_{i m}$
worin V(θ) das Volumen der Brennkammer 14 beim Kurbelwinkel θ ist, P_im der Druck [kPa] im Einlasskrümmer 20a (d.h. im Ausgleichsbehälter 20) ist, V(θ_cls) das Volumen des Zylinders 11 (d.h. der Brennkammer 14) am Ende des Ansaughubs der Kraftmaschine 10, das heißt, wenn das Einlassventil 17 ganz geschlossen ist, ist und γ das spezifische Wärmeverhältnis ist. Das Volumen V(θ_cls) wird auf Basis der vorgesehenen Abmessungen des Zylinders 11 und der Zeit berechnet, zu der das Einlassventil 17 geschlossen wird. Das Volumen V(θ) wird auf Basis der vorgesehenen Abmessungen des Zylinders 11 und des Kurbelwinkels θ berechnet. Der Druck Pim wird durch den Ansaugdrucksensor 44 gemessen.
Die Routine geht dann zu Schritt S22 weiter, in dem die Gasdichte ρα innerhalb des Zylinders 11 (d.h. innerhalb der Brennkammer 14) beim Kurbelwinkel θ bestimmt wird. Mathematisch: $ρ_{a} = \frac{P_{i m}}{R (T_{i m} + 237)} M_{a i r} \cdot \frac{V (θ_{c l s})}{V (θ)} \cdot 10^{- 3}$
worin R eine Gaskonstante [J/K/mol] ist, Tim die Gastemperatur [Grad] im Ansaugkrümmer 20a ist und M_air das Molekulargewicht [g/mol] der Luft ist. Die Gastemperatur T_im wird durch den Ansauglufttemperatursensor 45 gemessen. In dem Fall, dass das AGR-Gas zurückgeführt wird, kann das Molekulargewicht von Gas in der Brennkammer 14, das die Zusammensetzungen des Gases berücksichtigt, anstelle des Molekulargewichts von Luft verwendet werden.
Die Routine geht zu Schritt S23 weiter, in dem der Zerstäubungswinkel θ₀, bei dem es sich um den Winkel handelt, über den der Kraftstoff sich vom Kraftstoffinjektor 24 aus ausbreitet, bestimmt wird. Genauer wird der Zerstäubungswinkel θ₀ durch Nachschlagen unter Verwendung eines Kennfelds, wie in 7 gezeigt, auf Basis des Einspritzdrucks Pc und der Gasdichte ρ_a berechnet. Das Kennfeld von 7 stellt eine experimentell abgeleitete Beziehung zwischen dem Einspritzdruck Pc, der Gasdichte ρ_a und dem Zerstäubungswinkel θ₀ dar. Das Kennfeld zeigt, dass der Zerstäubungswinkel θ₀ (d.h. ein Winkel, über den sich, wie in 2 gezeigt ist, der Kraftstoffzerstäubungsstrahl von der Zerstäubungsöffnung 24a ausbreitet) mit einer Zunahme des Einspritzdrucks Pc (d.h. eines Impulses des Kraftstoffs, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a ausgestoßen wird) größer wird. Der Impuls des Kraftstoffs ist beispielsweise ein Durchschnitt des Impulses des Kraftstoffs über einem Querschnitt des Zerstäubungsstrahls des Kraftstoffs (d.h. der Zieloberfläche S1). Die Steuerung 30 dient als erste Zerstäubungswinkelkorrektureinrichtung, um den Zerstäubungswinkel θ₀ so zu korrigieren, dass er mit einer Zunahme des Einspritzdrucks Pc größer wird. Der Grad, mit dem der Kraftstoff, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a ausgestoßen wird, auf das Gas (d.h. die Luft) in der Brennkammer 14 trifft, so dass er sich dispergiert, nimmt üblicherweise mit einer Zunahme der Gasdichte ρ_a (d.h. der Dichte der Luft) zu. Dies bewirkt, dass der Zerstäubungswinkel θ₀ mit einer Zunahme der Gasdichte ρ_a größer wird. Die Steuerung 30 dient somit als zweite Zerstäubungswinkelkorrektureinrichtung, um den Zerstäubungswinkel θ₀ so zu korrigieren, dass er mit einer Zunahme der Gasdichte ρ_a größer wird.
Die Routine geht zu Schritt S24 weiter, in dem eine Anfangs-Zerstäubungsgeschwindigkeit ν0, bei der es sich um eine Anfangsgeschwindigkeit von zerstäubtem Kraftstoff handelt, und eine Winkelankunftsverzögerung θ_dly bestimmt werden. Die Winkelankunftsverzögerung θ_dly ist der Kurbelwinkel θ, über den die Kurbelwelle 13 sich dreht, bis die Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ν₀ erreicht wird. Genauer wird die Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ν₀, das heißt die Geschwindigkeit am Auslassquerschnitt S0 der Zerstäubungsöffnung 24a (d.h. von jeder der Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2) des Kraftstoffinjektors 24 gemäß Gl. 6 bestimmt wie nachstehend angegeben. $ν_{0} = c \sqrt{\frac{2 (P_{c} - P_{c y l} (θ))}{ρ_{f}}}$
worin c ein experimentell abgeleiteter Koeffizient ist, Pc der Einspritzdruck ist, P_cyl(θ) der Druck [kPa] im Zylinder 11 (d.h. in der Brennkammer 14) beim Kurbelwinkel θ ist und ρf die Dichte des Kraftstoffs [mg/mm³] ist. Der Koeffizient c wird anhand eines Kennfelds in 8 berechnet. Das Kennfeld von 8 stellt eine experimentell abgeleitete Beziehung zwischen dem Kontraktionskoeffizienten c und dem Einspritzdruck Pc dar. Das Kennfeld zeigt, dass der Kontraktionskoeffizient c mit einer Zunahme des Einspritzdrucks Pc abnimmt. Der Druck P_cyl(θ) wird in Schritt S21 abgeleitet.
9(a) und 9(b) sind Zeitschemata, die eine Beziehung zwischen dem Impuls des Kraftstoffzerstäubungsstrahls und dem Überholen von Kraftstofftropfen durch andere Kraftstofftropfen darstellen. 9(a) zeigt, dass der Impuls (d.h. die Anfangs-Zerstäubungsgeschwindigkeit ν₀) des Kraftstoffs, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a gesprüht wird, am Zerstäubungsbeginn am niedrigsten ist, mit Ablauf der Zeit t ab dem Zerstäubungsbeginn zunimmt, konstant wird und dann allmählich abnimmt. Üblicherweise hängt eine Reichweite x eines Kraftstofftropfens in Bezug auf die Zeit t, die seit dem Beginn der Kraftstoffzerstäubung vergangen ist, wie in 9(b) dargestellt, vom Impuls (d.h. von der Anfangs-Zerstäubungsgeschwindigkeit ν₀) des Kraftstofftropfens ab, wenn dieser aus der Zerstäubungsöffnung 24a ausgestoßen wird. Zum Beispiel unterscheiden sich Kraftstofftropfen mit Impulsen an Punkten B und C in 9(a) (eigentlich zwei Gruppen von Tropfen, die auf Querschnitten des Kraftstoffzerstäubungsstrahls liegen, die senkrecht zur Ebene von 2 an Punkten B und C genommen sind, als Funktion der Zeit, die ab dem Beginn der Kraftstoffzerstäubung vergeht), in ihrer Reichweite x voneinander, wie in 9(b) dargestellt ist. Dies kann bewirken, dass ein Kraftstofftropfen, der mit einer niedrigeren Geschwindigkeit ausgestoßen worden ist (z.B. am Punkt B) von einem anderen Kraftstofftropfen überholt wird, der anschließend mit einer höheren Geschwindigkeit ausgestoßen worden ist (z.B. am Punkt C).
Der Wert der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit V₀ (d.h. eine repräsentative Geschwindigkeit), berechnet gemäß Gl. (2), ist eigentlich eine Anfangsgeschwindigkeit eines Teils des Kraftstoffzerstäubungsstrahls (d.h. einer Gruppe von Tropfen des Kraftstoffzerstäubungsstrahls, die auf einem senkrecht zur Zeichnungsebene von 2 genommenen Querschnitt des Kraftstoffzerstäubungsstrahls liegen), der aus der Zerstäubungsöffnung 24a austritt, nachdem eine Ankunftszeitverzögerung tdly vergangen ist, bei der es sich um eine Zeit handelt zwischen dem Beginn einer Zerstäubung des Kraftstoffs und dem Austritt eines Teils des Kraftstoffs, der den Impuls am Punkt C aufweist, aus der Zerstäubungsöffnung 24a (d.h. ein Zeitintervall zwischen den Punkten A und B in 9(a), das heißt zwischen Startpunkten der Linien A und C in 9(b)). Daher ist die Reichweite x eines Tropfens (d.h. eines Teils) des Kraftstoffs, berechnet als Funktion der Anfangs-Zerstäubungsgeschwindigkeit V₀ am Punkt C, von allen Tropfen (d.h. allen Teilen) eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls am größten. Die Kennlinie von 9(a) kann experimentell als Beziehung zum Einspritzdruck Pc und zur Einspritzmenge Q abgeleitet werden. Dadurch kann der Wert der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit V₀ in bestimmten Zeitintervallen (oder einem Intervall einer vorgegebenen Einheit des Kurbelwinkels θ) statt des genannten einzelnen repräsentativen Werts berechnet werden. Genauer kann der größte von den Werten der Reichweite x, der auf Basis der Werte der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit V₀ berechnet wird, die zu den vorgegebenen Zeitintervallen berechnet worden sind, als repräsentativer Wert für die Reichweite x eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls verwendet werden. Anders ausgedrückt wird der größte von den Werten der Reichweite x aller Teile (d.h. Tropfen) eines ausgewählten einen von den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den Zerstäubungsöffnungen 24a des Kraftstoffinjektors 24 in einem bestimmten Einspritzzeitraum ausgestoßen werden, berechnet in zeitlicher Abfolge auf Basis der nacheinander berechneten Werte der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit V₀ der Teile des Kraftstoffzerstäubungsstrahls, als die Reichweite x des Kraftstoffzerstäubungsstrahls bestimmt.
Die Winkelankunftverzögerung θdly wird bestimmt, bei der es sich, wie oben beschrieben, um den Kurbelwinkel θ handelt, über den sich die Kurbelwelle 13 ab dem Beginn der Kraftstoffzerstäubung bis zum Erreichen der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ν₀ dreht. Die Winkelankunftverzögerung θdly entspricht einer Änderung des Kurbelwinkels θ für die Ankunftszeitverzögerung tdly und kann somit ausgedrückt werden durch $θ_{d l y} = t_{d l y} \cdot (\frac{60}{N E} \frac{1}{360})$
wobei tdly die Ankunftszeitverzögerung ist, die experimentell bestimmt wird, und NE die Drehzahl der Kraftmaschine 10 ist, gemessen durch den Drehzahlsensor 42.
Die Routine geht dann zu Schritt S25 weiter, in dem die Reichweite x(θ) eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls (d.h. eines Kraftstofftropfens) in Bezug auf den Kurbelwinkel θ berechnet wird. Genauer wird die Reichweite x(t) gemäß Gl. (3) abgeleitet. Die Zeit t, die vergangen ist, seit der Kraftstoffinjektor 24 mit der Zerstäubung des Kraftstoffs begonnen hat, in Bezug auf den Kurbelwinkel θ in Gl. (3) wird gemäß der nachstehenden Gl. 8 berechnet. $t = max (\frac{60}{N E} \frac{1}{360} \cdot (θ - θ_{i n j} - θ_{d l y}),0)$
worin NE die Drehzahl der Kraftmaschine 10 ist, θ eine Winkelstellung der Kurbelwelle 13 (d.h. der Kurbelwinkel) ist, θ_inj der Einspritzzeitpunkt ist, der in Schritt S15 von 4 eingestellt worden ist, und θ_dly die Winkelankunftverzögerung ist, die in Schritt S24 abgeleitet worden ist. Die Drehzahl NE der Kraftmaschine 10 wird vom Drehzahlsensor 42 gemessen. Die Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ν₀ nach Ablauf der Winkelankunftverzögerung θ_dly, wie oben beschrieben, wird repräsentativ für den Wert der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ν₀ sämtlicher Kraftstofftropfen (d.h. eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls) verwendet. Eine tatsächlich vergangene Zeit für einen Kraftstofftropfen, der die oben genannte Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit ν₀ aufweist, ist daher um die Winkelankunftverzögerung θ_dly kürzer als die oben genannte vergangene Zeit t. Der größere von einem berechneten Wert (d.h. eine Lösung der Formel auf der linken Seite in einer Klammer in Gl. (8)) und 0 wird als die vergangene Zeit t in Gl. (8) definiert, damit die vergangene Zeit t keinen negativen Wert aufweist.
Durch Einsetzen von Gl. (8) in Gl. (3) erhält man Gl. (9), wie nachstehend gezeigt, welche die Reichweite x(θ) eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls in Bezug auf den Kurbelwinkel θ darstellt. $x (θ) = {(\frac{ρ_{f}}{ρ_{a}})}^{\frac{1}{4}} \sqrt{\frac{d \cdot ν_{0}}{tan θ_{sp}} max (\frac{60}{N E} \cdot \frac{1}{360} (θ - θ_{i n j} - θ_{d l y}),0)}$
wobei jedes Symbol in Gl. (9) die gleiche physikalische Bedeutung hat wie die in Gl. (1) und (8).
Die Reichweite x(θ) eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls in Bezug auf den Kurbelwinkel θ wird gemäß Gl. (9) abgeleitet. Genauer dient die Steuerung 30 als Reichweitenrechner, um Werte der Reichweite x(θ) über einem Rechenbereich des Kurbelwinkels θ (θinj bis θend) zwischen dem Einspritzzeitpunkt θinj (d.h. dem Beginn der Kraftstoffzerstäubung in der Haupteinspritzung) und dem Abschluss der Verbrennung des zerstäubten Kraftstoffs in der Kraftmaschine 10 zyklisch zu bestimmen.
Die Routine geht zu Schritt S26 weiter, wo ein Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lwl zwischen der Zerstäubungsöffnung 24a des Kraftstoffinjektors 24 und der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 in Bezug auf den Kurbelwinkel θ bestimmt wird. Die Position des Kolbens 12, der die Brennkammer 14 begrenzt, ändert sich üblicherweise, wie in 10 dargestellt, als Funktion des Kurbelwinkels θ der Kraftmaschine 10, so dass sich ein Abstand zwischen der Zerstäubungsöffnung 24a (d.h. dem Auslassquerschnitt S0) und der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 in der Zerstäubungsrichtung, in der sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl bewegt, mit dem Hub des Kolbens 12 (d.h. dem Kurbelwinkel θ) ändert. Ein solcher Abstand wird als der Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lwl bezeichnet. In dieser Ausführungsform ist die Wandoberfläche 12a eine Oberfläche des Bodens des Kolbens 12, der die Brennkammer 14 begrenzt. In 10 zeigt eine durchgezogene Linie TDC die Position der Oberfläche des Bodens des Kolbens 12 am oberen Totpunkt an, während eine gestrichelte Linie die Position der Oberfläche des Bodens des Kolbens 12 anzeigt, nachdem sich die Kurbelwelle 13 über den Kurbelwinkel θ vom oberen Totpunkt weg gedreht hat. In der Steuerung 30 ist ein Kennfeld gespeichert, wie in einem unteren Abschnitt von 10 dargestellt, das eine Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel θ und dem Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lwl angibt. Der Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lwl als Funktion des Kurbelwinkels θ wird nachstehend als Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lw1(θ) bezeichnet. Das Kennfeld kann experimentell oder alternativ dazu auf Basis von vorgesehenen Abmessungen der Kraftmaschine 10 und des Kraftstoffinjektors 24 abgeleitet werden. Die Steuerung 30 dient als Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstandsrechner, um den Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lw1(θ) als Funktion des Kurbelwinkels θ durch Nachschlagen unter Verwendung des Kennfelds zu berechnen.
Die Routine geht zu Schritt S27 weiter, in dem eine Interferenzdistanz Lc(θ) bestimmt wird, bei der es sich um eine Distanz handelt, die ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a1 austritt, bis zu einer Stelle zurücklegt, wo er sich mit einem anderen Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt. In 11 sind als Beispiel zwei Kraftstoffzerstäubungsstrahlen dargestellt, die aus zwei aufeinander folgenden Kraftstoffzerstäubungen 24a ausgegeben werden, d.h. den Kraftstoffzerstäubungen 24a1 und 24a2 des Kraftstoffinjektors 24. In diesem Beispiel breiten sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, nachdem sie auf die Wandoberfläche 12a getroffen sind, entlang der Wandoberfläche 12a in der Umfangsrichtung über eine Distanz Lsp aus und vermischen sich dann miteinander. Die Distanz Lsp ist ein fester Wert, der durch einen Innenumfang der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 und die Anzahl der Zerstäubungsöffnungen 24a vorgegeben wird. Die Interferenzdistanz Lc(θ) ist somit eine Distanz, die jeder von den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen erwartungsgemäß von der Zerstäubungsöffnung 24a aus zurücklegt, wobei er auf die Wandoberfläche 12a trifft, sich entlang der Wandoberfläche 12a in der Umfangsrichtung der Brennkammer 14 über die Distanz Lsp ausbreitet und sich dann mit einer benachbarten von den Zerstäubungsöffnungen vermischt. Die Steuerung 30 ist als Interferenzdistanzrechner ausgelegt, der den Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lwl(θ) plus die Distanz Lsp als Interferenzdistanz Lc(θ) berechnen soll.
Die Routine geht zu Schritt S28 weiter, in dem die Interferenzfrist tbc als Funktion der Reichweite x(θ) und der Interferenzdistanz Lc(θ) berechnet wird. Genauer wird die Interferenzdistanz Lc(θ), wie aus 11 ersichtlich ist, aus der Reichweite x(θ) abgeleitet. Zuerst wird der Wert des Kurbelwinkels θ, der die Gleichung x(θ) = Lc(θ) erfüllt, abgeleitet. Die Interferenzfrist tbc wird aus dem abgeleiteten Wert des Kurbelwinkels θ unter Verwendung einer Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel θ und der vergangenen Zeit t gemäß Gl. (7) berechnet. Die Routine geht dann zu Schritt S17 in 4 weiter.
12 ist ein Zeitschema, das einen Unterschied in der Reichweite x(t) zwischen Kraftstoff, der in der einzigen Haupteinspritzung in die Brennkammer 14 gesprüht wird, und Kraftstoff, der in aufeinander folgenden Zerstäubungen jeweils über die ersten und zweiten Haupteinspritzzeitabschnitte in die Brennkammer 14 gesprüht wird, veranschaulicht. In diesem Beispiel wird der Einfachheit halber bestimmt, dass die Bezugsdistanz Lc konstant ist.
Wenn der Kraftstoffinjektor 24 damit fortfährt, den Kraftstoff in einer Abfolge in die Brennkammer 14 zu sprühen, kann es sein, dass ein vorangehender Kraftstoffzerstäubungsstrahl durch einen folgenden Kraftstoffzerstäubungsstrahl vorwärtsgetrieben wird, so dass sich der vorangehende Kraftstoffzerstäubungsstrahl schnell vorwärts bewegt. Wenn andererseits der Kraftstoffinjektor 24 unmittelbar nach dem Ausstoßen eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls mit der Kraftstoffzerstäubung aufhört, dann verlangsamt sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl allmählich, ohne dass er vorwärts getrieben wird.
Wenn die Steuerung 30 ein Signal mit der Einspritzpulsbreite τ an den Kraftstoffinjektor 24 ausgibt, damit dieser einen Kraftstoffzerstäubungsstrahl in der einzelnen Einspritzung ausstößt, dann nimmt die Reichweite x(t), wie von einer gestrichelten Linie in 12 angegeben, linear bis zu einer Zeit τ zu, so dass die Reichweite x(t) die Bezugsdistanz Lc übertrifft. Dies bewirkt, dass Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2 des Kraftstoffinjektors 24 ausgegeben werden, auf die Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 treffen und sich dann miteinander vermischen oder einander überlagern, was eine Abnahme des Äquivalenzverhältnisses von Kraftstoff zu Sauerstoff (d.h. Luft) im Überlappungsbereich zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen zum Ergebnis hat, was zu einer Zunahme der emittierten Rußmenge (d.h. PM) führt.
Um das oben genannte Problem zu mildern, teilt die Steuerung 30, wie oben beschrieben, die Einspritzpulsbreite τ in die beiden Einspritzpulsbreiten τ1 und τ2 (τ = τ1+ τ2), wenn bestimmt wird, dass die Einspritzpulsbreite τ, die einem Zeitraum (d.h. dem Einspritzzeitabschnitt) entspricht, über den der Kraftstoffinjektor 24 offengehalten wird, um den Kraftstoff zu zerstäuben, länger ist als Interferenzfrist tbc minus Schwellenwert α. Jede von den Einspritzpulsbreiten τ1 und τ2 wird so gewählt, dass sie kürzer ist als die Interferenzfrist tbc. Der Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der von der Einspritzpulsbreite τ1 erzeugt wird, nimmt nach der Zeit τ1 in 12 an Geschwindigkeit ab. Die Werte der Reichweite (x(t) der Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den Zerstäubungsöffnungen 24al und 24a2 ausgestoßen werden, sind daher kleiner als die Bezugsdistanz Lc, so dass die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen sich innerhalb der Brennkammer 14 nicht miteinander vermischen.
Die oben beschriebene Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf.
Die Steuerung 30 bestimmt die Zerstäubungsinterferenz, bei der es sich um den Grad der physischen Vermischung zwischen einem Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a1 austritt, und einem Kraftstoffzerstäubungsstrahl handelt, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a2 austritt, unter Verwendung von Rechenwerten der Reichweite x(t), der Interferenzdistanz Lc, die ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a des Kraftstoffinjektors 24 austritt, erwartungsgemäß bis zu der Stelle zurücklegt, an der es zu einer Vermischung zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen kommt (die nachstehend auch als Zerstäubungsinterferenzstelle bezeichnet wird), und der Einspritzpulsbreite τ + entspricht einem Zeitraum, über den der Kraftstoffinjektor 24 damit fortfährt, Kraftstoff zu zerstäuben. Wenn bestimmt wird, dass die Zerstäubungsinterferenz größer ist als ein vorgegebener Wert, das heißt, wenn bestimmt wird, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus dem Kraftstoffinjektor 24 ausgestoßen werden, sich in der Brennkammer 14 miteinander vermischen, dann ändert die Steuerung 30 den Modus, in dem der Kraftstoffinjektor 24 den Kraftstoff zerstäubt, so, dass die Kraftstoffmenge, die bei jeder Einspritzaktion des Kraftstoffinjektors (d.h. in dieser Ausführungsform in der Haupteinspritzung) zerstäubt wird, und von der erwartet wird, dass sie innerhalb eines bestimmten Zeitraums die Zerstäubungsinterferenzstelle erreicht, abnimmt. Dadurch wird die Vermischung von zwei aufeinander folgenden Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, nachdem diese auf die Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 getroffen sind, eliminiert, oder die Kraftstoffmenge der Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die sich miteinander vermischen, wird verkleinert, was zu einer Abnahme der emittierten Rußmenge (d.h. PM) führt.
Genauer teilt die Steuerung 30 den Einspritzzeitabschnitt, über den der Kraftstoff eingespritzt werden soll, in mehrere Einspritzzeitabschnitte, wenn zuvor bestimmt worden ist, dass die Zerstäubungsinterferenz größer ist als ein vorgegebener Wert, und betätigt den Kraftstoffinjektor 24 so, dass dieser den Kraftstoff nacheinander mit einem vorgegebenen Zeitintervall für die geteilten Einspritzzeitabschnitte einspritzt, wodurch die gegenseitige Vermischung von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen innerhalb der Brennkammer 14 eliminiert wird oder die daran beteiligte Kraftstoffmenge verkleinert wird, um einen Anstieg des Äquivalenzverhältnisses der Mischung zu vermeiden.
Wenn es erforderlich ist, dass die Steuerung 30 den Kraftstoffinjektor 24 zyklisch betätigt, um die Kraftstoffmenge Qm für die mehreren diskreten Einspritzzeitabschnitte zu zerstäuben, stellt die Steuerung 30 das Zeitintervall zwischen zwei von den diskreten Einspritzzeitabschnitten auf das kleinste steuerbare Intervall tim ein, um eine unerwünschte Zunahme des Zeitraums, über den Kraftstoff innerhalb der Brennkammer 14 fortgesetzt verbrannt wird, zu vermeiden, ohne auf die Verringerung der Kraftstoffmenge von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die sich miteinander vermischen, zu verzichten.
Die Steuerung 30 berechnet die Interferenzfrist tbc, bei der es sich um die Zeit handelt, die es dauert, bis der Kraftstoff aus der Zerstäubungsöffnung 24a des Kraftstoffinjektors 24 an der Zerstäubungsinterferenzstelle ankommt, als Funktion der Reichweite x(t) und der Bezugsdistanz Lc, wie oben beschrieben. Die Steuerung 30 vergleicht dann die Einspritzpulsbreite τ mit der Interferenzfrist tbc, um zu bestimmen, ob der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den Zerstäubungsöffnungen 24a1 und 24a2 des Kraftstoffinjektors 24 ausgestoßen werden, größer ist oder nicht größer ist als der vorgegebene Wert. Wenn bestimmt wird, dass die Einspritzpulsbreite τ größer ist als die Interferenzfrist tbc, dann ändert die Steuerung 30 die Einspritzpulsbreite τ so, dass diese kleiner ist als die Interferenzfrist tbc, damit, wenn die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen sich miteinander vermischt haben, der Kraftstoffinjektor 24 daran gehindert wird, mit der Kraftstoffeinspritzung fortzufahren, wodurch die Möglichkeit einer anschließenden Vermischung von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen innerhalb der Brennkammer 14 minimiert wird.
Der Schwellenwert α, der in Schritt S17 in 4 verwendet wird, wird so gewählt, dass er ein Wert ist, der verhindert, dass der Kraftstoff weiterhin aus dem Kraftstoffinjektor 24 ausgesprüht wird, nachdem sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die in der Haupteinspritzung erzeugt werden, miteinander vermischt haben. Dies bewirkt, dass die Reichweite x(t) des folgenden Kraftstoffzerstäubungsstrahls kürzer ist als die Bezugsdistanz Lc, wodurch die Möglichkeit einer Vermischung von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen eliminiert wird.
Wenn bestimmt wird, dass die Einspritzpulsbreite τ, die der erforderlichen Kraftstoffmenge Qm entspricht, die in der Haupteinspritzung eingespritzt werden soll, verkleinert werden sollte, um die Möglichkeit der Vermischung von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen zu eliminieren oder zu verkürzen, teilt die Steuerung 30 die Einspritzpulsbreite τ in die beiden Einspritzpulsbreiten τ1 und τ2 (τ = τ1 + τ2). Dadurch ist sichergestellt, dass die benötigte Kraftstoffmenge Qm für die Brennkammer 14 in zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen des Kraftstoffs eingespritzt wird.
Die Steuerung 30 minimiert die Möglichkeit einer Vermischung der Kraftstoffzerstäubungsstrahlen in der Brennkammer, um eine Zunahme des Äquivalenzverhältnisses der Mischung zu vermeiden, wodurch die maximale Temperatur des verbrennenden Kraftstoffs verringert wird und die emittierte NOx-Menge verkleinert wird.
Die Position des Kolbens 12, der die Brennkammer 14 begrenzt, ändert sich, wie bereits beschrieben, mit einer Änderung des Kurbelwinkels θ der Kraftmaschine 10. Die Distanz zwischen der Zerstäubungsöffnung 24a (d.h. dem Auslassquerschnitt S0) und der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 in der Zerstäubungsrichtung ändert sich somit mit einer Änderung des Kurbelwinkels θ der Kraftmaschine 10. Die Steuerung 30 bestimmt daher den Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lwl(θ), das heißt den Abstand zwischen der Zerstäubungsöffnung 24a und der Wandoberfläche 12a, als Funktion des momentanen Wertes des Kurbelwinkels θ, wodurch die Genauigkeit der Berechnung des Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstands Lw1(θ) sichergestellt ist.
Der Abstand zwischen den einzelnen Zerstäubungsöffnungen 24a und der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 14 hängt, wie oben beschrieben, vom Kurbelwinkel θ ab. Zwei Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die von zwei nebeneinander liegenden Kraftstoffzerstäubungen 24a des Kraftstoffinjektors 24 ausgegeben werden, breiten sich entlang der Wandoberfläche 12a in der Umfangsrichtung über die Distanz Lsp aus und vermischen sich dann miteinander. Um ein solches Ereignis zu erfassen, bestimmt die Steuerung 30 die Interferenzdistanz Lc(θ) (d.h. Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lw1(θ) plus Distanz Lsp) als Funktion des Kurbelwinkels θ, wodurch die Genauigkeit der Berechnung der Distanz, die ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl bis zu einer Stelle zurücklegt, wo er sich mit einem anderem Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt, gewährleistet ist.
Die Reichweite x(θ), die in Schritt S25 abgeleitet wird, ergibt sich aus dem größten von den Werten der Reichweite x(θ) aller Teile in dem Kraftstoffzerstäubungsstrahl (d.h. aller Gruppen von Tropfen des Kraftstoffzerstäubungsstrahls auf Querschnitten, die senkrecht sind zur Zeichnungsebene in 2), berechnet als Funktion von Werten von deren Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit V₀ im Einspritzzeitraum. Anders ausgedrückt wird die Reichweite x(θ) angesichts der Überholung von Tropfen im Kraftstoffzerstäubungsstrahl, die ein Ergebnis des Unterschieds in der Anfangszerstäubungsgeschwindigkeit V₀ zwischen den Tropfen im Kraftstoffzerstäubungsstrahl ist, exakt bestimmt.
Das Kraftstoffzerstäubungssteuersystem der oben beschriebenen Ausführungsform kann auf die folgende Weise modifiziert werden. Das Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden von den diskreten Einspritzzeitabschnitten, wenn es notwendig ist, die Kraftstoffmenge Qm in einer Abfolge einzuspritzen, kann auf einen Wert eingestellt werden, der größer ist als das kleinste steuerbare Intervall tim.
Die Einspritzzeitabschnitt, über den der Kraftstoffinjektor 24 damit fortfährt, Kraftstoff einzuspritzen, kann auch als Funktion des Hubbetrags eines Ventils (z.B. eines Nadelventils) des Kraftstoffinjektors 24 oder einer Änderung des Drucks eines Kraftstoffs, der durch einen Kraftstoffweg im Kraftstoffinjektor 24 strömt, der vom Drucksensor im Injektor, 50, gemessen wird, bestimmt werden.
Die Steuerung 30 kann so ausgelegt sein, dass sie nicht als die erste Zerstäubungswinkelkorrektureinrichtung dient, um den Wert des Zerstäubungswinkels θ₀ mit einer Zunahme des Impulses des Kraftstoffs, der aus der Zerstäubungsöffnung 24a ausgetragen wird, zu erhöhen. Die Steuerung 30 kann auch so ausgelegt sein, dass sie nicht als die zweite Zerstäubungswinkelkorrektureinrichtung dient, um den Wert des Zerstäubungswinkels θ₀ mit einer Zunahme der Luftdichte ρ_a zu erhöhen. In diesem Fall kann die Steuerung 30 einen experimentell abgeleiteten Wert als Zerstäubungswinkel θ₀ verwenden.
Die Steuerung 30 berechnet den Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lw1(θ) zwischen der Zerstäubungsöffnung 24a und der Wandoberfläche 12a der Brennkammer 12 als Funktion des Kurbelwinkels θ. Wenn jedoch der Verbrennungsmotor 10 so ausgelegt ist, dass ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus dem Kraftstoffinjektor 24 ausgestoßen wird, auf eine Innenwand des Zylinders 11 trifft, dann kann der Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lw1(θ) auf einen festen Wert eingestellt werden. Der Zerstäubungsöffnung-Wand-Abstand Lw1(θ) oder die Interferenzdistanz Lc(θ) kann alternativ dazu unter Verwendung einer Visualisierungsmaschine bestimmt werden.
Die Steuerung 30 (d.h. die Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung) kann alternativ dazu so gestaltet sein, dass sie den Betrieb der Kraftstoffpumpe 21 steuert, damit diese den Druck des Kraftstoffs senkt, der zum Kraftstoffinjektor 24 geliefert wird, um die Kraftstoffmenge, die an der Zerstäubungsinterferenzstelle ankommt, zu eliminieren oder zu verkleinern. Die Senkung des Drucks des Kraftstoffs, der aus dem Kraftstoffinjektor 24 versprüht werden soll, hat eine Verringerung des Kraftstoffimpulses zum Ergebnis, was zu einer Verkleinerung der Kraftstoffmenge führt, der die Zerstäubungsstrahlvermischungsstelle erreicht. Dies führt zu einer Abnahme der Kraftstoffmenge von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die sich pro Zeiteinheit miteinander vermischen, wodurch eine unerwünschte Zunahme des Äquivalenzverhältnisses der Mischung in der Brennkammer 14 vermieden wird. Die Steuerung 30 kann alternativ dazu so gestaltet sein, dass sie den Druck des Kraftstoffs, der aus dem Kraftstoffinjektor 24 zerstäubt werden soll, zusätzlich zur oben beschriebenen Aufteilung des Haupteinspritzzeitraums verringert.
Die Steuerung 30 (d.h. die Kraftstoffzerstäubungssteuerung) kann alternativ so gestaltet sein, dass sie den Druck von Luft, die vom Lader 16 in die Kraftmaschine 10 geladen wird, erhöht, um die Kraftstoffmenge, die an der Zerstäubungsinterferenzstelle ankommt, zu eliminieren oder zu verringern. Genauer führt die Erhöhung des Drucks von Luft, die vom Lader 16 geladen wird, zu einer Abnahme der Geschwindigkeit eines Kraftstoffzerstäubungsstrahls, der aus dem Kraftstoffinjektor 24 ausgestoßen wird, wodurch die Kraftstoffmenge, die an der Zerstäubungsinterferenzstelle ankommt, verkleinert wird. Dies führt zu einer Abnahme der Kraftstoffmenge von Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die sich pro Zeiteinheit miteinander vermischen, wodurch eine unerwünschte Zunahme des Äquivalenzverhältnisses der Mischung in der Brennkammer 14 vermieden wird. Die Steuerung 30 kann alternativ dazu so gestaltet sein, dass sie zusätzlich zur oben beschriebenen Senkung des Druckes des Kraftstoffs, der aus der Kraftstoffpumpe 21 ausgetragen wird, und/oder der oben beschriebenen Aufteilung des Haupteinspritzzeitabschnitts den Druck der Luft, die vom Lader 16 geladen wird, erhöht.
Wenn bestimmt wird, dass die Einspritzpulsbreite τ größer ist als die Interferenzfrist tbc, ändert die Steuerung 30, wie oben beschrieben, die Einspritzpulsbreite τ so, dass diese kleiner wird als die Interferenzfrist tbc. Anders ausgedrückt vergleicht die Steuerung 30 den Einspritzzeitabschnitt und die Interferenzfrist tbc auf Zeitbasis, aber die Steuerung 30 kann einen solchen Vergleich alternativ dazu auch auf Basis des Kurbelwinkels durchführen.
Das Kraftstoffzerstäubungssteuersystem wird, wie oben beschrieben, durch die Steuerung 30 (d.h. eine elektronische Steuereinheit) implementiert, die in einem Kraftstoffeinspritzsystem für Dieselkraftfahrzeuge installiert ist, aber sie kann alternativ dazu auch aus einem PC bestehen, der in einer Prüfmaschine installiert ist, die mit dem Kraftstoffeinspritzsystem verbunden ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsform und von Modifikationen davon offenbart worden ist, um sie leichter verständlich zu machen, sei klargestellt, dass die Erfindung auf verschiedene Weise verkörpert werden kann, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen.

Claims

Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung, die das Zerstäuben eines Kraftstoffs in eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors, der zumindest eine erste und eine zweite Zerstäubungsöffnung aufweist, steuert, und die aufweist: einen Reichweitenrechner, der derart ausgebildet ist, dass dieser eine Reichweite, bei der es sich um eine Distanz handelt, die ein Kraftstoffzerstäubungsstrahl aus dem Kraftstoffinjektor aus jeder von den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen in eine Zerstäubungsrichtung, in der sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl bewegt, erwartungsgemäß zurücklegt, aufgrund der Tatsache berechnet, dass ein Impuls des Kraftstoffs, der aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen versprüht wird, als Impuls einer Mischung aus dem Kraftstoff und einem Gas innerhalb der Brennkammer erhalten bleibt; eine Interferenzgradbestimmungseinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass diese einen Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, die aus den ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen ausgestoßen werden, als Funktion der vom Reichweitenrechner errechneten Reichweite bestimmt, eine Interferenzdistanz bestimmt, die der Kraftstoffzerstäubungsstrahl, der aus der ersten Zerstäubungsöffnung austritt, entlang einer Wandfläche der Brennkammer bis zu einer Stelle zurücklegt, wo sich der Kraftstoffzerstäubungsstrahl mit dem aus der zweiten Zerstäubungsöffnung austretenden Kraftstoffzerstäubungsstrahl vermischt, und außerdem eine Einspritzdauer bestimmt, über die der Kraftstoffinjektor fortfährt, Kraftstoff zu zerstäuben; und eine Zerstäubungssteuerung, die derart ausgebildet ist, dass diese, wenn bestimmt wird, dass der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen, der von der Interferenzgradbestimmungseinrichtung abgeleitet wird, größer ist als ein vorgegebener Wert, die Zerstäubung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffinjektor so steuert, dass die Menge des Kraftstoffs, der die Stelle erreicht, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen vermischen, kleiner wird.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zerstäubungssteuerung derart ausgebildet ist, dass diese dann, wenn bestimmt wird, dass der Grad der Interferenz zwischen den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen größer ist als der vorgegebene Wert, eine Abfolge mehrerer Einspritzungen des Kraftstoffs durchführt, um die Kraftstoffmenge, die an der Stelle ankommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen, zu verkleinern.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Zerstäubungssteuerung derart ausgebildet ist, dass diese ein Zeitintervall zwischen den mehreren Einspritzungen auf ein kleinstes steuerbares Intervall einstellt.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Interferenzgradbestimmungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese eine Interferenzfrist, bei der es sich um einen Zeitraum handelt, der nötig ist, bis der Kraftstoff von jeder der ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen an der Interferenzstelle ankommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen, als Funktion der Reichweite, die vom Reichweitenrechner abgeleitet wird, und der Interferenzdistanz berechnet und die Länge der Zeit zwischen der Einspritzdauer und der Interferenzfrist vergleicht, und wobei die Zerstäubungssteuerung derart ausgebildet ist, dass diese dann, wenn die Interferenzgradbestimmungseinrichtung entscheidet, dass die Einspritzdauer länger ist als die Interferenzfrist, die Einspritzdauer so ändert, dass diese kürzer wird als die Interferenzfrist.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner eine Kraftstoffpumpe aufweisend, die derart ausgebildet ist, dass diese einen Druck des Kraftstoffs reguliert, der aus dem Kraftstoffinjektor zerstäubt werden soll, und wobei die Zerstäubungssteuerung derart ausgebildet ist, dass diese einen Betrieb der Kraftstoffpumpe so steuert, dass der Druck des Kraftstoffs, der aus dem Kraftstoffinjektor zerstäubt werden soll, niedriger wird, damit die Kraftstoffmenge, die an der Stelle ankommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen, minimiert wird.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner einen Lader aufweisend, der derart ausgebildet ist, dass dieser Luft verdichtet, die in die Kraftmaschine eingeführt werden soll, und wobei die Zerstäubungssteuerung derart ausgebildet ist, dass diese den Druck der Luft, die vom Lader in die Kraftmaschine geladen wird, erhöht, um die Kraftstoffmenge, die an der Stelle ankommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen, zu minimieren.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Interferenzgradbestimmungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese eine Interferenzfrist, bei der es sich um einen Zeitraum handelt, der nötig ist, bis der Kraftstoff von jeder der ersten und zweiten Zerstäubungsöffnungen an der Interferenzstelle ankommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen, als Funktion der Reichweite, die vom Reichweitenrechner abgeleitet wird, und der Interferenzdistanz berechnet und die Länge der Zeit zwischen der Einspritzdauer und der Interferenzfrist vergleicht, und wobei die Zerstäubungssteuerung derart ausgebildet ist, dass diese dann, wenn die Interferenzgradbestimmungseinrichtung entscheidet, dass die Einspritzdauer länger ist als die Interferenzfrist, die Zerstäubung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffinjektor so steuert, dass die Kraftstoffmenge, die an der Stelle ankommt, wo sich die Kraftstoffzerstäubungsstrahlen miteinander vermischen, kleiner wird.
Kraftstoffzerstäubungssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Reichweitenrechner derart ausgebildet ist, dass dieser Werte der Reichweite für alle Teile des ausgewählten einen von den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen auf Basis von Anfangsgeschwindigkeiten der Teile des ausgewählten einen von den Kraftstoffzerstäubungsstrahlen in einer Einspritzperiode des Kraftstoffs in die Brennkammer der Kraftmaschine aufeinander folgend berechnet und den größten von den Werten als Reichweite definiert.