DE102017202830A1

DE102017202830A1 - Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE102017202830A1
Application number: DE102017202830.0A
Authority: DE
Inventors: Susumu Nakajima; Naoki Yokoyama; Kenji Hirose; Seiichi Hosogai; Hidekazu Hironobu; Tatsuo Yamanaka; Haruya KITANO; Yasuhiro Okura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: DE102017202830B4; CN107120202B; US20170241366A1; US10208698B2; JP6397437B2; CN107120202A; JP2017150385A

Abstract

Es wird ein Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung angegeben, der einen Injektor 7 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer 6a aufweist. Der Motor 1 ist so konfiguriert, dass in der Brennkammer 6a eine Wirbelströmung FA erzeugt wird. Die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 7 kann in einem ersten Einspritzmodus und einem zweiten Einspritzmodus durchgeführt werden, wobei der erste Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung nach der Erzeugung der Wirbelströmung FA abgeschlossen ist, und der zweite Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA abgeschlossen ist. Die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus wird vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 durchgeführt, und die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus wird nach dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 durchgeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einem Injektor zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer, und insbesondere einen Verbrennungsmotor, der so konfiguriert ist, dass in der Brennkammer eine Wirbelströmung erzeugt wird.
Beschreibung der verwandten Technik
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-77421 (JP'421) offenbart einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, in dessen Einlasstakt Teil-Kraftstoffeinspritzungen durchgeführt werden. Die Teil-Kraftstoffeinspritzungen werden hauptsächlich zu dem Zweck durchgeführt, eine Rußmenge (Menge von Partikelmaterial) in den Abgasen zu reduzieren. Insbesondere beschreibt die JP'421 die nachfolgend beschriebenen Steuerungen: eine Steuerung, in der die Abschlusszeit der Teil-Kraftstoffeinspritzungen im Einlasstakt nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors vorverlagert wird, eine Steuerung, in der die erste Kraftstoffeinspritzzeit im Einlasstakt vorverlagert wird, wenn die Motordrehzahl ansteigt (4 von JP'421), eine Steuerung, in der die Anzahl der Teil-Kraftstoffeinspritzungen reduziert wird, wenn die Motordrehzahl zunimmt (5 von JP'421), eine Steuerung, in der der Kraftstoffdruck erhöht wird, wenn die angeforderte Kraftstoffmenge nicht mit einer einzelnen Einspritzung eingespritzt werden kann, und dergleichen.
In dem Motor, der so konfiguriert ist, dass in der Brennkammer die Wirbelströmung erzeugt wird, ändert sich ein Kraftstoffanhaftungszustand, der angibt, wie der eingespritzte Kraftstoff an der Innenwand der Brennkammer oder an der Deckfläche des Kolbens (Oberseite des die Brennkammer begrenzenden Kolbens) in Abhängigkeit davon anhaftet, ob die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung oder nach der Erzeugung der Wirbelströmung durchgeführt wird. Jedoch wird im in der JP'421 gezeigten Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung dieser Punkt nicht berücksichtigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung des oben beschriebenen Punkts gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung anzugeben, in dem die Kraftstoffeinspritzung unter Berücksichtigung der Kraftstoffanhaftung durchgeführt wird, die durch die Erzeugung der Wirbelströmung verursacht wird, um es hierdurch möglich zu machen, die Rußmenge in Abgasen nicht nur vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors effizient zu reduzieren, sondern auch nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors.
Zur Lösung der Aufgabe gibt die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung an, der einen Injektor (7) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer 6a aufweist und so konfiguriert ist, dass in der Brennkammer 6a eine Wirbelströmung (FA) erzeugt wird. In diesem Motor kann die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor (7) in einem ersten Einspritzmodus und einem zweiten Einspritzmodus durchgeführt werden, wobei der erste Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung nach der Erzeugung der Wirbelströmung (FA) abgeschlossen ist, und der zweite Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung (FA) abgeschlossen ist. Ferner wird die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors (1) durchgeführt, und wird die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus nach dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors (1) durchgeführt.
Mit dieser Konfiguration wird vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus durchgeführt, worin die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor nach der Erzeugung der Wirbelströmung abgeschlossen wird. Andererseits wird nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus durchgeführt, worin die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor vor der Erzeugung der Wirbelströmung abgeschlossen wird. Vor dem Abschließen vom Aufwärmen ist die Kraftstoffanhaftung an der Kolbendeckfläche der Hauptfaktor zur Rußerzeugung. Dementsprechend macht es die Verwendung des ersten Einspritzumodus möglich, die Kraftstoffmenge zu reduzieren, die an der Kolbendeckfläche anhaftet, um hierdurch die Rußerzeugung effizient zu unterdrücken.
Nach Abschluss vom Aufwärmen ist die Kraftstoffanhaftung an der Zylinderwand in der Nähe einer Position (Injektormontageposition), an der der Injektor angebracht ist, der Hauptfaktor für die Rußerzeugung. Dementsprechend macht es die Verwendung des zweiten Einspritzmodus möglich, die Kraftstoffmenge zu reduzieren, die an der Zylinderwand in der Nähe der Injektormontageposition anhaftet, um hierdurch die Rußerzeugung effizient zu unterdrücken. Demzufolge kann eine in den Abgasen enthaltene Rußmenge nicht nur vor Abschluss vom Aufwärmen sondern auch nach Abschluss vom Aufwärmen effizient reduziert werden.
Bevorzugt wird die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors (1) und in einem Hochdrehzahlbetriebszustand durchgeführt, wo die Drehzahl (NE) des Motors vergleichsweise hoch ist (NE ≥ NE2).
Mit dieser Konfiguration wird der zweite Einspritzmodus nach Abschluss vom Aufwärmen und im Hochdrehzahlzustand verwendet, wo die Drehzahl des Motors vergleichsweise hoch ist. Da die Stärke (Strömungsrate) der Wirbelströmung im Hochdrehzahlzustand höher wird, macht es die Verwendung des zweiten Einspritzmodus möglich, eine gute Wirkung zum Reduzieren der Rußmenge zu erhalten.
Bevorzugt weist die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus drei Teil-Einspritzungen auf, die innerhalb einer vorbestimmten Winkelperiode (CA3DI) ausgeführt werden, deren Mitte der untere Totpunkt ist, an dem der Einlasstakt endet. In anderen Worten, die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus wird als dreiteilige Einspritzungen durchgeführt.
In dieser Beschreibung wird der untere Totpunkt, an dem der Einlasstakt endet, nachfolgend als „BDC-Einlasstaktende” bezeichnet.
Mit dieser Konfiguration wird die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus als dreiteilige Einspritzungen innerhalb der vorbestimmten Winkelperiode durchgeführt, deren Mitte eine Zeit ist, zu der sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet, d. h. an der vom Injektor am weitesten entfernten Position. Durch Verwendung der dreiteiligen Einspritzungen und Durchführung der dreiteiligen Einspritzungen innerhalb der vorbestimmten Winkelperiode, deren Mitte das BDC-Einlasstaktende ist, kann die an der Kolbendeckfläche anhaftende Kraftstoffmenge verringert werden, um die Rußmenge effizient zu reduzieren. Ferner macht es die Durchführung der dreiteiligen Einspritzungen möglich, das Luftkraftstoffgemisch zu homogenisieren, um die Verbrennungsstabilität zu verbessern.
Bevorzugt wird ein Kraftstoffdruck (PF11), der dem Injektor (7) im ersten Einspritzmodus zugeführt wird, niedriger eingestellt als ein Kraftstoffdruck (PF12) im zweiten Einspritzmodus.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Eindringen des eingespritzten Kraftstoffs effizient zu reduzieren sowie auch den Motorbetriebsbereich, wo die dreigeteilten Einspritzungen ausgeführt werden können, zur Niederlastseite hin auszudehnen.
Bevorzugt ist die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus eine Einzeleinspritzung.
Mit dieser Konfiguration kann die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung sicher abgeschlossen werden, um die Kraftstoffmenge effizient zu reduzieren, die an der Zylinderwand in der Nähe der Injektormontageposition anhaftet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch eine Konfiguration eines Verbrennungsmotors mit direkter Kraftstoffeinspritzung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Konfiguration eines Zylinders des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Steuersystems zum Steuern des in 1 gezeigten Verbrennungsmotors zeigt;
4A und 4B zeigen Zeichnungen zur Erläuterung, wie die Anzahl von Kraftstoffeinspritzungen in einem Verbrennungszyklus gesetzt wird;
5A und 5B zeigen Zeichnungen zur Erläuterung von Ausführungszeitgebungen der Kraftstoffeinspritzung;
6 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Effekts zum Reduzieren der Rußmenge, der durch die Ausführung der dreigeteilten Einspritzungen erhalten wird;
7 zeigt Beziehungen zwischen einer Kraftstoffeinspritzzeitdauer (TI), welche eine Ventilöffnungszeitdauer des Injektors ist, und einer maximal erreichbaren Distanz (DSTMAX) des eingespritzten Kraftstoffs;
8A und 8B zeigen jeweils eine Beziehung zwischen einem Kraftstoffdruck (PF) und einer Anfangsgeschwindigkeit (VINI) des eingespritzten Kraftstoffs, sowie eine Beziehung zwischen dem Kraftstoffdruck (PF) und einem Tröpfchendurchmesser (DF) des eingespritzten Kraftstoffs; und
9 zeigt einen Graf zur Erläuterung des Effekts zum Reduzieren der Rußmenge (PM), der durch Erhöhen des Kraftstoffdrucks (PM) und durch Vorverlagern einer Endzeitgebung (CAIE) der Kraftstoffeinspritzung erhalten wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Nun werden bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine Konfiguration eines Verbrennungsmotors mit direkter Kraftstoffeinspritzung (nachfolgend als „Motor” bezeichnet) gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt schematisch eine Konfiguration eines Zylinders des in 1 gezeigten Motors 1. Der Motor 1 hat vier Zylinder 6, und in eine Brennkammer 6a des Zylinders 6 wird Kraftstoff eingespritzt. Jeder Zylinder 6 ist versehen mit einem Injektor 7, einer Zündkerze 8, einem Einlassventil 21, einem Auslassventil 22 und einem Kolben 23. Der Injektor 7 ist in der Nähe des Einlassventils 21 so angebracht, dass der Kraftstoff diagonal abwärts in die Brennkammer 6a eingespritzt wird.
Der Motor 1 ist mit einem Einlasskanal 2, einem Auslasskanal 10 und einem Turbolader 12 versehen. Der Einlasskanal 2 ist mit einem Ausgleichsbehälter 4 verbunden, und der Ausgleichsbehälter 4 ist über einen Einlassverteiler 5 mit der Brennkammer 6a jedes Zylinders 6 verbunden. Der Einlasskanal ist mit einem Drosselventil 13 und einem Ladeluftkühler 3 versehen, um unter Druck gesetzte Luft zu kühlen. Das Drosselventil 13 ist so konfiguriert, dass es von einem Drosselaktuator 13a betätigt wird. Der Ausgleichsbehälter 4 ist mit einem Einlassdrucksensor 31 versehen, um einen Einlassdruck PBA zu erfassen, und der Einlasskanal 2 ist mit einem Enlassluftströmungsratensensor 32 versehen, um eine Einlassluftströmungsrate GAIR zu erfassen.
Der Turbolader 12 ist mit einer Turbine 121 und einem Kompressor 124 versehen, der über eine Welle 122 mit der Turbine 121 verbunden ist. Die Turbine 121 wird durch kinetische Energie der Abgase drehend angetrieben. Der Kompressor 123 ist an dem Einlasskanal 2 angebracht und setzt die in den Motor 1 angesaugte Luft unter Druck (komprimiert diese).
Die Brennkammer 6a jedes Zylinders 6 des Motors 1 ist über einen Auslasskanal 9 mit dem Auslasskanal 10 verbunden. Ein Bypasskanal 11, der die Turbine 121 umgeht, ist mit dem Auslasskanal 10 verbunden, und der Bypasskanal 11 ist mit einem Wastgateventil (nachfolgend als „WG-Ventil” bezeichnet) 14 versehen, um die Strömungsrate der Abgase zu steuern, die durch den Bypasskanal 11 hindurchtreten.
Der Motor 1 ist so konfiguriert, dass in der Brennkammer 6a durch die Luft, die durch die Einlassöffnung 5a und das Einlassventil 21 in die Brennkammer 6a hineinfließt, eine Wirbelströmung FA erzeugt wird. Die Stärke (Strömungsrate) der Wirbelströmung FA nimmt in einem Betriebszustand zu, in dem der Einlassdruck durch den Turbolader 12 verstärkt wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Steuersystems zum Steuern/Regeln des Motors 1 zeigt. Der Einlassdrucksensor 31 und der Einlassluftströmungsratensensor 32 sind mit einer elektronischen Steuereinheit (nachfolgend als „ECU” bezeichnet) 30 verbunden. Ferner sind ein Kurbelwinkelsensor 33, ein Gaspedalsensor 34, ein Kühlmitteltemperatursensor 35, ein Luftkraftstoffverhältnissensor 36 und andere Sensoren (nicht gezeigt) mit der ECU 30 verbunden, und Erfassungssignale von diesen Sensoren werden der ECU 30 zugeführt. Der Kurbelwinkelsensor 33 erfasst einen Drehwinkel (Kurbelwinkel) CA der Kurbelwelle des Motors 1, der Gaspedalsensor 34 erfasst einen Druckbetrag AP des Gaspedals (nicht gezeigt) des Fahrzeugs, das von dem Motor 1 angetrieben ist, und der Kühlmitteltemperatursensor 35 erfasst eine Motorkühlmitteltemperatur TW. Die Ausgangsanschlüsse der ECU 30 sind mit dem Injektor 7, der Zündkerze 8, dem Drosselaktuator 13a und dem WG-Ventil 14 verbunden. Basierend auf der Erfassungsausgabe von dem Kurbelwinkelsensor 33 werden verschiedene Steuerzeiten wie etwa die Kraftstoffeinspritzzeit und die Zündzeit gesteuert und wird eine Motordrehzahl NE berechnet.
Die ECU 30 führt eine Kraftstoffeinspritzsteuerung mit dem Injektor 7, eine Zündsteuerung mit der Zündkerze 8, eine Turbinenantriebssteuerung mit dem WG-Ventil 14 und eine Einlassluftmengensteuerung mit dem Drosselventil 13 gemäß einem Betriebszustand des Motors 1 durch. Diese Steuerungen werden hauptsächlich an der Motordrehzahl NE und einem angeforderten Drehmoment TRQD durchgeführt. Das angeforderte Drehmoment TRQD wird hauptsächlich in Abhängigkeit vom Gaspedalbetätigungsbetrag AP berechnet, so dass es zunimmt, wenn der Gaspedalbetätigungsbetrag AP zunimmt.
Eine vom Injektor 7 eingespritzte Kraftstoffmenge (Kraftstoffeinspritzmenge QINJ) wird durch Korrektur einer Basiskraftstoffmenge mit einem Luftkraftstoffverhältniskorrekturkoeffizienten KAF gesteuert/geregelt, worin die Basiskraftstoffmenge gemäß der Einlassluftströmungsrate GAIR berechnet wird, und der Luftkraftstoffverhältniskorrekturkoeffizient KAF gemäß einem Luftkraftstoffverhältnissensor 36 erfassten Luftkraftstoffverhältnis AF berechnet wird, so dass das erfasste Luftkraftstoffverhältnis AF mit einem Soll-Luftkraftstoffverhältnis AFCMD übereinstimmt.
4A und 4B 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 einem Motorlastparameter LD definiert sind. 4A entspricht einem Motorbetriebszustand, indem vor Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 die Motorkühlmitteltemperatur TW niedriger als eine vorbestimmte Temperatur TWTH (zum Beispiel 60 Grad Celsius) ist. 4B zeigt einen Motorbetriebszustand, indem das Aufwärmen des Motors 1 abgeschlossen ist (TW ist gleich oder höher als 75 Grad Celsius). Als der Motorlastparameter LD wird zum Beispiel die Einlassluftströmungsrate GAIR oder der Einlassdruck PBA verwendet.
Wenn die Temperatur des Motors 1 vergleichsweise niedrig ist, wird im Bereich R3 die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ auf „3” gesetzt. In den Bereichen R2 und R1 wird die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ jeweils auf „2” und „1” gesetzt. Der Bereich R3 von 4A ist ein Niederdrehzahl-Hochlastbereich, worin 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 NE1 entspricht einer Leerlaufdrehzahl des Motors 1.
Der Bereich R2 umfasst einen Niederdrehzahl-Mittellastbereich und einen Mitteldrehzahl-Mittel/Hochlastbereich. In dem Niederdrehzahl-Mittellastbereich ist die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die 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 die 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 LD gleich oder größer als die erste Grenzlast LD1 und gleich oder kleiner als die maximale Last LDMAX. Der Bereich R1 umfasst, anders als die Bereiche R2 und R3, einen Niederlastbereich und einen Hochlastbereich. Das in den 4A und 4B gezeigte NEMAX bezeichnet die maximale Drehzahl. Die zweite Drehzahl NE2 wird zum Beispiel auf eine Drehzahl gesetzt, die etwa die Hälfte der maximalen Drehzahl NEMAX beträgt. Die zweite Grenzlast LD2 wird auf die minimale Last in dem Bereich gesetzt, wo die dreiteiligen Einspritzungen ausgeführt werden können.
Nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 wird in den Bereichen R13, R12 und R11 die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ jeweils auf „3”, „2” und „1” gesetzt, wie in 4B gezeigt. Der Bereich R13 ist ein Niederdrehzahl-Hochlastbereich, in dem 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, in dem 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 dritte Grenzlast LD3 und kleiner als die vierte Grenzlast LD4 ist.
Es ist anzumerken, dass die dritte und die vierte Grenzlast LD3 und LD4 so gesetzt sind, dass sie zunehmen, wenn die Motordrehzahl NE1 von einer vierten Drehzahl NE4 zu einer fünften Drehzahl NE5 hin zunimmt. Der Bereich R11 umfasst, anders als die Bereiche R12 und R13, einen Niederlastbereich und einen Mittel/Hochdrezahlbereich. Die Grenzlaster LD1 – LD4 sind so gesetzt, dass sie den Beziehungen LD1 < LD3 und LD2 < LD4 genügen.
In dieser Ausführung wird die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus im Niederdrehzahl-Hochlastbereich R3 durchgeführt, wenn die Temperatur des Motors 1 vergleichsweise niedrig ist (vor dem Abschluss des Aufwärmens). Im ersten Einspritzmodus werden, wie in 5A gezeigt, z. B. drei Einspritzungen (z. B. drei Teil-Einspritzungen) INJ1, INJ2 und INJ3 innerhalb einer vorbestimmten Winkelperiode CA3DI, durch deren Mitte das BDC-Einlasstaktende ist, nach der Erzeugung der Wirbelströmung FA ausgeführt. Die in jeder der drei Teil-Einspritzungen INJ1, INJ2 und INJ3 eingespritzten Kraftstoffmenge ist gleich einer Menge, die man durch Dividieren der erforderlichen Kraftstoffeinspritzmenge QINJ durch „3” erhält. Die vorbestimmte Winkelperiode CA3DI wird auf eine Winkelperiode gesetzt, die man durch Verdoppeln eines Ausführungswinkelintervalls DCA erhält, das ein Intervall zwischen den drei Teil-Einspritzungen ist, wenn das Ausführungswinkelintervall DCA auf das minimale Winkelintervall gesetzt wird. Zum Beispiel wird die vorbestimmte Winkelperiode CA3DI auf eine Winkelperiode von ATDC 130 Grad bis ATDC 230 Grad gesetzt. Das in den 5A und 5B gezeigte „ATDC bedeutet, nach dem oberen Totpunkt, an dem der Einlasstakt beginnt”.
In der Nähe des BDC-Einlasstaktendes ist die Wirbelströmung FA bereits erzeugt worden. Jedoch wird durch die Ausführung der drei Teil-Einspritzungen die Zeitdauer einer Kraftstoffeinspritzung verkürzt, und nimmt das Eindringen des eingespritzten Kraftstoffs ab (die maximal erreichbare Distanz nimmt ab). Darüber hinaus ist in der Nähe des BDC-Einlasstaktendes der Kolben 23 am Weitesten vom Injektor 7 entfernt angeordnet. Dementsprechend ist es möglich, die Kraftstoffmenge zu reduzieren, die an der Kolbendeckfläche anhaftet, um hierdurch die Rußerzeugung effektiv zu unterdrücken (die Rußmenge in den Abgasen zu unterdrücken). Wenn eine Einzeleinspritzung in der Nähe des BDC-Einlasstaktendes durchgeführt wird, um die gesamte erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge QINJ mit einer Einspritzung einzuspritzen, wird die Homogenität des Luftkraftstoffverhältnisses in der Brennkammer 6a reduziert. Im Gegensatz hierzu macht es die Durchführung der dreigeteilten Einspritzungen möglich, eine gut Homogenität des Luftkraftstoffverhältnisses zu erlangen.
Nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 wird die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus im Hochdrehzahlbereich innerhalb des in 4B gezeigten Bereichs R11 durchgeführt, in dem die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die zweite Drehzahl NE2 ist. In dem zweiten Einspritzmodus wird, wie in 5B gezeigt, die Einzeleinspritzung zum Einspritzen der gesamten erforderlichen Kraftstoffeinspritzmenge QINJ in der ersten Hälfte des Einlasstakts vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA durchgeführt. Zum sicheren Abschließen der Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA ist es wirkungsvoll, die Anfangsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffs zu erhöhen.
Dementsprechend wird in dieser Ausführung im zweiten Einspritzmodus ein Druck des dem Injektor 7 zugeführten Kraftstoffs (Kraftstoffdruck PF) auf einen vergleichsweise hohen Druck gesetzt (zum Beispiel etwa 20 Mpa), während der Kraftstoffdruck PF im ersten Einspritzmodus auf einen Wert von etwa einem Viertel des Kraftstoffdrucks im zweiten Einspritzmodus gesetzt wird. Das Reduzieren des Kraftstoffdrucks PF macht es möglich, das Eindringen des Kraftstoffs effektiv zu reduzieren sowie auch den Motorbetriebsbereich, wo die dreigeteilten Einspritzungen durchgeführt werden können, zur Niederlassseite hin auszudehnen. Die Kraftstoffeinspritzzeitdauer, welche eine Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 7 ist, kann nicht auf einen Wert kleiner als die minimale Ventilöffnungszeitdauer gesetzt werden, die durch die Spezifikation des Injektors 7 bestimmt ist. Wenn der Kraftstoffdruck hoch ist, wird die Menge des in einer Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs größer, was die Durchführung der dreigeteilten Einspritzungen unmöglich macht, da die tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge viel zu groß wird, wenn drei Teil-Einspritzungen durchgeführt werden.
Es bestätigte sich, dass dann, wenn die Temperatur des Motors 1 nach Abschluss des Aufwärmens ansteigt, die Rußerzeugungsmenge aufgrund des an der Kolbendeckfläche anhaftenden Kraftstoffs abnimmt, und die Rußerzeugungsmenge aufgrund des an der Zylinderwand einer dem Injektor 7 anhaftenden Kraftstoffs zunimmt, weil die durch die ansteigende Strömung in der Brennkammer 6a erzeugten Wirbelströmung FA ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs zurückkehrt, so dass der an der Zylinderwand nahe dem Injektor 7 anhaftet. Dementsprechend wird im Hochdrehzahlbetriebsbereich des Motors 1, in dem die Strömungsrate der Wirbelströmung FA höher wird, die Einzeleinspritzung in der ersten Hälfte des Einlasstakts vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA durchgeführt, um hierdurch die Rußerzeugungsmenge zu reduzieren.
6 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Effekts vom Reduzieren der Rußmenge, indem man durch Ausführung der dreigeteilten Einspritzungen erhält. In 6 bezeichnen die Symbole „o” Daten, welche dem Fall entsprechen, wo die Einzeleinspritzung durchgeführt wird, und die Symbole „
bezeichnen Daten, welche dem Fall entsprechen, wo die oben beschriebenen dreigeteilten Einspritzungen durchgeführt werden. PM auf der vertikalen Achse in 6 bezeichnet eine Rußmenge in den Abgasen (nachfolgend als „Rußmenge PM” bezeichnet). Die Rußmenge PM ist als Menge des abgegebenen Rußes definiert, wenn das von dem Motor 1 angetriebene Fahrzeug über eine konstante Distanz fährt. CAI1st auf der horizontalen Achse bezeichnet die Ausführungszeitgebung der Einzeleinspritzung, oder die Ausführungszeitgebung der ersten Einspritzung INJ1 für die drei Teil-Einspritzungen. Der Winkel der horizontalen Achse bezeichnet einen Winkel nach dem oberen Totpunkt, indem der Einlasstakt beginnt. Es ist anzumerken, dass man die in 6 gezeigten Daten der drei Teil-Einspritzungen erhält 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.
Es zeigt sich aus 6, dass die Rußmenge PM abnimmt, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitgebung im Einlasstakt verzögert wird, und die Rußmenge PM der drei Teil-Einspritzungen kleiner als jene der Einzeleinspritzung ist.
7 zeigt Beziehungen zwischen eine Kraftstoffeinspritzzeitdauer TI, die eine Ventilöffnungszeitdauer des Injektors 7 ist, und der maximal erreichbaren Distanz DSTMAX des eingespritzten Kraftstoffs. In 7 entsprechen die durchgehende Linie L1, die unterbrochene Linie 12 und die dicke durchgehende Linie L3 jeweils den Fällen, in denen der Kraftstoffdruck PF gleich einem ersten Kraftstoffdruck PF1, einem zweiten Kraftstoffdruck PF2 und einem dritten Kraftstoffdruck PF3 ist. Die Kraftstoffdrücke PF1, PF2 und PF3 genügen der Beziehung der unten gezeigten Gleichung (1). De zweite Kraftstoffdruck PF2 beträgt etwa das dreifache des ersten Kraftstoffdrucks PF1 (PF2 ≒ 3 × PF1), und der dritte Kraftstoffdruck PF3 beträgt etwa das fünffache des ersten Kraftstoffdrucks PF1 (PF2 ≒ 5 × PF1). PF1 < PF2 < PF3 (1)
Wie in 7 gezeigt, ändert sich die maximal erreichbare Distanz DSTMAX sehr wenig, wenn sich der Kraftstoffdruck ändert, und nimmt ab, wenn die Kraftstoffeinspritzzeitdauer TI abnimmt. Gemäß den in 7 gezeigten Beziehungen zeigt sich, dass durch Ausführung der drei Teil-Einspritzungen vor dem Abschließen vom Aufwärmen des Motors 1 zum Verkürzen der Zeitdauer von einer Einspritzung, die maximal erreichbare Distanz DSTMAX des eingespritzten Kraftstoffs abnimmt, wodurch es möglich gemacht wird, die Kraftstoffmenge zu reduzieren, die an der Kolbendeckfläche anhaftet.
8A zeigt eine Beziehung zwischen dem Kraftstoffdruck PF und einer Anfangsgeschwindigkeit VINI des eingespritzten Kraftstoffs, und 8B zeigt eine Beziehung zwischen dem Kraftstoffdruck PF und einem Tröpfchendurchmesser DF des eingespritzten Kraftstoffs. Da der eingespritzte Kraftstoff zerstäubt wird, bedeutet der Tröpfchendurchmesser DF einen Durchmesser des zerstäubten Kraftstoffs. Der Kraftstoffdruck PF12 in den 8A und 8B ist gleich dem dritten Kraftstoffdruck PF3 in 7, der etwa das 2,5fache des Kraftstoffdrucks PF11 beträgt (PF12 = PF3 ≒ 2,5 × PF11).
In 8A zeigt sich, dass die Anfangsgeschwindigkeit VINI zunimmt, wenn der Kraftstoffdruck PF zunimmt. Die in 8A gezeigte Anfangsgeschwindigkeit VINI2 beträgt etwa das 1,2fache der Anfangsgeschwindigkeit VIN1 (VINI2 ≒ 1,2 × VINI1). Aus 8B ist ersichtlich, dass der Tröpfchendurchmesser DF abnimmt, wenn der Kraftstoffdruck PF zunimmt. Der Tröpfchendurchmesser DF2 beträgt etwa das 0,7-fache des Tröpfchendurchmessers DF1 (DF2 ≒ 0,7 × DF1).
Wie oben beschrieben, wird in dieser Ausführung vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 der Kraftstoffdruck PF auf den Kraftstoffdruck PF11 gesetzt, der vergleichsweise niedrig ist, und werden die drei Teil-Einspritzungen in der vorbestimmten Winkelperiode CA3DI, deren Mitte das BDC-Einlasstaktende ist, nach der Erzeugung der Wirbelströmung FA durchgeführt, d. h. es wird die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus durchgeführt, um hierdurch das Anhaften des Kraftstoffs an der Kolbendeckfläche zu unterdrücken, um die Rußmenge PM in den Abgasen zu reduzieren.
Im Hochdrehzahlzustand nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1, wird der Kraftstoffdruck PF auf den Kraftstoffdruck PF12 gesetzt, der vergleichsweise hoch ist, und wird die Einzeleinspritzung in der ersten Hälfte des Einlasstakts vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA durchgeführt, d. h. es wird die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus durchgeführt, um hierdurch das Anhaften von Kraftstoff von der Zylinderwand in der Nähe der Montageposition des Injektors 7 zu unterdrücken, um die Rußmenge PM in den Abgasen zu reduzieren. Das Erhöhen des Kraftstoffdrucks PF bewirkt, dass die Anfangsgeschwindigkeit VINI des eingespritzten Kraftstoffs zunimmt, was eine Verkürzung der Einspritzzeitdauer erlaubt, um die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA sicher abzuschließen. Wenn der Kraftstoffdruck PF erhöht wird, nimmt die maximal erreichbare Distanz DSTMAX kaum zu und nimmt der Tröpfchendurchmesser DF ab. Darüber hinaus wird nach dem Abschließen vom Aufwärmen die Temperatur des Kolbens höher. Dementsprechend wird die Rußerzeugungsmenge aufgrund des an der Kolbendeckfläche anhaftenden Kraftstoffs vernachlässigbar, im Vergleich zu der Rußerzeugungsmenge aufgrund des Kraftstoffs, der an der Zylinderwand in der Nähe der Montageposition des Injektors 7 anhaftet.
9 zeigt eine Graphik zur Erläuterung des Effekts zum Reduzieren der Rußmenge PM, den man durch Erhöhen des Kraftstoffdrucks PF und Vorverlagerung der Endzeit der Kraftstoffeinspritzung im Hochdrehzahlzustand nach Abschluss des Aufwärmens erhält. In 9 ist PM1 eine Rußmenge entsprechend dem Fall, in dem der Kraftstoffdruck PF auf das in den 8A und 8B gezeigte PF11 gesetzt ist, und die Endzeit CAIE der Kraftstoffeinspritzung auf CAIE1 gesetzt ist (ATDC 113 Grad), während PM2 eine Rußmenge entsprechend dem Fall ist, in dem der Kraftstoffdruck PF auf das in den 8A und 8B gezeigte PF12 gesetzt ist und die Endzeit CAIE der Kraftstoffeinspritzung auf CAIE2 gesetzt ist (ATDC 90 Grad). Die Rußmenge PM2 ist gleich einem Wert von etwa 45% weniger als der Rußmenge PM1, was den Reduktionseffekt der Rußmenge PM zeigt.
Wie oben in dieser Ausführung wird, vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1, die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus durchgeführt, in dem die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 7 nach der Erzeugung der Wirbelströmung FA abgeschlossen wird. Andererseits wird nach dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus durchgeführt, in dem die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 7 vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA abgeschlossen wird. Vor dem Abschluss vom Aufwärmen ist die Kraftstoffanhaftung an der Kolbendeckfläche der Hauptfaktor zur Rußerzeugung. Dementsprechend macht es die Verwendung des ersten Einspritzmodus möglich, die an der Kolbendeckfläche anhaftende Kraftstoffmenge zu reduzieren, um hierdurch die Rußerzeugung effizient zu unterdrücken.
Nach Abschluss vom Aufwärmen ist die Kraftstoffanhaftung an der Zylinderwand in der Nähe der Montageposition des Injektors 7 der Hauptfaktor zur Rußerzeugung. Dementsprechend macht es die Verwendung des zweiten Einspritzmodus möglich, eine Kraftstoffmenge zu reduzieren, die an der Zylinderwand in der Nähe der Injektormontageposition anhaftet, um hierdurch die Rußerzeugung effizient zu unterdrücken. Demzufolge kann die in den Abgasen enthaltene Rußmenge nicht nur vor dem Abschluss vom Aufwärmen sondern auch nach dem Abschluss vom Aufwärmen effizient reduziert werden.
Insbesondere wird der zweite Einspritzmodus nach Abschluss vom Aufwärmen und im Hochdrehzahlbetriebsbereich verwendet, in dem die Motordrehzahl NE gleich oder höher als die zweite Drehzahl NE2 ist. Im Hochdrehzahlbetriebszustand wird die Stärke (Strömungsrate) der Wirbelströmung FA höher. Dementsprechend macht es die Verwendung des zweiten Einspritzmodus möglich, einen guten Effekt zur Reduzierung der Rußmenge zu erhalten.
Ferner wird die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus als dreigeteilte Einspritzungen innerhalb der vorbestimmten Winkelperiode CA3DI, deren Mitte das BDC-Einlasstaktende ist, durchgeführt, d. h. mit der Zeitgebung, in der der Kolben an der vom Injektor 7 am weitest entfernten Position angeordnet ist. Die dreigeteilten Einspritzungen reduzieren das Eindringen (maximal erreichbare Distanz) des eingespritzten Kraftstoffs, und durch Ausführung der dreigeteilten Einspritzungen innerhalb der vorbestimmten Winkelperiode CA3DI, deren Mitte das BDC-Einlasstaktende ist, kann eine an der Kolbendeckfläche anhaftende Kraftstoffmenge unterdrückt werden, um die Rußmenge effizient zu reduzieren. Ferner macht es die Ausführung der drei Teil-Einspritzungen möglich, das Luftkraftstoffgemisch zu homogenisieren, um die Verbrenungsstabilität zu verbessern.
Ferner wird der Kraftstoff PF im ersten Einspritzmodus auf einen Druck gesetzt, der niedriger ist als der Kraftstoffdruck im zweiten Einspritzmodus, was es möglich macht, das Eindringen des eingespritzten Kraftstoffs effektiv zu reduzieren sowie auch den Motorbetriebsbereich, indem die drei Teil-Einspritzungen durchgeführt werden können, zur Niederlassseite hin auszudehnen.
Ferner ist die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus eine Einzeleinspritzung, d. h. die Kraftstoffeinspritzzahl NINJ ist auf „1” gesetzt. Gemäß dieser Einstellung kann die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA sicher abgeschlossen werden, um eine Kraftstoffmenge, die an der Zylinderwand in der Nähe der Injektormontageposition anhaftet, effektiv zu reduzieren.
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 Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung gezeigt, welcher vier Zylinder aufweist. Die vorliegende Erfindung ist aber auch auf einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung anwendbar, der eine beliebige Anzahl von Zylindern aufweist. Wenn ferner die vorliegende Erfindung auf einen Motor angewendet wird, der mit einem Turbolader versehen ist, kann ein merklicher Effekt erhalten werden, da die Stärke der Wirbelströmung FA in dem mit dem Turbolader versehenen Motor höher wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Motor ohne Turbolader anwendbar, der aber so konfiguriert ist, dass eine Wirbelströmung mit vergleichsweise hoher Stärke erzeugt wird.
Ferner ist die Anzahl der Teil-einspritzungen nicht auf drei beschränkt. Es können auch mehr oder weniger als drei Teil-Einspritzungen vorgenommen werden, sofern die Aufgabe der Erfindung gelöst wird.
Es wird ein Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung angegeben, der einen Injektor 7 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer 6a aufweist. Der Motor 1 ist so konfiguriert, dass in der Brennkammer 6a eine Wirbelströmung FA erzeugt wird. Die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor 7 kann in einem ersten Einspritzmodus und einem zweiten Einspritzmodus durchgeführt werden, wobei der erste Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung nach der Erzeugung der Wirbelströmung FA abgeschlossen ist, und der zweite Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung FA abgeschlossen ist. Die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus wird vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 durchgeführt, und die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus wird nach dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors 1 durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-77421 [0002]

Claims

Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, der einen Injektor (7) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in seine Brennkammer 6a aufweist und so konfiguriert ist, dass in der Brennkammer 6a eine Wirbelströmung (FA) erzeugt wird, wobei die Kraftstoffeinspritzung durch den Injektor (7) in einem ersten Einspritzmodus und einem zweiten Einspritzmodus durchgeführt werden kann, wobei der erste Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung nach der Erzeugung der Wirbelströmung (FA) abgeschlossen ist, und der zweite Einspritzmodus ein Modus ist, in dem die Kraftstoffeinspritzung vor der Erzeugung der Wirbelströmung (FA) abgeschlossen ist, wobei die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus vor dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors (1) durchgeführt wird, und die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus nach dem Abschluss vom Aufwärmen des Motors (1) durchgeführt wird.
Der Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus nach Abschluss vom Aufwärmen des Motors (1) und in einem Hochdrehzahlbetriebszustand durchgeführt wird, wo die Drehzahl (NE) des Motors vergleichsweise hoch ist (NE ≥ NE2).
Der Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kraftstoffeinspritzung des ersten Einspritzmodus drei Teil-Einspritzungen aufweist, die innerhalb einer vorbestimmten Winkelperiode (CA3DI) ausgeführt werden, deren Mitte der untere Totpunkt ist, an dem der Einlasstakt endet.
Der Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Kraftstoffdruck (PF11), der dem Injektor (7) im ersten Einspritzmodus zugeführt wird, niedriger ist als ein Kraftstoffdruck (PF12) im zweiten Einspritzmodus.
Der Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kraftstoffeinspritzung des zweiten Einspritzmodus eine Einzeleinspritzung ist.