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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor mit einem Injektor zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer, wobei die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor in einem Verbrennungszyklus dreimal erfolgt.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
JP 2007-177731 A (JP'731) offenbart einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor, worin die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor in einem Verbrennungszyklus dreimal erfolgt. Insbesondere erfolgen alle drei Einspritzungen im Einlasstakt des betreffenden Zylinders, wobei die erste Einspritzung im Bereich von 0 Grad bis 60 Grad nach dem oberen Totpunkt erfolgt, bei dem der Einlasstakt beginnt (nachfolgend einfach als „oberer Totpunkt“ bezeichnet), die zweite Einspritzung im Bereich von 60 Grad bis 140 Grad nach dem oberen Totpunkt erfolgt, und die dritte Einspritzung von 140 Grad bis 180 Grad nach dem oberen Totpunkt erfolgt.
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In dem Fall, wo die erforderliche Kraftstoffmenge mit nur einer Kraftstoffeinspritzung im Einlasstakt zugeführt wird, besteht ein Problem darin, dass die Menge an Rauch und/oder unverbranntem Gas groß wird. Dementsprechend erfolgt mit dem Direkteinspritz-Verbrennungsmotor der JP'371 die Kraftstoffeinspritzung mit drei Teileinspritzungen. Da jedoch die erste Einspritzung während der ersten Hälfte des Einlasstakts erfolgt, ist die erzeugte Rußmenge (Rauch) vergleichsweise groß, wenn die Temperatur des Motors niedrig ist (vor Beendigung des Aufwärmens des Motors). Es ist daher wünschenswert, die erzeugte Rußmenge zu reduzieren.
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Die
DE 10 2013 214 261 A1 zeigt einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor mit einem Injektor zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer; wobei eine erste Kraftstoffeinspritzung, eine zweite Kraftstoffeinspritzung und eine dritte Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungszyklus des Motors erfolgen, wenn die Temperatur des Motors gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, wobei die erste Kraftstoffeinspritzung 230° bis 170° vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgt, wobei die zweite Kraftstoffeinspritzung 210° bis 160° vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgt, und die dritte Kraftstoffeinspritzung 180° bis 120° vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgt.
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Die prioritätsältere aber nachveröffentlichte
DE 10 2016 006 653 A1 zeigt einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor mit einem Injektor zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer; wobei eine erste Kraftstoffeinspritzung, eine zweite Kraftstoffeinspritzung und eine dritte Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungszyklus des Motors erfolgen, wenn die Temperatur des Motors gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist, wobei beim katalysatoreigenen schnellen Warmlaufen die erste Kraftstoffeinspritzung 215° vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgt, die zweite Kraftstoffeinspritzung 160° bis 110° vor dem oberen Zünd-Totpunkt in das Zentrum einer Wirbelströmung in der Brennkammer erfolgt, und die dritte Kraftstoffeinspritzung 55° vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgt, während nach dem katalysatoreigenen schnellen Warmlaufen die erste Kraftstoffeinspritzung 280° vor dem oberen Zünd-Totpunkt erfolgt, die zweite Kraftstoffeinspritzung 215° vor dem oberen Zünd-Totpunkt in das Zentrum einer Wirbelströmung in der Brennkammer erfolgt, und die dritte Kraftstoffeinspritzung 160° bis 110° vor dem Zünd-Totpunkt erfolgt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf den oben beschriebenen
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Punkt gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor anzugeben, der vor Abschluss seines Aufwärmens die erzeugte Rußmenge reduzieren kann.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Direkteinspritz-Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 angegeben.
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Der Motor enthält einen Injektor (6), um in seine Brennkammer (1a) Kraftstoff direkt einzuspritzen. In diesem Motor erfolgen eine erste Kraftstoffeinspritzung (INJ1), eine zweite Kraftstoffeinspritzung (INJ2) und eine dritte Kraftstoffeinspritzung (INJ3) in einem Verbrennungszyklus des Motors, wenn eine Temperatur (TW) des Motors gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (TWTH) ist. Die zweite Einspritzung (INJ2) wird im angenähert unteren Totpunkt-Bereich von 160 Grad bis 200 Grad nach dem oberen Totpunkt, bei dem der Einlasstakt beginnt, abgeschlossen; die erste Kraftstoffeinspritzung (INJ1) erfolgt in einem Bereich, der auf die frühe Seite des angenähert unteren Totpunkt-Bereichs gelegt ist, und die dritte Kraftstoffeinspritzung (INJ3) erfolgt in einem Bereich, der auf die späte Seite des angenähert unteren Totpunkt-Bereichs gelegt ist. Ferner werden die ersten und dritten Kraftstoffeinspritzungen (INJ1, INJ3) in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad nach dem oberen Totpunkt abgeschlossen.
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Eine Motorkühlmitteltemperatur oder eine Schmieröltemperatur des Motors kann zum Beispiel als Parameter verwendet werden, der die Temperatur des Motors angibt.
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Mit dieser Konfiguration erfolgen die drei Teil-Kraftstoffeinspritzungen im Bereich von der zweiten Hälfte des Einlasstakts bis zur ersten Hälfte des Verdichtungstakts, wobei die Mitte des Bereichs der angenähert untere Totpunkt-Bereich ist. Dementsprechend wird es, wenn die Motortemperatur vergleichsweise niedrig ist, möglich, die Homogenität des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer zu verbessern, um hierdurch eine höhere Verbrennungsstabilität sicherzustellen. Ferner sinkt die Menge von eingespritztem Kraftstoff, die an der Oberseite des Kolbens anhaftet, wodurch es möglich gemacht wird, die erzeugte Rußmenge zu reduzieren.
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Bevorzugt werden das Winkelintervall zwischen der ersten Kraftstoffeinspritzung (INJ1) und der zweiten Kraftstoffeinspritzung (INJ2), und das Winkelintervall zwischen der zweiten Kraftstoffeinspritzung (INJ2) und der dritten Kraftstoffeinspritzung (INJ3) vergrößert, wenn die Motordrehzahl (NE) zunimmt.
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Mit dieser Konfiguration nehmen das Winkelintervall zwischen den ersten und zweiten Kraftstoffeinspritzungen und das Winkelintervall zwischen den zweiten und dritten Kraftstoffeinspritzungen zu, wenn die Motordrehzahl zunimmt. Dementsprechend können die Kraftstoffeinspritzungen im angenähert unteren Totpunkt-Bereich solange wie möglich innerhalb der Grenzen der Betriebscharakteristik der Steuervorrichtung zum Steuern des Injektors abgeschlossen werden. Demzufolge kann die Menge von eingespritztem Kraftstoff, die an der Kolbenoberseite anhaftet, gesenkt werden, um hierdurch die erzeugte Rußmenge zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß hat der Motor zwischen der Brennkammer (1a) und einer Einlassöffnung (2a) ein Einlassventil (7) und ist derart konfiguriert, dass in der Brennkammer durch die Einlassluft, die durch das Einlassventil in die Brennkammer fließt, eine Wirbelströmung erzeugt wird. Ferner ist der Injektor (6) in der Nähe des Einlassventils (7) derart angeordnet, dass Kraftstoff diagonal abwärts in die Brennkammer eingespritzt wird, und die Ausführungszeitgebung des ersten bis dritten Kraftstoffeinspritzung vorverlagert wird, wenn die Temperatur (TW) des Motors ansteigt.
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In dem Motor, wo die Wirbelströmung in der Brennkammer erzeugt wird, wird eine stark ansteigende Strömung der Wirbelströmung im Bereich von der zweiten Hälfte des Einlasstakts bis zur ersten Hälfte des Verdichtungstakts erzeugt. Dementsprechend kann sich ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs (insbesondere des bei der dritten Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs) mit höher Möglichkeit mit der ansteigenden Strömung nach oben bewegen, um an der Zylinderwand in der Nähe einer Position anzuhaften, an der der Injektor angebracht ist. Andererseits nimmt in dem Zustand, wo die Temperatur des Motors angestiegen ist, die erzeugte Rußmenge aufgrund des an der Kolbenoberseite anhaftenden Kraftstoffs ab. Demzufolge macht es die Vorverlagerung der Ausführungszeiten der ersten bis dritten Kraftstoffeinspritzungen bei steigender Motortemperatur möglich, nicht nur die Erzeugung von Ruß aufgrund des an der Kolbenoberseite anhaftenden Kraftstoffs zu senken, sondern auch die Erzeugung von Ruß aufgrund der Anhaftung des Kraftstoffs an der Zylinderwand, der durch die Wirbelströmung erzeugt wird.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor und eine Steuervorrichtung dafür gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt schematisch eine Konfiguration eines Zylinders des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors;
- 3A und 3B sind Zeichnungen zur Erläuterung, wie die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen in einem Verbrennungszyklus gesetzt wird;
- 4 ist eine Zeichnung zur Erläuterung von Ausführungszeitgebungen der drei Teil-Einspritzungen;
- 5A - 5C sind Zeichnungen zur Erläuterung der Effekte, die man durch die Ausführung der drei Teil-Einspritzungen erhält;
- 6A zeigt eine Beziehung zwischen einer Ausführungszeitgebung (CAI1st) der Kraftstoffeinspritzung und der Rußerzeugungsmenge (PM) nach Abschluss vom Aufwärmen des Verbrennungsmotors, und 6B zeigt eine Beziehung zwischen einer Motorkühltemperatur (TW) und der Ausführungszeitgebung (CAI1st) der Kraftstoffeinspritzung; und
- 7 zeigt eine Beziehung zwischen einer maximal erreichbaren Distanz (DSTMAX) des eingespritzten Kraftstoffs und einem Durchmesser (DF) vom Kraftstoff, der durch die Einspritzung zerstäubt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Nun werden bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Konfiguration eines Direkteinspritz-Verbrennungsmotors (nachfolgend als „Motor“ bezeichnet) und eine Steuervorrichtung dafür, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt schematisch eine Konfiguration eines Zylinders des in 1 gezeigten Motors 1. Ein Einlasskanal 2 ist mit dem Motor 1 verbunden, und der Einlasskanal 2 ist mit einem Drosselventil 3 versehen. Der Motor 1 hat zum Beispiel vier Zylinder, jeder Zylinder ist mit einem Kolben 9 versehen. Eine Einlassöffnung 2a, die von dem Einlasskanal 2 abzweigt, öffnet sich in eine Brennkammer 1a des Zylinders, und ein Einlassventil 7 ist zwischen der Einlassöffnung 2a und der Brennkammer 1a angeordnet. Der Motor 1 ist derart konfiguriert, dass durch die Einlassluft, die durch das Einlassventil 7 in die Brennkammer 1a fließt, in der Brennkammer 1a eine Wirbelströmung FA erzeugt wird.
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Ein Injektor 6 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer 1a ist in der Nähe vom Einlassventils 7 jedes Zylinders in dem Motor 1 vorgesehen. Der Injektor 6 ist derart angebracht, dass Kraftstoff diagonal abwärts in die Brennkammer 1a eingespritzt wird. Der Betrieb des Injektors 6 wird von einer elektronischen Steuereinheit (nachfolgend als „ECU“ bezeichnet) 5 gesteuert. Eine Zündkerze 8 ist an jedem Zylinder in dem Motor 1 angebracht, und ein Zündzeitpunkt wird durch die Zündkerze 8 und von der ECU 5 gesteuert.
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Ein Einlassluft-Strömungsratensensor 21, ein Einlassluft-Temperatursensor 22, ein Drosselventilöffnungssensor 23, ein Einlassdrucksensor 24, ein Kühlmitteltemperatursensor 25 und andere nicht gezeigte Sensoren sind mit der ECU 5 verbunden, und die von diesen Sensoren erfassten Signale werden der ECU 5 zugeführt. Der Einlassluft-Strömungsratensensor 21 erfasst eine Einlassluft-Strömungsrate des Motors, der Einlassluft-Temperatursensor 22 erfasst eine Einlassluft-Temperatur TA, der Drosselventilöffnungssensor 23 erfasst eine Drosselventilöffnung TH, der Einlassdrucksensor 24 erfasst einen Einlassdruck PBA, und der Kühlmitteltemperatursensor 25 erfasst eine Motorkühltemperatur TW. Andere Sensoren enthalten zum Beispiel einen Gaspedalsensor zum Erfassen ein es Betätigungsbetrags vom Gaspedal des vom Motor 1 angetriebenen Fahrzeugs, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und dergleichen.
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Ein Kurbelwinkelpositionssensor 26 dient zum Erfassen eines Drehwinkels einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Motors 1, und ein Pulssignal gemäß dem Drehwinkel der Kurbelwelle wird der ECU 5 zugeführt. Der Kurbelwinkelpositionssensor gibt eine Mehrzahl von Pulssignalen aus, die die Kurbelwinkelposition angeben, und die Pulssignale werden zum Erfassen einer Motordrehzahl NE verwendet, und zum Steuern der Kraftstoffeinspritzzeitgebung, des Zündzeitpunkts und dergleichen.
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Ein Auslasskanal 10 des Motors 1 ist mit einem Drei-Wege-Katalysator 11 versehen, um die Abgase zu reinigen. Ein Proportional-Sauerstoffkonzentrationssensor 27 (nachfolgend als „LAF-Sensor 27“ bezeichnet) ist an der stromaufwärtigen Seite des Drei-Wege-Katalysators 11 und an der stromabwärtigen Seite eines Sammelabschnitts des Auslasskrümmers angebracht, der mit jedem Zylinder des Motors einzeln in Verbindung steht. Der LAF-Sensor 27 gibt ein Erfassungssignal aus, das im Wesentlichen proportional zur Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) in den Abgasen ist, und führt das Erfassungssignal der ECU 5 zu.
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Die ECU 5 enthält eine Eingabeschaltung, eine zentrale Prozessoreinheit (nachfolgend als „CPU“ bezeichnet), eine Speicherschaltung und eine Ausgabeschaltung. Die Eingabeschaltung führt verschiedene Funktionen aus, einschließlich Formung der Wellenverläufe von Eingangssignalen von den verschiedenen Sensoren, Korrigieren der Spannungspegel der Eingangssignale auf einen vorbestimmten Pegel, und Umwandeln von analogen Signalwerten in digitale Signalwerte. Die Speicherschaltung speichert zuvor verschiedene Betriebsprogramme, die von der CPU auszuführen sind, und speichern die Ergebnisse von Berechnungen oder dergleichen durch die CPU. Die Ausgabeschaltung führt den Injektoren 6 und den Zündkerzen 8 und dergleichen Aktivierungssignale zu.
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Eine vom Injektor 6 eingespritzte Kraftstoffmenge (Kraftstoffeinspritzmenge) wird gesteuert, indem eine Basiskraftstoffmenge mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizienten KAF korrigiert wird, wobei die Basiskraftstoffmenge gemäß der Einlassluftströmungsrate GAIR berechnet wird, und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Korrekturkoeffizient KAF gemäß einem vom LAF-Sensor 27 erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF berechnet wird, so dass das erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AFCMD übereinstimmt.
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Die 3A und 3B sind Zeichnungen zur Erläuterung, wie die Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen in einem Verbrennungszyklus (nachfolgend als „Kraftstoffeinspritzzahl NINJ“ bezeichnet) gesetzt wird, welche Motorbetriebsbereiche zeigen, die durch die Motordrehzahl NE und Motorlastparameter LD definiert sind. 3A entspricht einem Motorbetriebszustand, wo vor Abschluss des Aufwärmens des Motors 1die Motorkühlmitteltemperatur TW niedriger als eine vorbestimmte Temperatur TWTH ist (z. B. 60 Grad Celsius). 3B entspricht einem Motorbetriebszustand, wo das Aufwärmen des Motors 1 abgeschlossen ist (TW ist gleich oder höher als 75 Grad Celsius). Die Einlassluftströmungsrate GAIR oder der Einlassdruck PBA werden, zum Beispiel, als der Motorlastparameter LD verwendet.
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Wenn die Temperatur des Motors 1 vergleichsweise niedrig ist, wird die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ im Bereich R3 auf „3“ gesetzt. In den Bereichen R2 und R1 wird die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ jeweils auf „2“ und „1“ gesetzt. Der Bereich R3 von 3A ist ein Niederdrehzahl-Hochlastbereich, wo die Motordrehzahl NE gleich oder höher als eine erste Drehzahl NE1 und niedriger als eine zweite Drehzahl NE2 ist, und der Motorlastparameter LD gleich oder größer als eine zweite Grenzlast LD2 und gleich oder kleiner als eine maximale Last LDMAX ist. Die erste Motordrehzahl NE entspricht einer Leerlaufdrehzahl des Motors 1.
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Der Bereich R2 umfasst einen Niederdrehzahl-Mittellastbereich und einen Mitteldrehzahl-Mittel/Hochlastbereich. Im Niederdrehzahl-Mittellastbereich ist die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die erste Drehzahl NE1 und niedriger als die zweite Drehzahl NE2, und ist der Motorlastparameter LD gleich oder größer als eine erste Grenzlast LD1 und kleiner als eine zweite Grenzlast LD2. Im Mitteldrehzahl-Mittel/Hochlastbereich ist die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die zweite Drehzahl NE2 und niedriger als eine dritte Drehzahl NE3, und ist der Motorlastparameter gleich oder größer als die erste Grenzlast LD1 und gleich oder kleiner als die Maximallast LDMAX. Der Bereich R1 umfasst, anders als die Bereiche R2 und R3, einen Niederlastbereich und einen Hochdrehzahlbereich. Das in den 3A und 3B gezeigte NEMAX bezeichnet die maximale Drehzahl.
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Nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 wird in den in 3B gezeigten Bereichen R13, R12 und R11 die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ jeweils auf „3“, „2“ und „1“ gesetzt. Der Bereich R13 ist ein Niederdrehzahl-Hochlastbereich, wo die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die erste Drehzahl NE1 und niedriger als die zweite Drehzahl NE2 ist, und der Motorlastparameter LD gleich oder größer als eine vierte Grenzlast LD4 und gleich oder kleiner als die maximale Last LDMAX ist. Der Bereich R12 ist ein Mitteldrehzahl-Mittellastbereich, wo die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die erste Drehzahl NE1 und niedriger als die zweite Drehzahl NE 2 ist, und der Motorlastparameter LD gleich oder größer als eine dritte Grenzlast LD3 und kleiner als die vierte Grenzlast LD4 ist.
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Es ist anzumerken, dass die dritten und vierten Grenzlasten LD3 und LD4 so gesetzt sind, dass sie zunehmen, wenn die Motordrehzahl NE von einer vierten Drehzahl NE4 auf eine fünfte Drehzahl NE5 ansteigt. Der Bereich R11 umfasst, anders als die Bereiche R12 und R13, einen Niederlastbereich und einen Mittel/Hochlastbereich. Die Grenzlasten LD1 - LD4 werden so gesetzt, dass sie den Beziehungen LD1 < LD3 und LD2 < LD4 genügen.
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Wie in 3A gezeigt, wird in dieser Ausführung die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ auf „3“ gesetzt, um drei Teilkraftstoffeinspritzungen im Niederdrehzahl-Hochlast-Betriebsbereich R3 durchzuführen, wenn die Temperatur des Motors 1 vergleichsweise niedrig ist (vor Abschluss vom Aufwärmen). Wie in 4 gezeigt, wird die zweite Kraftstoffeinspritzung INJ2 in einem Kurbelwinkelbereich von 160 Grad bis 200 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC) abgeschlossen, bei dem der Einlasstakt beginnt. Der Kurbelwinkelbereich von 160 Grad bis 200 Grad, der den unteren Totpunkt (BDC) enthält, bei dem der Einlasstakt endet, wird nachfolgend als „angenähert unterer Totpunkt-Bereich“ bezeichnet.
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Es ist anzumerken, dass in dieser Beschreibung der Winkelbereich den Kurbelwinkelbereich bedeutet. Die erste Kraftstoffeinspritzung INJ1 erfolgt in einem ersten Einspritzbereich, der auf die frühe Seite des angenähert unteren Totpunkt-Bereichs gelegt ist, und die dritte Kraftstoffeinspritzung INJ3 erfolgt in einem dritten Einspritzbereich, der auf die späte Seite des angenähert unteren Totpunkt-Bereichs gelegt ist. Ferner werden die ersten und dritten Kraftstoffeinspritzungen INJ1 und INJ3 in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad nach dem oberen Totpunkt abgeschlossen.
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Insbesondere erfolgt die erste Einspritzung INJ1 in dem ersten Einspritzbereich von 30 Grad bis 50 Grad, der von der Ausführungszeitgebung CAI2nd der zweiten Einspritzung INJ2 vorverlagert ist, wobei der erste Einspritzbereich auf der frühen Seite im Bezug auf den angenähert unteren Totpunkt-Bereich gelegt ist. Die dritte Einspritzung INJ3 erfolgt in dem dritten Einspritzbereich von 30 Grad bis 50 Grad, der von der Ausführungszeitgebung CAI2nd der zweiten Einspritzung INJ2 verzögert ist, wobei der dritte Einspritzbereich auf der späten Seite im Bezug auf den angenähert unteren Totpunkt-Bereich gelegt ist. Das in 4 gezeigte „ATDC“ bedeutet „nach dem oberen Totpunkt, bei dem der Einlasstakt beginnt“.
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Kraftstoffeinspritzmengen entsprechen den ersten bis dritten Einspritzungen und werden auf einen Wert gesetzt, den man erhält, indem man die gemäß dem Betriebszustand des Motors 1 berechnete erforderliche Kraftstoffmenge durch „3“ dividiert, was bedeutet, dass die Kraftstoffeinspritzmengen der drei Teileinspritzungen zueinander gleich sind.
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Nachfolgend wird im Bezug auf die 5A - 5C der Vorteil beschrieben, den man mit der Ausführung der drei Teileinspritzungen im Bereich R3 erhält, wenn die Temperatur des Motors 1 vergleichsweise niedrig ist. In den 5A - 5C bezeichnen die Symbole „◯“ Daten entsprechend dem Fall, wo die Kraftstoffeinspritzung erfolgt, deren Kraftstoffeinspritzzahl NINJ „1“ ist (nachfolgend als „Einzeleinspritzung“ bezeichnet), und die Symbole „■“ bezeichnen Daten entsprechend dem Fall, wo die oben beschriebenen drei Teileinspritzungen durchgeführt werden.
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CAI1 st auf der Horizontalachse bezeichnet die Ausführungszeitgebung der Einzeleinspritzung, oder die Ausführungszeitgebung der ersten Einspritzung INJ1 für die drei Teileinspritzungen. In der folgenden Beschreibung repräsentiert die „erste Einspritzzeitgebung CAI1st“ die Ausführungszeitgebungen der drei Teileinspritzungen. Der Winkel auf der horizontalen Achse bezeichnet einen Winkel nach dem oberen Totpunkt, an dem der Einlasstakt beginnt. Es ist anzumerken, dass die Daten der in den 5A - 5C, 6A und 6B gezeigten drei Teileinspritzungen erhalten werden durch Ausführung der zweiten Einspritzung INJ2 bei einem Winkel von 40 Grad nach der ersten Einspritzzeitgebung CAI1, und Ausführung der dritten Einspritzung INJ3 bei einem Winkel von 40 Grad nach der Ausführungszeitgebung der zweiten Einspritzung INJ2.
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5A zeigt eine Beziehung zwischen der Kraftstoffeinspritzzeitgebung und einer Rußmenge PM, die abgegeben wird, wenn das vom Promoter 1 angetriebene Fahrzeug eine konstante Strecke fährt (nachfolgend als „Rußmenge PM“ bezeichnet). Gemäß 5A bestätigt sich, dass die Rußmenge PM abnimmt, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung im Einlasstakt verzögert ist, und die Rußmenge PM der drei Teileinspritzungen kleiner ist als jene der Einzeleinspritzung.
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5B zeigt eine Beziehung zwischen der Kraftstoffeinspritzzeitgebung und einer Fluktuationsrate IMEPCR des indizierten mittleren Wirkdrucks, nachfolgend als „Verbrennungs-Fluktuationsrate IMEPCR“ bezeichnet). Gemäß 5B bestätigt sich, dass die Verbrennungs-Fluktuationsrate IMEPCR zunimmt, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung im Einlasstakt verzögert wird, und die Verbrennungs-Fluktuationsrate IMEPCR der drei Teileinspritzungen kleiner ist als jene der Einzeleinspritzung. Die kleinere Verbrennungs-Fluktuationsrate IMEPCR bedeutet, dass die Homogenität vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1a größer ist als jene der Einzeleinspritzung, und die Verbrennungsstabilität verbessert ist.
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5C zeigt eine Beziehung zwischen der Kraftstoffeinspritzzeitgebung und dem Verdünnungsgrad DIL des Schmieröls (nachfolgend als „Ölverdünnungsgrad DIL“ bezeichnet). Gemäß 5C bestätigt sich, dass der Ölverdünnungsgrad DIL der Einzeleinspritzung zunimmt, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung verzögert wird, während der Ölverdünnungsgrad DIL der drei Teileinspritzungen im Vergleich zu jener der Einzeleinspritzung merklich reduziert ist. Es bestätigt sich auch, dass sich der Ölverdünnungsgrad DIL der drei Teileinspritzungen nur wenig ändert, wenn sich die Kraftstoffeinspritzzeitgebung ändert.
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Wie oben beschrieben, machen es die drei Teileinspritzungen möglich, die Rußmenge PM zu reduzieren und eine Zunahme in der Verbrennungs-Fluktuationsrate IMEPCR und eine Zunahme vom Ölverdünnungsgrad DIL zu vermeiden.
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Die Winkelbereiche der Ausführungszeitgebungen der drei Teileinspritzungen werden hauptsächlich gesetzt, um die Rußmenge PM vor dem Aufwärmen des Motors 1 zu senken, d.h., wenn die Kühlmitteltemperatur TW des Motors 1 niedriger als die vorbestimmte Temperatur TWTH ist. In dem Fall, wo die Ausführungszeitgebung der ersten Einspritzung INJ1 auf die frühe Seite im Bezug auf 90 Grad gesetzt ist, und in dem Fall, wo die Ausführungszeitgebung der dritten Einspritzung INJ3 auf die späte Seite im Bezug auf 270 Grad gesetzt ist, nimmt die an der Kolbenoberseite anhaftende Kraftstoffmenge zu, was in einer ungenügenden Reduktion der Rußmenge PM resultiert.
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Ferner ist es bevorzugt, die Ausführungsintervalle zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen der drei Teileinspritzungen zu verkürzen. Jedoch werden in dieser Ausführung die Intervalle auf einen Wert im Winkelbereich von 30 Grad bis 50 Grad gesetzt. Der Grund für dieses Setzen ist, dass es eine Beschränkung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl NE im Bezug auf die Betriebscharakteristik der ECU 5 gibt. Durch vergrößerte Intervalle innerhalb des Winkelbereichs von 30 Grad bis 50 Grad, wenn die Motordrehzahl NE ansteigt, können innerhalb der Grenzen der Betriebscharakteristik der ECU 5 die Kraftstoffeinspritzungen solange wie möglich im angenähert unteren Totpunkt-Bereich abgeschlossen werden.
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Demzufolge kann die an der Kolbenoberseite anhaftende Kraftstoffmenge verringert werden, um hierdurch die Rußmenge zu reduzieren. Ferner können, indem die Ausführungsintervalle zwischen den Teileinspritzungen nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 so kurz wie möglich gemacht werden, die Kraftstoffeinspritzungen abgeschlossen werden, bevor die ansteigende Strömung der Wirbelströmung FA damit beginnt, den eingespritzten Kraftstoff hochzudrücken.
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6A zeigt eine Beziehung zwischen der ersten Einspritzzeitgebung CAI1st und der Rußmenge PM nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1, wenn die drei Teileinspritzungen im in 3B gezeigten Bereich R13 durchgeführt werden. Die Rußmenge PM nimmt einen Minimalwert ein, wenn die erste Einspritzzeitgebung CAI1st einen Wert von etwa ATDC 80 Grad gelegt wird, was sie von der in 5B gezeigten Beziehung unterscheidet.
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Wenn, gemäß Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung, die Temperatur des Motors 1 vergleichsweise niedrig ist, bestätigt es sich, dass der Hauptfaktor zum Erzeugen von Ruß Kraftstoff ist, der an der Kolbenoberseite anhaftet, welche die Brennkammer 1a definiert. Durch Ausführung der Kraftstoffeinspritzung, wenn der Kolben an einer Position mit größter Entfernung von dem Injektor 6 ist, d.h. im angenähert unteren Totpunkt-Bereich, ist es möglich, die an der Kolbenoberseite anhaftende Kraftstoffmenge zu reduzieren, wodurch die Rußmenge PM minimal gemacht wird.
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Wenn andererseits die Temperatur des Motors 1 nach Abschluss vom Aufwärmen ansteigt, bestätigt sich, dass eine Rußmenge, die aufgrund des an der Kolbenoberseite anhaftenden Kraftstoffs erzeugt wird, abnimmt, und ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs zu einem Ort in der Nähe des Injektors 5 zurückkehrt, mit ansteigender Strömung der Wirbelströmung FA, die in der Brennkammer 1a erzeugt wird, um an der Wand des Injektors 6 anzuhaften. Dementsprechend nimmt die Rußerzeugungsmenge aufgrund des Kraftstoffs zu, der an der Wand in der Nähe des Injektors 6 anhaftet.
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Demzufolge ist es bevorzugt, die erste Kraftstoffeinspritzzeitgebung CAI1st, wie in 6B gezeigt, gemäß der Temperatur des Motors 1, d.h. der Motorkühlmitteltemperatur TW, vorzuverlagern. Durch die Vorverlagerung der ersten Einspritzzeitgebung CAI1st, wenn die Motorkühlmitteltemperatur ansteigt, kann eine Kraftstoffmenge, die während der ersten Hälfte des Verdichtungsakts eingespritzt wird, wo die ansteigende Strömung der Wirbelströmung FA stark wird, reduziert werden, um die Rußmenge PM zu verringern. Es ist anzumerken, dass der untere Grenzwert (Früh-Grenzwert) der ersten Einspritzzeitgebung CAI1st auf ATDC 80 Grad gelegt ist, da die Rußmenge PM zunimmt, wie in 6A gezeigt, wenn die erste Einspritzzeitgebung CAI1st weiter von ATDC 80 Grad vorverlagert wird.
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7 zeigt eine Beziehung zwischen einer maximal erreichbaren Distanz DSTMAX des eingespritzten Kraftstoffs und einem Durchmesser DF des Kraftstoffs, der durch die Einspritzung zerstäubt wird (nachfolgend als „Zerstäubungsdurchmesser DF“ bezeichnet). Wenn ein Kraftstoffdruck PF, der ein Druck des dem Injektor 6 zugeführten Kraftstoffs ist, gleich einem ersten Kraftstoffdruck PF1 ist, nimmt der Zerstäubungsdurchmesser DF einen ersten Wert DF1 ein. Wenn der Kraftstoffdruck PF auf einen zweiten Kraftstoffdruck PF2 gesetzt wird, der das Doppelte des ersten Kraftstoffdrucks PF1 beträgt, ändert sich die maximal erreichbare Distanz DSTMAX nur wenig, aber der Zerstäubungsdurchmesser DF nimmt auf einen zweiten Wert DF2 ab, der etwa 20 % kleiner als der erste Wert DF1 ist. Dementsprechend macht es die Erhöhung des Kraftstoffdrucks möglich, den eingespritzten Kraftstoff feiner zu zerstäuben, um hierdurch die Verbrennungsstabilität zu verbessern als auch die Rußmenge zu reduzieren.
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Wie oben beschrieben, werden in dieser Ausführung die drei Teileinspritzungen im Bereich von der zweiten Hälfte des Einlasstakts bis zur ersten Hälfte des Verdichtungstakts ausgeführt, wobei die Mitte des Bereichs der angenähert untere Totpunkt-Bereich ist. Dementsprechend wird es, wenn die Motortemperatur vergleichsweise niedrig ist, möglich, die Homogenität des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer 1a zu verbessern, um hierdurch eine höhere Verbrennungstabilität sicherzustellen. Demzufolge nimmt eine Menge des an der Oberseite vom Kolben anhaftenden eingespritzten Kraftstoffs ab, wodurch es möglich gemacht wird, die erzeugte Rußmenge zu reduzieren.
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Ferner werden die Winkelintervalle, die durch den Kurbelwinkel zwischen den drei Teileinspritzungen angegeben sind, so gesteuert, dass sie zunehmen, wenn die Motordrehzahl NE zunimmt. Dementsprechend können die Kraftstoffeinspritzungen im angenähert unteren Totpunkt-Bereich abgeschlossen werden, solange dies innerhalb der Grenzen der Betriebscharakteristik der ECU 5 zum Ansteuern des Injektors möglich ist. Demzufolge kann die Menge des eingespritzten Kraftstoffs, die an der Kolbenoberseite anhaftet, verringert werden, um hierdurch die erzeugte Rußmenge zu reduzieren. Indem ferner die Ausführungsintervalle zwischen den Teileinspritzungen nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 so kurz wie möglich gemacht werden, können die Kraftstoffeinspritzungen abgeschlossen werden, bevor die ansteigende Strömung der Wirbelströmung FA damit beginnt, den eingespritzten Kraftstoff hochzudrücken.
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In der Brennkammer 1a des Motors 1 wird eine stark ansteigende Strömung der Wirbelströmung FA im Bereich von der zweiten Hälfte des Einlasstakts bis zur ersten Hälfte des Verdichtungstakts erzeugt. Dementsprechend kann sich ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs (insbesondere des bei der dritten Kraftstoffeinspritzung INJ3 eingespritzten Kraftstoffs) mit der ansteigenden Strömung hochbewegen, mit hoher Möglichkeit, an der Zylinderwand in der Nähe der Position anzuhaften, an der der Injektor 6 angebracht ist. Andererseits nimmt in dem Zustand, wo die Temperatur des Motors 1 angestiegen ist, die erzeugte Rußmenge aufgrund des an der Kolbenoberseite anhaftenden Kraftstoffs ab. Demzufolge ist es durch das Vorverlagern des Ausführungszeitgebung der ersten bis dritten Kraftstoffeinspritzungen, wenn die Motortemperatur ansteigt, möglich, nicht nur die Erzeugung von Ruß aufgrund des an der Kolbenoberseite anhaftenden Kraftstoffs zu verringern, sondern auch die Erzeugung von Ruß aufgrund des an der Zylinderwand anhaftenden Kraftstoffs und der Wirbelströmung FA.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung beschränkt, und es können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden. Zum Beispiel ist in der oben beschriebenen Ausführung der Direkteinspritz-Verbrennungsmotor gezeigt, der vier Zylinder aufweist. Die vorliegende Erfindung ist aber auch auf einen Direkteinspritz-Verbrennungsmotor anwendbar, der eine beliebige Anzahl von Zylindern aufweist.
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Es wird ein Direkteinspritz-Verbrennungsmotor mit einem Injektor angegeben, um Kraftstoff direkt in seine Brennkammer einzuspritzen. In diesem Motor erfolgen eine erste Kraftstoffeinspritzung, eine zweite Kraftstoffeinspritzung und eine dritte Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungszyklus des Motors, wenn eine Temperatur des Motors gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist. Die zweite Kraftstoffeinspritzung wird in einem angenähert unteren Totpunkt-Bereich von 160 Grad bis 200 Grad nach dem oberen Totpunkt, bei dem der Einlasstakt beginnt, abgeschlossen, erfolgt die erste Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich, der auf die frühe Seite des angenähert unteren Totpunkt-Bereichs gelegt ist, und erfolgt die dritte Kraftstoffeinspritzung in einem Bereich, der auf die späte Seite des angenähert unteren Totpunkt-Bereichs gelegt ist. Die ersten und dritten Kraftstoffeinspritzungen werden in einem Bereich 90 Grad bis 270 Grad nach dem oberen Totpunkt abgeschlossen.
