DE102017131022B4

DE102017131022B4 - Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102017131022B4
Application number: DE102017131022.3A
Authority: DE
Inventors: Kenji Hoshi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: DE102017131022A1; JP2018112107A; US20180195461A1; JP6519598B2; US10202928B2

Abstract

Steuervorrichtung (40) zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, die dazu konfiguriert ist, einen Motor (10) zu steuern, wobei der Motor (10) aufweist:eine Einspritzvorrichtung (30), die in einem oberen Abschnitt einer Brennkammer (20) vorgesehen ist und konfiguriert ist, Kraftstoff direkt in einen Zylinder (12) einzuspritzen;eine Zündkerze (32), die konfiguriert ist, durch Verwendung eines Entladungsfunkens, der an einem Elektrodenabschnitt (34) erzeugt wird, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders (12) zu entzünden, wobei die Zündkerze (32) in einem oberen Abschnitt einer Brennkammer (20) und in einer Strömungsrichtung einer Mischströmung, die innerhalb der Brennkammer (20) entsteht, an einer stromabwärtigen Seite relativ zu der Einspritzvorrichtung (30) vorgesehen ist, wobei die Zündkerze (32) so vorgesehen ist, dass eine Position des Elektrodenabschnitts (34) oberhalb einer Konturfläche eines Kraftstoffsprühnebels ist, der von der Einspritzvorrichtung (30) in Richtung der Zündkerze (32) eingespritzt wird;einen variablen Hubgrößenmechanismus (48), der konfiguriert ist, eine Hubgröße einer Einlassnocke zu schalten, um ein Einlassventil (26), das in der Brennkammer (20) vorgesehen ist, zumindest zwischen einer kleinen Hubgröße und einer großen Hubgröße zu betätigen; undeinen Abgasreinigungskatalysator, der konfiguriert ist, Abgas aus der Brennkammer (20) zu reinigen,wobei die Steuervorrichtung (40) zur Aktivierung des Abgasreinigungskatalysators konfiguriert ist:die Zündkerze (32) so zu steuern, dass ein Entladungsfunken am Elektrodenabschnitt (34) über eine vorbestimmte Periode auf einer Verzögerungsseite eines oberen Verdichtungstotpunktes erzeugt wird;die Einspritzvorrichtung (30) so zu steuern, dass eine Expansionshubeinspritzung auf der Verzögerungsseite des oberen Verdichtungstotpunktes durchgeführt wird, wobei sich eine Einspritzperiode der Expansionshubeinspritzung mit zumindest einem Teil der vorbestimmten Periode überlappt; undden variablen Hubgrößenmechanismus (48) so zu steuern, dass die Hubgröße der Einlassnocke in der kleinen Hubgröße bleibt, sodass die Mischströmung abgeschwächt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor und insbesondere eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, der eine Einspritzvorrichtung und eine Zündkerze in einer Verbrennungskammer aufweist und auch einen Katalysator (Abgasreinigungskatalysator) aufweist, der Abgas aus der Verbrennungskammer reinigt.
Stand der Technik
US 2009 / 0 070 007 A1 offenbart eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, mit der ein Abgaskatalysator aktiviert werden soll. Dafür wird eine Zündkerze, die an einer stromabwärtigen Seite einer Einspritzvorrichtung vorgesehen ist, so gesteuert, dass eine Zündung nach einem oberen Verdichtungstotpunkt stattfindet. Die Hubgröße eines Einlassventils wird außerdem verringert, um eine Einlassströmung nach einer Einlasshubeinspritzung zu verbessern.
DE 10 2013 219 982 A1 offenbart eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, wobei eine Einspritzung in eine mehrstufige Einspritzung unterteilt wird, um einen Abgasreinigungskatalysator zu aktivieren. Dafür findet nach dem oberen Verdichtungstotpunkt eine zweite Einspritzung statt, wobei sich die zweite Einspritzzeitperiode mit einem Teil der Periode überlappt, in der die Zündung erfolgt. Die Zündung erfolgt dabei lange nach dem oberen Verdichtungstotpunkt.
JP 2011 - 106 377 A offenbart eine Motorkonfiguration mit Bezug auf eine Positionsbeziehung zwischen einer Zündkerze und einer Einspritzvorrichtung, die in einer Verbrennungskammer angeordnet sind, und eine Steuerungsmethode durch Verwendung der Zündkerze und der Einspritzvorrichtung auf Grundlage der Motorkonfiguration. In der Motorkonfiguration werden jeweils ein Abstand von einer Mittelpunktposition eines Entladungsspaltes der Zündkerze zu einer Mittelpunktposition des Einspritzloches, das der Zündkerze am nächsten ist, und ein Abstand von der Mittelpunktposition des Entladungsspaltes zu einer Mittelachse des Kraftstoffsprühnebels, der aus dem Einspritzloch eingespritzt wird, innerhalb eines spezifischen Bereichs gesetzt.
Die Steuerungsmethode auf Grundlage der Motorkonfiguration soll über eine Kraftstoffeinspritzperiode nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne vom Start der Kraftstoffeinspritzung durch die Einspritzvorrichtung eine hohe Spannung an die Zündkerze anlegen. Der Kraftstoff, der von der Einspritzvorrichtung unter hohem Druck eingespritzt wird, bildet durch Entzug der Umgebungsluft (Mitreißen) einen Niederdruckbereich. Gemäß einer solchen Steuerungsmethode wird der Niederdruckbereich gebildet, von welchem der Entladungsfunke, der in dem Entladungsspalt erzeugt wird, angezogen wird. Daher kann die Entzündbarkeit der Luft-Kraftstoff-Mischung, die sich um die Zündkerze bildet, verbessert werden.
Außerdem offenbart JP 2011 - 106 377 A eine Aktivierungssteuerung eines Abgasreinigungskatalysators bei einem Motorstart als ein Anwendungsbeispiel der oben beschriebenen Anziehungswirkung.
Die vorliegende Erfindung zieht eine andere Aktivierungsmethode des Abgasreinigungskatalysators auf Grundlage einer Motorkonfiguration, die sich von der in JP 2011 - 106 377 A offenbarten unterscheidet, in Betracht. Die in Betracht gezogene Motorkonfiguration entspricht der Motorkonfiguration in JP 2011 - 106 377 A in der Positionsbeziehung zwischen der Einspritzvorrichtung und der Zündkerze. Allerdings unterscheidet sich die in Betracht gezogene Motorkonfiguration von der Motorkonfiguration in JP 2011 - 106 377 A darin, dass ein Rotationsstrom aus der Einlassluft gebildet wird, die in die Verbrennungskammer geleitet wird. Insbesondere wird die Zündkerze der in Betracht gezogenen Motorkonfiguration auf einer in Rotationsstromrichtung stromabwärtigen Seite der Einspritzvorrichtung angeordnet. Der Rotationsstrom, der in der Verbrennungskammer gebildet wird, wirbelt auf einer Auslassöffnungsseite vom oberen Bereich der Verbrennungskammer nach unten, wohingegen er auf einer Einlassöffnungsseite vom unteren Bereich der Verbrennungskammer nach oben wirbelt. Die in Betracht gezogene Steuerung setzt einen solchen Rotationsstrom voraus.
Die in Betracht gezogene Steuerung wird unter einer Bedingung, bei der der Rotationsstrom in der Verbrennungskammer gebildet wird, so durchgeführt, dass der Startzeitpunkt einer Zündungsperiode durch die Zündkerze auf eine Verzögerungsseite relativ zum oberen Verdichtungstotpunkt gesetzt wird. Außerdem wird die in Betracht gezogene Steuerung so durchgeführt, dass eine Einspritzperiode der Einspritzvorrichtung in einem Expansionshub zumindest einen Teil der Zündungsperiode überlappt. Gemäß einer solchen Einspritzung im Expansionshub kann der gleiche Effekt wie die Anziehungswirkung in JP 2011 - 106 377 A erzielt werden. Das heißt, dass der Entladungsfunke, der in der Zündkerze erzeugt wird, von dem Niederdruckbereich angezogen werden kann, der durch den Kraftstoffsprühnebel erzeugt wird, der von der Einspritzvorrichtung eingespritzt wird und in Richtung der Zündkerze gerichtet ist. Daher kann der angezogene Entladungsfunken mit dem Kraftstoffsprühnebel, der durch die Einspritzung im Expansionshub verursacht wird, in Kontakt gebracht werden.
Allerdings offenbart die in Betracht gezogene Steuerung auf Grundlage des Rotationsstroms das folgende Problem. Das heißt, wenn der Rotationsstrom, der in der Verbrennungskammer gebildet wird, stark ist, strömt der Entladungsfunke, der durch die Zündkerze erzeugt wird, tendenziell in die Strömungsrichtung des Rotationsstroms und die Anziehungswirkung aufgrund der Einspritzung im Expansionshub wird behindert. Aus diesem Grund wird es schwierig, den angezogenen Entladungsfunken mit dem Kraftstoffsprühnebel, der durch die Einspritzung im Expansionshub verursacht wurde, in Kontakt zu bringen, wenn der Rotationsstrom stark ist. Dann, wenn eine solche Situation häufiger in den Verbrennungszyklen auftritt, nimmt die Verbrennungsschwankung zwischen den Zyklen zu, sodass die Leistung des Motors beeinträchtigt wird.
Die vorliegende Offenbarung behandelt das oben beschriebene Problem und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Gegenmaßnahme gegen die Behinderung der Anziehungswirkung durch den starken Rotationsstrom zu gewährleisten, wenn die Aktivierungssteuerung des Abgasreinigungskatalysators auf Grundlage der Motorkonfiguration durchgeführt wird, in der ein Teil des Kraftstoffsprühnebels von der Einspritzvorrichtung in eine Richtung der Zündkerze gerichtet ist, die in der Strömungsrichtung des Rotationsstroms an der stromabwärtigen Seite angeordnet ist, und der Elektrodenabschnitt der Zündkerze in einem Bereich angeordnet ist, der oberhalb einer Konturfläche des Kraftstoffsprühnebels ist, der der Zündkerze am nächsten kommt.
Diese Aufgabe wird durch eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, die dazu konfiguriert ist, einen Motor zu steuern, wobei der Motor aufweist:

eine Einspritzvorrichtung, die in einem oberen Abschnitt einer Brennkammer vorgesehen ist und konfiguriert ist, Kraftstoff direkt in einen Zylinder einzuspritzen;
eine Zündkerze, die konfiguriert ist, durch Verwendung eines Entladungsfunkens, der an einem Elektrodenabschnitt erzeugt wird, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders zu entzünden, wobei die Zündkerze in einem oberen Abschnitt einer Brennkammer und in einer Strömungsrichtung einer Mischströmung, die innerhalb der Brennkammer entsteht, an einer stromabwärtigen Seite relativ zu der Einspritzvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Zündkerze so vorgesehen ist, dass eine Position des Elektrodenabschnitts oberhalb einer Konturfläche eines Kraftstoffsprühnebels ist, der von der Einspritzvorrichtung in Richtung der Zündkerze eingespritzt wird;
einen variablen Hubgrößenmechanismus, der konfiguriert ist, eine Hubgröße einer Einlassnocke zu schalten, um ein Einlassventil (26), das in der Brennkammer (20) vorgesehen ist, zumindest zwischen einer kleinen Hubgröße und einer großen Hubgröße zu betätigen; und
einen Abgasreinigungskatalysator, der konfiguriert ist, Abgas aus der Brennkammer zu reinigen,

die Zündkerze so zu steuern, dass ein Entladungsfunken am Elektrodenabschnitt über eine vorbestimmte Periode auf einer Verzögerungsseite eines oberen Verdichtungstotpunktes erzeugt wird;
die Einspritzvorrichtung so zu steuern, dass eine Expansionshubeinspritzung auf der Verzögerungsseite des oberen Verdichtungstotpunktes durchgeführt wird, wobei sich eine Einspritzperiode der Expansionshubeinspritzung mit zumindest einem Teil der vorbestimmten Periode überlappt; und
den variablen Hubgrößenmechanismus so zu steuern, dass die Hubgröße der Einlassnocke in der kleinen Hubgröße bleibt, sodass die Mischströmung abgeschwächt wird.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß dem ersten Aspekt,

die Einspritzvorrichtung so zu steuern, dass eine Einlasshubeinspritzung im selben Zyklus durchgeführt wird, in dem die Auslasshubeinspritzung durchgeführt wird; und
den variablen Hubgrößenmechanismus so zu steuern, dass die Hubgröße der Einlassnocke gewechselt wird, wenn eine Wachstumsrate der Ursprungsflamme geringer als ein vorbestimmter Bestimmungswert ist, wobei die Ursprungsflamme durch einen Kontakt zwischen einem Teil des Kraftstoffsprühnebels, der durch die Einlasshubeinspritzung verursacht wird, und dem Entladungsfunken erzeugt wird.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß dem zweiten Aspekt,
wobei der variable Hubgrößenmechanismus des Weiteren so konfiguriert ist, einen Arbeitswinkel der Einlassnocke zwischen einem kleinen Arbeitswinkel und einem großen Arbeitswinkel zu schalten,
wobei der Motor des Weiteren einen variablen Ventilzeitschaltmechanismus umfasst, der konfiguriert ist, die Ventilzeitschaltung der Einlassnocken zu ändern, und
wobei die Steuervorrichtung des Weiteren konfiguriert ist, den variablen Ventilzeitschaltmechanismus zu steuern, wenn die Wachstumsrate der Ursprungsflamme geringer als der vorbestimmte Bestimmungswert ist, sodass eine Öffnungsperiode des Einlassventils mit der Periode, bevor und nachdem der variable Hubgrößenmechanismus den Arbeitswinkel und die Hubgröße der Einlassnocke schaltet, übereinstimmt, und sich eine Schließperiode des Einlassventils an den unteren Einlasstotpunkt annähert.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß dem dritten Aspekt,
wobei der variable Ventilzeitschaltmechanismus des Weiteren konfiguriert ist, eine Überlappungsperiode zu ändern, in der sich eine Öffnungsperiode eines Auslassventils, das in der Brennkammer vorgesehen ist, mit der Öffnungsperiode des Einlassventils überlappt,
wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, den variablen Ventilzeitschaltmechanismus so zu steuern, dass die Überlappungsperiode mit der Periode übereinstimmt, bevor und nachdem der variable Hubgrößenmechanismus den Arbeitswinkel und die Hubgröße der Einlassnocke schaltet.
Gemäß dem ersten Aspekt ist es möglich, die kleine Hubgröße als die Hubgröße der Einlassnocke für die Aktivierungssteuerung des Abgasreinigungskatalysators auszuwählen. Daher kann der Rotationsstrom, der in der Verbrennungskammer gebildet wird, im Vergleich mit dem Fall abgeschwächt werden, bei dem die große Hubgröße als die Hubgröße der Einlassnocke ausgewählt ist. Daher ist es möglich zu verhindern, dass die Anziehung aufgrund der Expansionshubeinspritzung durch den Rotationsstrom behindert wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt kann der Rotationsstrom abgeschwächt werden, wenn die Wachstumsrate der Ursprungsflamme geringer ist, als der vorbestimmte Bestimmungswert.
Gemäß dem dritten Aspekt kann die Öffnungsperiode des Einlassventils an eine Periode angepasst werden, bevor und nachdem der variable Hubgrößenmechanismus den Arbeitswinkel und die Hubgröße der Einlassnocke schaltet, und der Schließzeitpunkt des Einlassventils kann an den unteren Einlasstotpunkt angenähert werden. Daher ist es möglich, das aktuelle Verdichtungsverhältnis nach dem Schalten des Arbeitswinkels und der Hubgröße der Einlassnocke zu vergrößern und den Rotationsstrom weiter abzuschwächen.
Gemäß dem vierten Aspekt kann die Überlappungsperiode zwischen dem Auslassventil und dem Einlassventil aneinander angepasst werden, bevor und nachdem der variable Hubgrößenmechanismus den Arbeitswinkel und die Hubgröße der Einlassnocke schaltet. Daher kann die Verschlechterung der Emission vor und nach dem Schalten des Arbeitswinkels und der Hubgröße der Einlassnocke unterdrückt werden.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Systemkonfiguration gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Ansicht zur Darstellung eines Beispiels eines Kraftstoffeinspritzablaufes direkt nach dem Starten eines Verbrennungsmotors;
3 ist eine Ansicht zur Darstellung der Einspritzstartzeitpunkte, der Einspritzperioden und einer Entladungsperiode an einem Elektrodenabschnitt während der Katalysatoraufwärmsteuerung;
4 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer Verbrennungsschwankungsrate und einer Kraftstoffeinspritzmenge für eine Expansionshubeinspritzung;
5 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Anziehungswirkung, die durch die Expansionshubeinspritzung verursacht wird;
6 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Problems, wenn eine starke Verwirbelung in einer Verbrennungskammer gebildet wird;
7 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Problems, wenn eine starke Verwirbelung in einer Verbrennungskammer gebildet wird;
8 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Übersicht über die Katalysatoraufwärmsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform;
9 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Übersicht über die Katalysatoraufwärmsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform;
10 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer verstrichenen Zeit nach der Expansionshubeinspritzung und der Anziehungsgeschwindigkeit eines Kraftstoffsprühnebels;
11 ist eine Ansicht zur Darstellung der Positionsbeziehung zwischen einer Einspritzvorrichtung und einer Zündkerze, wobei beide den Ergebnissen entsprechen, die in 10 gezeigt sind;
12 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer Verbrennungsschwankungsrate zwischen Zyklen und dem Abstand von der Einspritzvorrichtung zur Zündkerze;
13 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Verbrennungsschwankungsrate und SA-CA10;
14 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Prozessbeispiels, das eine ECU in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausführt;
15 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Beispiels einer Überlappungsperiode vor dem Schalten der Antriebsnocke;
16 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Beispiels einer Überlappungsperiode nach dem Schalten der Antriebsnocke;
17 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Zylinderzustandes, bei dem ein Einlassventil früher geschlossen wird; und
18 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Prozessbeispiels, das die ECU in einer dritten Ausführungsform ausführt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf Grundlage der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass Elemente, die in entsprechenden Zeichnungen gleich sind, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet werden und eine doppelte Beschreibung davon entfällt. Des Weiteren ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
Zuerst wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf 1 bis 12 beschrieben.
Beschreibung der Systemkonfiguration
1 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Systemkonfiguration gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 1 dargestellt ist, umfasst ein System gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Verbrennungsmotor 10, der in einem Fahrzeug montiert ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist ein Viertaktmotor mit einer Vielzahl an Zylindern. Allerdings ist in 1 nur ein Zylinder 12 aus der Vielzahl an Zylindern abgebildet. Der Verbrennungsmotor 10 hat einen Zylinderblock 14, in dem der Zylinder 12 ausgebildet ist, und einen Zylinderkopf 16, der über dem Zylinderblock 14 angeordnet ist. Im Zylinder 12 ist ein Kolben 18 angeordnet, der sich in der axialen Richtung des Zylinders hin- und herbewegt (die vertikale Richtung in der ersten Ausführungsform). Eine Verbrennungskammer 20 des Verbrennungsmotors 10 wird durch zumindest eine Wandfläche des Zylinderblocks 14, eine Bodenfläche des Zylinderkopfes 16 und eine Oberseite des Kolbens 18 definiert.
Im Zylinderkopf 16 sind zwei Einlassöffnungen 22 und zwei Auslassöffnungen 24 ausgebildet, die mit der Verbrennungskammer 20 in Verbindung stehen. Ein Einlassventil 26 ist an einem Öffnungsabschnitt, der mit der Verbrennungskammer 20 in Verbindung steht, jeder Einlassöffnung 22 vorgesehen. Ein Auslassventil 28 ist an einem Öffnungsabschnitt, der mit der Verbrennungskammer 20 in Verbindung steht, jeder Auslassöffnung 24 vorgesehen. Des Weiteren ist im Zylinderkopf 16 eine Einspritzvorrichtung 30 so vorgesehen, dass eine Spitze davon der Verbrennungskammer 20 von etwa dem Mittelpunkt eines oberen Abschnittes aus der Verbrennungskammer 20 zugewandt ist. Die Einspritzvorrichtung 30 ist mit einem Kraftstoffzufuhrsystem verbunden, das aus einem Kraftstofftank, einem gemeinsamen Verteilerrohr, einer Zufuhrpumpe und dergleichen besteht. Eine Vielzahl an Einspritzlöchern ist in einer radialen Form in der Spitze der Einspritzvorrichtung 30 ausgebildet. Wenn die Einspritzvorrichtung 20 geöffnet ist, wird Kraftstoff in einem Hochdruckzustand aus den Einspritzlöchern eingespritzt.
Im Zylinderkopf 16 ist eine Zündkerze 32 an einem oberen Abschnitt der Verbrennungskammer 20 an einer Position vorgesehen, die weiter auf der Seite des Auslassventils 28 ist, verglichen mit der Stelle, an der die Einspritzvorrichtung 30 vorgesehen ist. Die Zündkerze 32 weist an ihrer Spitze einen Elektrodenabschnitt 34 auf, der aus einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode besteht. Der Elektrodenabschnitt 34 ist so angeordnet, dass er in einen Bereich ragt, der oberhalb einer Konturfläche eines Kraftstoffsprühnebels (nachstehend auch als „Sprühnebelkonturfläche“ bezeichnet) der Einspritzvorrichtung 30 ist (das heißt, in einen Bereich von der Sprühnebelkonturfläche bis zur Bodenfläche des Zylinderkopfes 16). Insbesondere ist der Elektrodenabschnitt 34 so angeordnet, dass er in einen Bereich ragt, der oberhalb einer Konturfläche eines Kraftstoffsprühnebels ist, der unter den Kraftstoffsprühnebeln, die in einer radialen Form aus den Einspritzlöchern der Einspritzvorrichtung 30 ausgestoßen werden, der Zündkerze 32 am nächsten kommt. Es ist zu beachten, dass eine Konturlinie, die in 1 gezogen ist, eine Konturfläche des Kraftstoffsprühnebels darstellt, der der Zündkerze 32 unter den Kraftstoffsprühnebeln der Einspritzvorrichtung 30 am nächsten kommt.
Die Einlassöffnung 22 erstreckt sich von einem Einlass auf der Seite des Einlasskanals aus näherungsweise gerade in die Richtung der Verbrennungskammer 20 und die Kanalquerschnittsfläche verengt sich nach unten an einem Hals 36, der ein Verbindungsabschnitt mit der Verbrennungskammer 20 ist. Diese Form der Einlassöffnung 22 erzeugt einen Rotationsstrom der Einlassluft, die von der Einlassöffnung 22 der Verbrennungskammer 20 zugeführt wird. Der Rotationsstrom wirbelt innerhalb der Verbrennungskammer 20. Insbesondere bewegt sich an dem oberen Abschnitt der Verbrennungskammer 20 der Rotationsstrom von der Seite der Einlassöffnung 22 in Richtung der Seite der Auslassöffnung 24 und an der Seite der Auslassöffnung 24 bewegt sich der Rotationsstrom von dem oberen Abschnitt der Verbrennungskammer 20 in Richtung ihres unteren Abschnittes. Des Weiteren bewegt sich am unteren Abschnitt der Verbrennungskammer 20 der Rotationsstrom von der Seite der Auslassöffnung 24 zur Seite der Einlassöffnung 22 und an der Seite der Einlassöffnung 22 bewegt sich der Rotationsstrom vom unteren Abschnitt der Verbrennungskammer 20 in Richtung ihres oberen Abschnittes. In der Oberseite des Kolbens 18 ist eine Vertiefung zum Halten des Rotationsstroms gebildet, welche den Bodenabschnitt der Verbrennungskammer 20 bildet.
Das Rotationsverhältnis des Rotationsstroms (Winkelgeschwindigkeit des Rotationsstroms / Motordrehzahl) TTR ist auf einen hohen Wert von 3,5 oder mehr gesetzt. Der Grund dafür ist, dass die Motorkonfiguration gemäß der ersten Ausführungsform auf ein hohes Verdichtungsverhältnis und eine starke Einleitung von EGR-Gas in einem Betriebsbereich mit hoher Nutzenfrequenz abzielt. Wenn das Verdichtungsverhältnis zunimmt, nimmt die Verwirbelung im Zylinder ab. Wenn daher eine große Menge an EGR-Gas in den Zylinder mit geringer Verwirbelung eingeleitet wird, nimmt der Verbrennungswiderstand im oberen Betriebsbereich ab. Aus diesem Grund wird das Rotationsverhältnis TTR auf den hohen Wert gesetzt.
Wie des Weiteren in 1 dargestellt ist, weist das System gemäß der ersten Ausführungsform eine ECU (elektronische Kontrolleinheit) 40 als Steuerungsmittel auf. Die ECU 40 weist einen RAM (random access memory- Direktzugriffsspeicher), einen ROM (read only memory- Festwertspeicher), eine CPU (central processing unitzentrale Verarbeitungseinheit) und dergleichen auf. Die ECU 40 führt Prozesse aus, um Signale von verschiedenen Sensoren, die an einem Fahrzeug montiert sind, aufzunehmen. Die verschiedenen Sensoren weisen zumindest einen Innenzylinderdrucksensor 42, der am unteren Abschnitt der Verbrennungskammer 20 vorgesehen ist, einen Kurbelwinkelsensor 44, der einen Drehwinkel einer Kurbelwelle detektiert, die mit dem Kolben 18 verbunden ist, und einen Temperatursensor 46 auf, der eine Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors 10 detektiert. Die ECU 40 verarbeitet die Signale der entsprechenden Sensoren, die aufgenommen werden, und aktiviert verschiedene Stellantriebe gemäß eines vorbestimmten Steuerungsprogramms.
Die Stellantriebe, die durch den ECU 40 betrieben werden, weisen zusätzlich zu der Einspritzvorrichtung 30 und der Zündkerze 32 zwei Arten von variablen Ventilmechanismen auf. Insbesondere sind diese variablen Ventilmechanismen ein variabler Hubgrößenmechanismus 48 und ein variabler Ventilzeitschaltmechanismus 50. Der variable Hubgrößenmechanismus 48 ist konfiguriert, eine Nocke zum Antrieb des Einlassventils 26 (nachstehend auch als „Antriebsnocke“ bezeichnet) zwischen zwei Arten von Einlassnocken in der Hubgröße zu schalten (das heißt eine große Hubnocke und eine kleine Hubnocke). Der variable Ventilzeitschaltmechanismus 50 ist konfiguriert, einen Hubmittelpunkt des Einlassventils 26 ständig zu ändern. Wenn der Hubmittelpunkt durch den variablen Ventilzeitschaltmechanismus 50 geändert wird, werden Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt des Einlassventils 26 stetig geändert.
Startsteuerung durch die ECU 40
In der ersten Ausführungsform führt die ECU 40 eine Steuerung durch, die die Aktivierung eines Abgasreinigungskatalysators (nachstehend auch als „Katalysatoraufwärmsteuerung“ bezeichnet) direkt nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 fördert. Der Abgasreinigungskatalysator ist ein Katalysator, der in einem Auslasskanal des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen ist. Ein Drei-Wege-Katalysator, der die im Abgas enthaltenen Stickstoffoxide (NOx), Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenstoffmonoxid (CO) entfernt, wenn die Atmosphäre des Katalysators, der in einem aktivierten Zustand ist, in Nähe der Stöchiometrie ist, kann als ein Beispiel des Abgasreinigungskatalysators genannt werden.
Die Katalysatoraufwärmsteuerung wird nun in Bezug auf 2 bis 4 beschrieben. 2 stellt ein Beispiel eines Kraftstoffeinspritzablaufs direkt nach einem kalten Start des Verbrennungsmotors 10 dar. Wie in 2 dargestellt ist, wird direkt nach dem Starten zuerst ein Kraftstoffeinspritzablauf angenommen, in dem zwei Einspritzungen in einem Einlasshub (nachstehend auch als „Einlasshubeinspritzung“ bezeichnet) und eine einzelne Einspritzung in einem Verdichtungshub (nachstehend auch als „Verdichtungshubeinspritzung“ bezeichnet) kombiniert werden. Danach wird mit einhergehender Zunahme der Motordrehzahl die Verdichtungshubeinspritzung auf eine einzelne Einspritzung in einem Expansionshub (nachstehend auch als „Expansionshubeinspritzung“ bezeichnet) geschaltet, um die Katalysatoraufwärmsteuerung zu starten. Das heißt, dass in der Katalysatoraufwärmsteuerung ein Kraftstoffeinspritzablauf angenommen wird, der die Einlasshubeinspritzung und die Expansionshubeinspritzung kombiniert.
3 stellt Einspritzstartzeitpunkte, Einspritzperioden und eine Entladungsperiode am Elektrodenabschnitt 34 während der Katalysatoraufwärmsteuerung dar. Wie in 3 dargestellt ist, wird eine erste Einlasshubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel CA₁ gestartet (beispielsweise in der Nähe von BTDC 300°) und eine zweite Einlasshubeinspritzung wird bei einem Kurbelwinkel CA₂ gestartet (beispielsweise in der Nähe von BTDC 260°). Die zweite Einlasshubeinspritzung wird zum Zweck der Homogenitätszunahme der Luft-Kraftstoffmischung in der Verbrennungskammer 20 durchgeführt. Eine erste Einspritzperiode Q₁ und eine zweite Einspritzperiode Q₂ werden auf den gleichen Wert gesetzt. Allerdings kann sich die erste Einspritzperiode Q₁ von der zweiten Einspritzperiode Q₂ unterscheiden.
Wie in 3 dargestellt ist, wird während der Katalysatoraufwärmsteuerung eine Entladungsperiode (vorbestimmte Periode) am Elektrodenabschnitt 34 auf die Verzögerungsseite des oberen Verdichtungstotpunktes gesetzt. Der Grund dafür, die Entladungsperiode auf die Verzögerungsseite des oberen Verdichtungstotpunktes zu setzen, ist es, die Abgastemperatur zu erhöhen, und die Expansionshubeinspritzung wird während der Entladungsperiode durchgeführt. Insbesondere wird die Expansionshubeinspritzung bei einem Kurbelwinkel CA₃ gestartet, der auf der Verzögerungsseite relativ zu einem Startzeitpunkt SA₁ (beispielsweise in der Nähe von ATDC 25° bis 35°) der Entladung am Elektrodenabschnitt 34 ist, und eine Einspritzperiode Q₃ endet auf der Frühverstellungsseite relativ zu einem Endzeitpunkt SA₂ der Entladung am Elektrodenabschnitt 34.
Obwohl 3 eine Zeitspanne IT zwischen dem Startzeitpunkt SA₁ und dem Kurbelwinkel CA₃ zeigt, können der Startzeitpunkt SA₁ und der Kurbelwinkel CA₃ übereinstimmen (Das heißt, dass die Zeitspanne IT null sein kann). Des Weiteren können der Endzeitpunkt SA₂ der Entladung am Elektrodenabschnitt 43 und ein Abschlusszeitpunkt der Einspritzperiode Q₃ übereinstimmen. Des Weiteren kann die Einspritzperiode Q₃ mit dem Starzeitpunkt SA₁ oder dem Endzeitpunkt SA₂ überlappen. Das heißt, dass die Expansionshubeinspritzung so durchgeführt werden kann, dass sich die Einspritzperiode der Expansionshubeinspritzung mit zumindest einem Teil der Entladungsperiode überlappt. Der Grund dafür, dass die Expansionshubeinspritzung auf eine solche Weise durchgeführt wird, ist, eine Anziehungswirkung, die später beschrieben wird, zu erreichen.
Die Einspritzperiode Q₃, die in 3 gezeigt ist, wird auf Grundlage einer Beziehung zwischen einer Kraftstoffeinspritzmenge für die Expansionshubeinspritzung und einer Verbrennungsschwankungsrate festgelegt. Die Verbrennungsschwankungsrate wird unter Betriebsbedingungen erhalten, die zu den Betriebsbedingungen während der Katalysatoraufwärmsteuerung äquivalent sind. Ein Beispiel dieser Beziehung ist in 4 dargestellt. Wie in 4 dargestellt ist, hat eine Verbrennungsschwankungsrate, die unter Betriebsbedingungen erhalten wird, die zu den Betriebsbedingungen während der Katalysatoraufwärmsteuerung äquivalent sind, innerhalb eines spezifischen Kraftstoffeinspritzmengenbereichs eine nach unten gerichtete konvexe Form. Die Einspritzperiode Q₃ wird als eine Einspritzperiode entsprechend einer Kraftstoffeinspritzmenge festgelegt, bei der die Verbrennungsschwankungsrate am kleinsten wird (beispielsweise, von 3 bis 5 mm³/st).
Katalysatoraufwärmsteuerung unter Verwendung einer Anziehungswirkung und ein diesbezügliches Problem
5 ist eine Ansicht zur Beschreibung einer Anziehungswirkung mit Bezug auf einen Entladungsfunken, der durch eine Expansionshubeinspritzung verursacht wird. Es werden zwei Entladungsfunkenzuständen während der Entladungsperiode am Elektrodenabschnitt 34 im oberen Diagramm und im mittleren Diagramm in 5 dargestellt. Das obere Diagramm in 5 entspricht einem Fall, bei dem keine Expansionshubeinspritzung durchgeführt wird, und das mittlere Diagramm und das untere Diagramm in 5 entsprechen einem Fall, bei dem eine Expansionshubeinspritzung durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass für die Vereinfachung der Beschreibung unter den Kraftstoffsprühnebeln, die durch die Expansionshubeinspritzung erzeugt werden, nur ein Kraftstoffsprühnebel, der der Zündkerze 32 am nächsten ist, in 5 dargestellt ist. Wenn eine Expansionshubeinspritzung nicht durchgeführt wird, erstrecken sich ein Entladungsfunke, der am Elektrodenabschnitt 34 entsteht, und eine Ursprungsflamme, die aus dem Entladungsfunken entsteht, in die Strömungsrichtung des Rotationsstroms (oberes Diagramm in 5). Wenn andererseits eine Expansionshubeinspritzung durchgeführt wird, werden der Entladungsfunke und die Ursprungsflamme in die entgegengesetzte Richtung der Strömungsrichtung des Rotationsstroms angezogen (mittleres Diagramm in 5), da ein Niederdruckbereich um den Kraftstoffsprühnebel ausgebildet wird (Mitreißen). Dann tritt der Entladungsfunke mit einer Luft-KraftstoffMischung in Kontakt, die den durch die Expansionshubeinspritzung verursachten Kraftstoffsprühnebel umfasst, wohingegen die Ursprungsflamme den durch die Expansionshubeinspritzung verursachten Kraftstoffsprühnebel einhüllt. Daher wächst die Ursprungsflamme plötzlich (unteres Diagramm in 5).
Allerdings wird in der ersten Ausführungsform, in der das Rotationsverhältnis auf einen hohen Wert gesetzt ist, die Anziehung des Entladungsfunkens und der Ursprungsflamme stark von dem Rotationsstrom beeinflusst, wenn die große Hubnocke als die Antriebsnocke für die Katalysatoraufwärmsteuerung ausgewählt ist. 6 und 7 sind Diagramme zur Beschreibung eines Problems, bei dem sich ein starker Rotationsstrom in der Verbrennungskammer 20 bildet. Wenn sich, wie in 6 und 7 gezeigt ist, ein starker Rotationsstrom in der Verbrennungskammer 20 bildet, wird die Anziehungswirkung des Entladungsfunkens am Elektrodenabschnitt 34 behindert und ein Abstand zwischen der Einspritzvorrichtung 30 und dem Entladungsfunken (nachstehend auch als „Abstand DT“ bezeichnet) vergrößert sich. Dann ist der Kontakt zwischen dem Entladungsfunken und dem durch die Expansionshubeinspritzung verursachten Kraftstoffsprühnebel unzureichend und das Wachstum der Ursprungsflamme wird unterdrückt. Als Folge nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit, das heißt die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit, ab. Wenn eine solche Situation häufig im Verbrennungszyklus während der Katalysatoraufwärmsteuerung auftritt, nimmt die Verbrennungsschwankung zwischen den Zyklen zu, sodass die Leistung des Verbrennungsmotors 10 betroffen ist.
Charakteristika der Katalysatoraufwärmsteuerung in der ersten Ausführungsform
Daher wird in der ersten Ausführungsform der variable Hubgrößenmechanismus 48 so gesteuert, dass die kleine Hubnocke als die Antriebsnocke für die Katalysatoraufwärmsteuerung ausgewählt wird. Wenn beispielsweise die große Hubnocke als die Antriebsnocke für den Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 ausgewählt ist, wird der variable Hubgrößenmechanismus 48 so gesteuert, dass er gleichzeitig mit dem Start der Katalysatoraufwärmsteuerung die Antriebsnocke von der große Hubnocke auf die kleine Hubnocke schaltet. Es ist zu beachten, dass, wenn die Antriebsnocke für die Katalysatoraufwärmsteuerung von der große Hubnocke auf die kleine Hubnocke geschaltet wird, der variable Ventilzeitschaltmechanismus 50 zusätzlich zu dem variablen Hubgrößenmechanismus 48 so gesteuert wird, dass der Hubmittelpunkt des Einlassventils 26 vor und nach der Nockenschaltung beibehalten wird.
8 und 9 sind Ansichten zur Beschreibung einer Übersicht der Katalysatoraufwärmsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform. Wie sich aus dem Vergleich mit 6 und 7 ergibt, ist die Breite der Pfeile, die in 8 und 9 dargestellt sind, dünner, als die des Rotationsstroms, der in 6 und 7 dargestellt ist. Dies weist darauf hin, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Rotationsstroms zwischen dem Einlassventil 26 und dem Auslassventil 28 durch Auswahl der kleinen Hubnocke als Antriebsnocke für die Katalysatoraufwärmsteuerung abnimmt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Rotationsstroms zwischen diesen Ventilen 26 und 28 abnimmt, nimmt auch die Strömungsgeschwindigkeit des Rotationsstroms in der Verbrennungskammer 20 ab. Dann nähert sich der Wirbelmittelpunkt des Rotationsstroms an den Zylinderkopf 16 an. Daher ist es möglich, den Einfluss des Rotationsstroms, der in 7 beschrieben ist, zu verringern und die Situation zu vermeiden, in der der Abstand DT vergrößert ist.
10 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer verstrichenen Zeit nach der Expansionshubeinspritzung und der Anziehungsgeschwindigkeit eines Kraftstoffsprühnebels. Die Ergebnisse (1) bis (4) der Anziehungsgeschwindigkeiten, die in 10 dargestellt sind, entsprechen Veränderungen in der Anziehungsgeschwindigkeit, wenn sich die Zündkerze 32 an den Positionen (1) bis (4) befindet, die in 11 dargestellt sind. Die Positionen (1) und (2), die in 11 dargestellt sind, unterscheiden sich im Abstand zwischen der Einspritzvorrichtung 30 und der Zündkerze 32. Eine Positionsbeziehung zwischen den Positionen (3) und (4) ist dieselbe wie die Positionsbeziehung zwischen den Positionen (1) und (2). Wie sich aus einem Vergleich der Ergebnisse von (1) und (2) oder der Ergebnisse von (3) und (4) ergibt, ist die Anziehungsgeschwindigkeit tendenziell höher, je näher der Abstand zwischen der Einspritzvorrichtung 30 und der Zündkerze 32 ist.
Die ist vermutlich so, weil der Druck des Niederdruckbereichs, der um den Kraftstoffsprühnebel gebildet ist, abnimmt, wenn die Zündkerze 32 sich an die Einspritzvorrichtung 30 annähert.
12 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer Verbrennungsschwankungsrate zwischen Zyklen und dem Abstand von der Einspritzvorrichtung 30 zur Zündkerze 32. Wie in 12 gezeigt ist, wird die Verbrennungsschwankungsrate zwischen den Zyklen umso geringer, je näher der Abstand zwischen der Einspritzvorrichtung 30 und der Zündkerze 32 ist.
Wie sich aus der Beschreibung von 10 ergibt, wird die Anziehungsgeschwindigkeit umso höher, je näher der Abstand zwischen der Einspritzvorrichtung 30 und der Zündkerze 32 ist. Wie sich außerdem aus der Beschreibung von 12 ergibt, wird die Verbrennungsschwankungsrate zwischen den Zyklen umso geringer, je näher der Abstand zwischen der Einspritzvorrichtung 30 und der Zündkerze 32 ist. Dann, wenn sich der Rotationsstrom in der Verbrennungskammer 20 bildet, kann der Abstand zwischen der Zündkerze 32 und der Einspritzvorrichtung 30 durch den Abstand DT ersetzt werden. Daher ist es gemäß der Katalysatoraufwärmsteuerung in der ersten Ausführungsform möglich, eine Abnahme in der Anziehungsgeschwindigkeit zu unterdrücken und eine Zunahme in der Verbrennungsschwankung zwischen den Zyklen zu unterdrücken, da es möglich ist, die Situation, in der sich der Abstand DT vergrößert, zu vermeiden.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf 13 und 14 beschrieben.
Charakteristika der Katalysatoraufwärmsteuerung in der zweiten Ausführungsform
In der oberen ersten Ausführungsform wird der variable Hubgrößenmechanismus 48 so gesteuert, dass für die Katalysatoraufwärmsteuerung die kleine Nocke als die Antriebsnocke ausgewählt wird. In der zweiten Ausführungsform wird eine Bestimmung mit Bezug auf die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit durchgeführt, bevor die kleine Hubnocke als die Antriebsnocke für die Katalysatoraufwärmsteuerung ausgewählt wird. Dann, wenn bestimmt wurde, dass die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit langsam ist, wird der variable Hubgrößenmechanismus 48 so gesteuert, dass die kleine Hubnocke als die Antriebsnocke ausgewählt wird.
Ob die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit langsam ist oder nicht, wird auf Grundlage eines SA-CA 10 bestimmt. Der SA-CA 10 ist als eine Kurbelwinkelperiode definiert, von einem Startpunkt der Anfangsverbrennung (Kurbelwinkel CA0), welcher nach einem Startpunkt eines Zündungszeitpunktes (das heißt der Entladungsstartzeitpunkt am Elektrodenabschnitt 34) startet bis zu einem Verbrennungspunkt, bei dem der verbrannte Massenanteil (MFB) 10% erreicht (Kurbelwinkel CA10). Es ist zu beachten, dass der MFB auf Grundlage eines Ergebnisses der Analyse von Innenzylinderdruckdaten berechnet wird, das durch Nutzung des Innenzylinderdrucksensors 42 und des Kurbelwinkelsensors 44 erhalten wird, und dass der SA-CA10 auf Grundlage des berechneten MFB berechnet wird. Eine Methode zur Berechnung des MFB auf Grundlage des Analyseergebnisses und eine Methode zur Berechnung des SA-CA10 auf Grundlage des berechneten MFB werden im Detail beispielsweise in JP 2015 - 94 339 A und JP 2015 - 98 799 A beschrieben, weshalb eine Beschreibung dessen in der vorliegenden Offenbarung entfällt.
Wie sich aus der Definition von SA-CA10 ergibt, bedeutet die Tatsache, dass ein Wert des SA-CA 10 klein ist, dass eine Periode vom MFB 0 % bis 10 % lang ist. Umgekehrt bedeutet es, wenn der Wert des SA-CA10 groß ist, dass die Periode vom MFB 0 % bis 10 % kurz ist. 13 ist eine Ansicht zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Verbrennungsschwankungsrate und SA-CA10. Wie in 13 gezeigt ist, wird die Verbrennungsschwankungsrate größer und übersteigt einen zulässigen Bereich, wenn der SA-CA10 länger wird.
In der Katalysatoraufwärmsteuerung der zweiten Ausführungsform wird bestimmt, dass die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit langsam ist, wenn der SA-CA10, der aktuell von der ECU 40 berechnet wird (nachfolgend auch als „aktueller SA-CA1 0“ bezeichnet), um eine vorbestimmte Kurbelwinkelperiode (zum Beispiel 5°) oder mehr länger ist, als der SA-CA10 zu einem normalen Zeitpunkt. Es ist zu beachten, dass der SA-CA10 zu einem normalen Zeitpunkt und der SA-CA10, der um die vorbestimmte Kurbelwinkelperiode länger ist, als der SA-CA10 zum normalen Zeitpunkt durch Anpassung im Voraus eingestellt werden.
Spezifische Verarbeitung in der zweiten Ausführungsform
14 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Beispiels einer Verarbeitung, die die ECU 40 in der zweiten Ausführungsform ausführt. Es ist zu beachten, dass der in 14 gezeigte Ablauf, während einer Periode, in der ein Betriebsmodus ausgewählt wird, der die Katalysatoraufwärmsteuerung durchführt (nachstehend auch als „Katalysatoraufwärmmodus“ bezeichnet), wiederholt ausgeführt wird.
Im Ablauf, der in 14 dargestellt ist, wird zuerst bestimmt, ob die große Hubnocke als die Antriebsnocke für die Katalysatoraufwärmsteuerung ausgewählt ist oder nicht (Schritt S10). Wenn das Bestimmungsergebnis von Schritt S10 negativ ist (wenn das Ergebnis „Nein“ ist), wird bestimmt, dass die kleine Hubnocke als die Antriebsnocke ausgewählt wird. Daher beendet in diesem Fall die ECU 40 den gegenwärtigen Ablauf.
Wenn andererseits das Bestimmungsergebnis von Schritt S10 positiv ist (wenn das Ergebnis „Ja“ ist), wird bestimmt, ob der aktuelle SA-CA10 um eine vorbestimmte Kurbelwinkelperiode oder mehr länger ist, als der SA-CA10 zu einem normalen Zeitpunkt (Schritt S12). Im Schritt S12 wird der aktuelle SA-CA10 erfasst, der in der ECU 40 gesondert berechnet wird, und der berechnete aktuelle SA-CA10 wird mit dem SA-CA10 zum normalen Zeitpunkt verglichen. Wenn das Bestimmungsergebnis von Schritt S12 negativ ist (wenn das Ergebnis „Nein“ ist), wird bestimmt, dass es kein spezielles Problem bei der Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit gibt, auch wenn die große Hubnocke als die Antriebsnocke ausgewählt ist. Daher beendet in diesem Fall die ECU 40 den gegenwärtigen Ablauf.
Wenn andererseits das Bestimmungsergebnis in Schritt S12 positiv ist (wenn das Ergebnis „Ja“ ist), wird bestimmt, dass die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit gering ist und der Abstand DT aufgrund der Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit vergrößert ist. Daher schaltet in diesem Fall die ECU 40 die Antriebsnocke von der großen Hubnocke auf die kleine Hubnocke (Schritt S14).
Wenn wie oben beschrieben, gemäß des in 14 dargestellten Ablaufs, die große Hubnocke als die Antriebsnocke ausgewählt ist, ist es möglich, dies mit Bezug auf die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit auf Grundlage des SA-CA 10 zu bestimmen. Wenn des Weiteren, gemäß dem in 14 dargestellten Ablauf, bestimmt wurde, dass die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit langsam ist, ist es möglich, die Antriebsnocke von der großen Hubnocke auf die kleine Hubnocke zu schalten. Daher ist es möglich, selbst wenn die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit aufgrund der großen Hubnocke als Antriebsnocke langsam ist, die Zunahme der Verbrennungsschwankungen zwischen den Zyklen zu unterdrücken.
Dritte Ausführungsform
Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf 15 bis 18 beschrieben.
Beschreibung der Motorkonfiguration
Der Motor, der in der ersten oder zweiten Ausführungsform beschrieben ist, weist die große Hubnocke und die kleine Hubnocke und den variablen Hubgrößenmechanismus 48 auf, durch welchen die Antriebsnocke zwischen diesen Einlassnocken geschaltet wird. Trotz dieser Einlassnocken weist ein Motor der dritten Ausführungsform zwei Arten von Einlassnocken nach Hubgröße und Arbeitswinkel auf (d.h. eine große Hubnocke / große Arbeitswinkelnocke und eine kleine Hubnocke / kleine Arbeitswinkelnocke). Des Weiteren weist der Motor der dritten Ausführung trotz des variablen Hubgrößenmechanismus 48 einen variablen Arbeitswinkel- und Hubgrößenmechanismus auf. Der variable Arbeitswinkel- und Hubgrößenmechanismus ist konfiguriert, die Antriebsnocke zwischen der großen Hubnocke / großen Arbeitswinkelnocke und der kleinen Hubnocke / kleinen Arbeitswinkelnocke zu schalten. Nachstehend wird zum Zweck der Beschreibung die große Hubnocke / große Arbeitswinkelnocke einfach als „große Nocke“ bezeichnet und die kleine Hubnocke / kleine Arbeitswinkelnocke einfach als „kleine Nocke“ bezeichnet.
Charakteristika der Katalysatoraufwärmsteuerung in der dritten Ausführungsform
Wenn in der Katalysatoraufwärmsteuerung der zweiten Ausführungsform die große Hubnocke als die Antriebsnocke ausgewählt ist und bestimmt wurde, dass die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit gering ist, wird die Antriebsnocke von der großen Hubnocke auf die kleine Hubnocke geschaltet. In der Katalysatoraufwärmsteuerung der dritten Ausführungsform wird im Grunde genauso wie in der Katalysatoraufwärmsteuerung der zweiten Ausführungsform die Antriebsnocke von der großen Nocke auf die kleine Nocke geschaltet, wenn diese Bedingungen richtig sind. Die Schaltung der Antriebsnocke wird durch die Steuerung des variablen Arbeitswinkel- und Hubgrößenmechanismus realisiert.
Des Weiteren wird der variable Arbeitswinkel- und Hubgrößenmechanismus in der Katalysatoraufwärmsteuerung der dritten Ausführungsform so gesteuert, dass eine Überlappungsperiode, in der eine Öffnungsperiode des Einlassventils mit der Öfffnungsperiode des Auslassventils überlappt, mit der Periode vor und nach Schaltung der Antriebsnocke zusammenfällt. 15 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Beispiels einer Überlappungsperiode vor der Schaltung der Antriebsnocke. 16 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Beispiels einer Überlappungsperiode nach der Schaltung der Antriebsnocke. Wie sich aus dem Vergleich der 15 und 16 ergibt, wird der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils IVO vor und nach Schaltung der Antriebsnocke ausgerichtet, während der Schließzeitpunkt des Auslassventils EVC nach der Schaltung der Antriebsnocke vorgerückt wird. In Bezug auf die Schaltung der Antriebsnocke kann die Verschlechterung der Emission auf diese Weise unterdrückt werden.
Des Weiteren kann durch Vorrücken des Schließzeitpunktes des Einlassventils IVC ein Zustand im Zylinder verbessert werden. 17 ist eine Ansicht zur Beschreibung eines Zylinderzustandes, bei dem ein Einlassventil früher geschlossen wird. Wenn die Antriebsnocke von der großen Nocke auf die kleine Nocke geschaltet wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Rotationsstroms zwischen dem Einlassventil 26 und dem Auslassventil 28 ab. Bis zu diesem Punkt ist es dasselbe, wie in 9 beschrieben ist. Allerdings wird in der dritten Ausführungsform die Strömungsgeschwindigkeit des Rotationsstroms zwischen diesen Ventilen 26 und 28 langsamer, wenn der Schließzeitpunkt des Einlassventils IVC vorgerückt ist. Dann wird der Rotationsstrom in der Verbrennungskammer 20 langsamer und der Wirbelmittelpunkt des Rotationsstroms nähert sich stärker an den Zylinderkopf 16 an, als es in 9 dargestellt ist.
Des Weiteren wird in der Katalysatoraufwärmsteuerung der dritten Ausführungsform der Schließzeitpunkt des Einlassventils vorgerückt, um sich der unteren Totpunktseite anzunähern. Wenn sich der Schließzeitpunkt des Einlassventils IVC an die untere Totpunktseite annähert, wächst ein aktuelles Verdichtungsverhältnis an. Wenn das aktuelle Verdichtungsverhältnis anwächst, nimmt der Innenzylinderdruck zu. Dann ist es für den Kraftstoffsprühnebel, der durch die Expansionshubeinspritzung verursacht wird, schwierig, weiter in der Einspritzrichtung zu verbleiben und ein Kegelwinkel vergrößert sich. Dann verringert sich ein Abstand zwischen einer äußeren Oberfläche des Kraftstoffsprühnebels, der durch die Expansionshubeinspritzung verursacht wird, und dem Entladungsfunken. Mit nochmaligem Bezug auf 10 und 11, unterscheiden sich die Positionen (1) und (3), die in 11 dargestellt sind, um den Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des Kraftstoffsprühnebels und dem Entladungsfunken. Eine Positionsbeziehung zwischen den Positionen (2) und (4) ist dieselbe, wie die Positionsbeziehung zwischen den Positionen (1) und (3). Wie sich aus einem Vergleich der Ergebnisse von (1) und (3) oder der Ergebnisse von (2) und (4) ergibt, ist die Anziehungsgeschwindigkeit tendenziell höher, je näher der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des Kraftstoffsprühnebels und dem Entladungsfunken ist.
Wie sich aus der Beschreibung von 10 ergibt, wird die Anziehungsgeschwindigkeit höher, je näher der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des Kraftstoffsprühnebels und dem Entladungsfunken ist. Außerdem wird gemäß der Katalysatoraufwärmsteuerung der dritten Ausführungsform der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des Kraftstoffsprühnebels und dem Entladungsfunken durch die Vergrößerung des Kegelwinkels verringert. Daher ist es möglich, die Abnahme der Anziehungsgeschwindigkeit im Vergleich mit der Katalysatoraufwärmsteuerung der zweiten Ausführungsform weiter zu unterdrücken.
Spezifische Verarbeitung in der dritten Ausführungsform
18 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Beispiels der Verarbeitung, die die ECU 40 in der dritten Ausführungsform ausführt. Es ist zu beachten, dass der in 18 gezeigte Ablauf während einer Periode, in der der Katalysatoraufwärmmodus ausgewählt ist, wiederholt ausgeführt wird.
In dem in 18 dargestellten Ablauf wird zuerst eine Verarbeitung von den Schritten S20 bis S24 ausgeführt. Die Verarbeitung von den Schritten S20 bis S24 ist im Grunde dieselbe wie die Verarbeitung von den Schritten S10 bis S14, die in 14 dargestellt sind.
Nach dem Schritt S24 wird der Hubmittelpunkt des Einlassventils geändert (Schritt S26). Im Schritt S26 wird der Hubmittelpunkt des Einlassventils so geändert, dass die Überlappungsperiode zwischen dem Auslassventil und dem Einlassventils mit der Periode vor und nach der Schaltung der Antriebsnocke übereinstimmt und sich auch der Schließzeitpunkt des Einlassventils an die untere Totpunktseite annähert.
Wenn wie oben beschrieben gemäß dem in 18 dargestellten Ablauf, die Antriebsnocke von der großen Nocke auf die kleine Nocke geschaltet wird, ist es möglich, den Hubmittelpunkt des Einlassventils so zu ändern, dass die Überlappungsperiode zwischen dem Auslassventil und dem Einlassventil mit der Periode vor und nach der Schaltung der Antriebsnocke übereinstimmt und sich auch der Schließzeitpunkt des Einlassventils an die untere Totpunktseite annähert. Daher ist es möglich, selbst wenn die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit aufgrund der großen Hubnocke als Antriebsnocke langsam ist, die Zunahme in der Verbrennungsschwankung zwischen den Zyklen zufriedenstellend zu unterdrücken.
Abwandlung der Ausführungsform
In der ersten bis dritten Ausführungsform wird die Motorkonfiguration angenommen, in der der Rotationsstrom in der Verbrennungskammer 20 auf der Seite der Auslassöffnung 24 wirbelt, um sich von dem oberen Abschnitt der Verbrennungskammer 20 in Richtung deren unteren Abschnittes zu bewegen, und auf der Seite der Einlassöffnung 22 so wirbelt, um sich von dem unteren Abschnitt der Verbrennungskammer 20 in Richtung deren oberen Abschnittes zu bewegen. Allerdings kann eine Motorkonfiguration angenommen werden, in der der Rotationsstrom in die entgegengesetzte Richtung wirbelt. Das heißt, dass auf der Seite der Einlassöffnung 22 der Rotationsstrom vom oberen Abschnitt in Richtung des unteren Abschnittes der Verbrennungskammer 20 wirbeln kann, und auf der Seite der Auslassöffnung 26 von dem unteren Abschnitt in Richtung des oberen Abschnittes der Verbrennungskammer 20. Allerdings ist es in diesem Fall erforderlich, die Stellung, an der die Zündkerze 32 angeordnet ist, von der Seite des Auslassventils 28 zur Seite des Einlassventils 26 zu verändern. Wenn die Stellung, an der die Zündkerze 32 angeordnet ist, auf diese Weise verändert wird, wird die Zündkerze 32 an der in Strömungsrichtung des Rotationsstroms stromabwärtigen Seite der Einspritzvorrichtung 30 positioniert.
In der zweiten und dritten Ausführungsform wird eine Bestimmung mit Bezug auf die Ursprungsverbrennungsgeschwindigkeit mit dem SA-CA10 durchgeführt. Allerdings kann anstatt von SA-CA10 eine Bestimmung mit Bezug auf die Vergrößerung des Abstandes DT um einen bekannten Parameter, der mit der Rate der Anfangsverbrennung korreliert, durchgeführt werden. Das heißt, dass, solange der Parameter ein bekannter Parameter mit Bezug auf einen Bestimmungswert ist, mit dem die Anfangsverbrennung verglichen werden kann, der Parameter anstatt von SA-CA10 verwendet werden kann.
In der ersten bis dritten Ausführungsform wird der Kraftstoffeinspritzablauf angenommen, in dem zweifache Einspritzungen im Einlasshub und die Verdichtungshubeinspritzung kombiniert werden. Allerdings kann ein Kraftstoffeinspritzablauf angenommen werden, in dem eine einfache Einspritzung im Einlasshub und die Verdichtungshubeinspritzung kombiniert werden. Alternativ kann ein Kraftstoffeinspritzablauf mit alleiniger Expansionshubeinspritzung, ohne Einlasshubeinspritzung, angenommen werden.
In der ersten und zweiten Ausführungsform werden zwei Arten von Einlassnocken, die sich in der Hubgröße unterscheiden, geschaltet. In der dritten Ausführungsform werden zwei Arten von Einlassnocken geschaltet, die sich in Hubgröße und Arbeitswinkel unterscheiden. Allerdings ist es nicht notwendig, dass eine Änderung der Hubgröße oder des Arbeitswinkels durch Schaltung zwischen den zwei Arten an Einlassnocken verursacht wird. Das heißt, dass die Hubgröße und der Arbeitswinkel der Einlassnocke kontinuierlich durch Anpassung einer Lage oder einer Form einer einzelnen Einlassnocke geändert werden können.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein variabler Hubgrößenmechanismus 48 konfiguriert ist, eine Nocke für die Betätigung eines Einlassventils 26 (Antriebsnocke) zwischen zwei Arten von Einlassnocken in der Hubgröße (d.h. eine große Hubnocke und eine kleine Hubnocke) zu schalten. In einer ersten Ausführungsform dieser Offenbarung wird der variable Hubgrößenmechanismus 48 durch eine ECU 40 so gesteuert, dass zur Steuerung, die die Aktivierung eines Abgaseineigungskatalysators (Katalysatoraufwärmsteuerung) fördert, die kleine Hubnocke als die Antriebsnocke ausgewählt ist.

Claims

Steuervorrichtung (40) zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, die dazu konfiguriert ist, einen Motor (10) zu steuern, wobei der Motor (10) aufweist: eine Einspritzvorrichtung (30), die in einem oberen Abschnitt einer Brennkammer (20) vorgesehen ist und konfiguriert ist, Kraftstoff direkt in einen Zylinder (12) einzuspritzen; eine Zündkerze (32), die konfiguriert ist, durch Verwendung eines Entladungsfunkens, der an einem Elektrodenabschnitt (34) erzeugt wird, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders (12) zu entzünden, wobei die Zündkerze (32) in einem oberen Abschnitt einer Brennkammer (20) und in einer Strömungsrichtung einer Mischströmung, die innerhalb der Brennkammer (20) entsteht, an einer stromabwärtigen Seite relativ zu der Einspritzvorrichtung (30) vorgesehen ist, wobei die Zündkerze (32) so vorgesehen ist, dass eine Position des Elektrodenabschnitts (34) oberhalb einer Konturfläche eines Kraftstoffsprühnebels ist, der von der Einspritzvorrichtung (30) in Richtung der Zündkerze (32) eingespritzt wird; einen variablen Hubgrößenmechanismus (48), der konfiguriert ist, eine Hubgröße einer Einlassnocke zu schalten, um ein Einlassventil (26), das in der Brennkammer (20) vorgesehen ist, zumindest zwischen einer kleinen Hubgröße und einer großen Hubgröße zu betätigen; und einen Abgasreinigungskatalysator, der konfiguriert ist, Abgas aus der Brennkammer (20) zu reinigen, wobei die Steuervorrichtung (40) zur Aktivierung des Abgasreinigungskatalysators konfiguriert ist: die Zündkerze (32) so zu steuern, dass ein Entladungsfunken am Elektrodenabschnitt (34) über eine vorbestimmte Periode auf einer Verzögerungsseite eines oberen Verdichtungstotpunktes erzeugt wird; die Einspritzvorrichtung (30) so zu steuern, dass eine Expansionshubeinspritzung auf der Verzögerungsseite des oberen Verdichtungstotpunktes durchgeführt wird, wobei sich eine Einspritzperiode der Expansionshubeinspritzung mit zumindest einem Teil der vorbestimmten Periode überlappt; und den variablen Hubgrößenmechanismus (48) so zu steuern, dass die Hubgröße der Einlassnocke in der kleinen Hubgröße bleibt, sodass die Mischströmung abgeschwächt wird.
Steuervorrichtung (40) zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1, wobei zur Aktivierung des Abgasreinigungskatalysators die Steuervorrichtung (40) des Weiteren konfiguriert ist: die Einspritzvorrichtung (30) so zu steuern, dass eine Einlasshubeinspritzung im selben Zyklus durchgeführt wird, in dem die Auslasshubeinspritzung durchgeführt wird; und den variablen Hubgrößenmechanismus (48) so zu steuern, dass die Hubgröße der Einlassnocke gewechselt wird, wenn eine Wachstumsrate einer Ursprungsflamme geringer als ein vorbestimmter Bestimmungswert ist, wobei die Ursprungsflamme durch einen Kontakt zwischen einem Teil des Kraftstoffsprühnebels, der durch die Einlasshubeinspritzung verursacht wird, und dem Entladungsfunken erzeugt wird.
Steuervorrichtung (40) zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 2, wobei der variable Hubgrößenmechanismus (48) des Weiteren so konfiguriert ist, einen Arbeitswinkel der Einlassnocke zwischen einem kleinen Arbeitswinkel und einem großen Arbeitswinkel zu schalten, wobei der Motor (10) des Weiteren einen variablen Ventilzeitschaltmechanismus (50) umfasst, der konfiguriert ist, die Ventilzeitschaltung der Einlassnocken zu ändern, und wobei die Steuervorrichtung (40) des Weiteren konfiguriert ist, den variablen Ventilzeitschaltmechanismus (50) zu steuern, wenn die Wachstumsrate der Ursprungsflamme geringer ist, als der vorbestimmte Bestimmungswert, sodass eine Öffnungsperiode des Einlassventils (26) mit der Periode, bevor und nachdem der variable Hubgrößenmechanismus (48) den Arbeitswinkel und die Hubgröße der Einlassnocke schaltet, übereinstimmt, und sich eine Schließperiode des Einlassventils (26) an den unteren Einlasstotpunkt annähert.
Steuervorrichtung (40) zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 3, wobei der variable Ventilzeitschaltmechanismus (50) des Weiteren konfiguriert ist, eine Überlappungsperiode zu ändern, in der sich eine Öffnungsperiode eines Auslassventils (28), das in der Brennkammer (20) vorgesehen ist, mit der Öffnungsperiode des Einlassventils (26) überlappt, wobei die Steuervorrichtung (40) konfiguriert ist, den variablen Ventilzeitschaltmechanismus (50) so zu steuern, dass die Überlappungsperiode mit der Periode übereinstimmt, bevor und nachdem der variable Hubgrößenmechanismus (48) den Arbeitswinkel und die Hubgröße der Einlassnocke schaltet.