DE112014001963B4 - Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor - Google Patents

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Abstract

Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor, wobei die Vorrichtung umfasst:einen Motorkörper, der ausgelegt ist, mit einem Kraftstoff zu laufen, der einen unkonventionellen Kraftstoff umfasst, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger als die von Benzin ist;eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, die ausgelegt ist, um den Kraftstoff in einen für den Motorkörper vorgesehenen Zylinder zu befördern, wobei der Druck des Kraftstoffs auf einen vorbestimmten Druck angehoben wurde; undein Steuergerät, das ausgelegt ist, um den Motorkörper durch Steuern mindestens der Kraftstoffversorgungseinrichtung zu betreiben, wobeidas Steuergerät ausgelegt ist, (i) um den Kraftstoff durch die Kraftstoffversorgungseinrichtung in den Zylinder zu befördern, wenn der Zylinder in einem Ansaugtakt und in einem Verdichtungstakt ist und wenn der Motorkörper sowohl in einer Kaltbetriebsphase ist und unter einer großen Last steht, und (ii) um zum Reduzieren von in den Zylinder zu saugender Luft einen oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers zu senken, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt, wobei sich der Motorkörper bei oder unter der vorbestimmten Temperatur in der Kaltbetriebsphase befindet, die an dem Motorkörper angelegte Last groß ist, wenn der Motorkörper aufgrund einer Betätigung eines Gaspedals unter mindestens einer vorbestimmten Last steht.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor und betrifft insbesondere eine Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor, der ausgelegt ist, um mit einem Kraftstoff versorgt zu werden, der einen unkonventionellen Kraftstoff umfasst, der bei oder unter einer bestimmten Temperatur eine niedrigere Verdampfungsrate als Benzin aufweist.
  • Technischer Hintergrund
  • In den letzten Jahren haben Biokraftstoffe im Hinblick auf Umweltbelange wie die globale Erwärmung gewisse Aufmerksamkeit gefunden. Infolge sind kraftstoff-flexible Fahrzeuge (FFV, kurz vom engl. Flexible Fuel Vehicle), die mit einem zum Beispiel Benzin und Bioethanol umfassenden Kraftstoff bei jedem beliebigen Mischungsverhältnis laufen können, bereits auf den Markt gebracht worden. Der Ethanolgehalt von Kraftstoffen für FFV variiert bei den auf dem Markt erhältlichen Kraftstoffen abhängig vom Mischungsverhältnis von Benzin und Ethanol. Beispiele für solche Streuungen reichen von E25 (d.h. eine Mischung aus 25% Ethanol und 75% Benzin) bis zu E100 (d.h. 100% Ethanol) oder von E0 (d.h. 100% Benzin) bis zu E85 (d.h. eine Mischung aus 85% Ethanol und 15% Benzin). Zu beachten ist, dass E100 hier E100 umfasst, das in etwa 5% verbleibendes Wasser enthält (d.h. 5% Wasser und 95% Ethanol), das durch die Ethanoldestillationsprozesse nicht ausreichend entfernt wurde.
  • Bei solchen FFV schwanken die Eigenschaften ihrer Kraftstoffe abhängig vom Ethanolgehalt der Kraftstoffe. Benzin, das ein Mehrkomponenten-Kraftstoff ist, weist mit anderen Worten einen Siedepunkt auf, der in den Bereich von 27°C bis 225°C fällt. 2 zeigt eine Änderung des Destillationsverhältnisses von Benzin mit Temperatur. Wie aus 2 ersichtlich ist; ist das Verdampfungsverhältnis von Benzin relativ hoch, selbst wenn seine Temperatur relativ niedrig ist. Ethanol dagegen, das ein Einkomponenten-Kraftstoff ist, weist einen normalen Siedepunkt von 78°C auf. Somit weist Ethanol bei einer relativ niedrigen Temperatur eine Verdampfungsrate von 0% auf, die niedriger als die von Benzin ist. Andererseits weist Ethanol bei einer relativ hohen Temperatur eine Verdampfungsrate von 100% auf, die höher als die von Benzin ist. Wenn die Motortemperatur eines FFV niedrig ist, d.h. kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur, nimmt somit die Kraftstoffverdampfbarkeit in einem Zylinder bei Steigen des Ethanolgehalts des Kraftstoffs oder Fallen der Motortemperatur ab. Wenn im Einzelnen die Verdampfungsrate als Gewichtsverhältnis des zur Verbrennung beitragenden Kraftstoffs zu dem in den Zylinder beförderten Kraftstoff definiert wird, sinkt die Verdampfungsrate bei Steigen des Ethanolgehalts oder Fallen der Motortemperatur. Wenn der Motor zum Beispiel mit E100 kalt betrieben wird, ergibt sich das Problem, dass die niedrige Verdampfungsrate eine Verschlechterung der Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität eines Luft/Kraftstoff-Gemisches bewirkt. Dieses Problem ist insbesondere bei dem wasserhaltigen E100 schwerwiegend.
  • JP 2010 - 133 288 A offenbart zum Beispiel ein FFV-Motorsystem, das einen Kraftstoff mit einem hohen Benzinanteil aus einem Haupttank entnimmt, der einen Kraftstoff speichert, der Benzin und Ethanol bei einem beliebigen vorgegebenen Mischungsverhältnis enthält; das den entnommenen Kraftstoff zu einem Subtank befördert, der separat von dem Haupttank vorgesehen ist; und den Kraftstoff in dem Subtank speichert. Das in JP 2010 - 133 288 A offenbarte Motorsystem ermöglicht es dem Subtank, einen Kraftstoff mit stabilisierter Verdampfbarkeit konstant zu speichern. Wenn das in JP 2010 - 133 288 A offenbarte Motorsystem einen Kraftstoff mit einem hohen Ethanolgehalt verwendet, mischt das System somit bei einem geeigneten Verhältnis den in dem Haupttank gespeicherten Kraftstoff mit dem in dem Subtank gespeicherten Kraftstoff, der einen hohen Benzingehalt aufweist, unter einer Betriebsbedingung (z.B. wenn das Motorsystem kalt betrieben wird), die eine Abnahme der Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/KraftstoffGemisches hervorruft. Somit spritzt das Motorsystem einen gemischten Kraftstoff, der einen höheren Benzinanteil als der in dem Haupttank gespeicherte Kraftstoff aufweist, in einen Ansaugkanal des Motors ein. Folglich verwendet das in JP 2010 - 133 288 A offenbarte Motorsystem den Kraftstoff, der einen hohen Benzinanteil aufweist und in dem Subtank gespeichert ist, um die Verdampfungsrate des Kraftstoffs zu steigern, unter einer solchen Betriebsbedingung, die eine Abnahme der Verdampfungsrate bewirkt. Somit stellt das Motorsystem die Zündfähigkeit und/oder die Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches bei einem Kaltbetrieb des Motorsystems sicher.
  • JP 2010 - 37 968 A offenbart dagegen ein FFV-Motorsystem ohne einen solchen Subtank. Stattdessen umfasst das Motorsystem ein Kraftstoffeinspritzventil, das ausgelegt ist, um einen Kraftstoff direkt in einen Zylinder einzuspritzen. Im Hinblick auf die Tatsache, dass ein theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis von Ethanol kleiner als das von Benzin ist, und die Tatsache, dass die Kraftstoffeinspritzmenge angehoben werden muss, wenn verglichen mit der Verwendung eines Kraftstoffs mit einem hohen Benzingehalt ein Kraftstoff mit einem hohen Ethanolgehalt verwendet wird, erhöht das in JP 2010 - 37 968 A offenbarte Motorsystem einen Kraftstoffdruck und spritzt den Kraftstoff hohen Drucks bei einem Kaltstart des Motors während des Verdichtungstakts in einen Zylinder ein, wenn die Temperatur des Motors und die Verdampfbarkeit des Kraftstoffs niedrig sind und der Kraftstoff einen hohen Ethanolgehalt aufweist und die Kraftstoffeinspritzmenge groß ist. Mit dem erhöhten Kraftstoffdruck wird der Kraftstoff zerstäubt und die Verdampfung des Kraftstoffs wird gefördert. Der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung wird ferner verzögert, wodurch die Verbrennung des Kraftstoffs aufgenommen wird, bevor der eingespritzte Kraftstoff an Abschnitten wie etwa der Innenwand und dem Kolben des Zylinders aufgefangen wird. Auf diese Weise wandelt das in JP 2010 - 37 968 A offenbarte Motorsystem die Kraftstoffeinspritzmodi so ab, dass ein Kaltstart des Motors erleichtert wird.
  • Aus der US 2009/0093950 A1 ist eine Steuerung für Brennkraftmaschinen bekannt, die zur Verbesserung der Kraftstoffverdampfung verschiedene Betriebsparameter verstellt und hierfür Temperatur und Last berücksichtigt. Dabei werden die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile und der Einspritzzeitpunkt je nach Alkoholgehalt des Kraftstoffs verstellt. Die Schrift JP 2009-191650 A misst den Alkoholgehalt im Kraftstoff und erhöht die eingespritzte Kraftstoffmenge mit zunehmenden Alkoholgehalt. Die Schrift JP 2008-223676 A schlägt ebenfalls vor, die Einspritzmenge bei zunehmenden Alkoholgehalt des Kraftstoffs zu erhöhen und dann, wenn der Alkoholgehalt einen Schwellwert übersteigt, auch noch den Einspritzzeitpunkt nach vorne zu verstellen. Die Schrift JP 2008-069700 verwendet verschiedene Einspritzventile für Kraftstoff einerseits und ein Kraftstoff-AlkoholGemisch andererseits und sieht vor, im Spitzenlastbetrieb die Einspritzung des Kraftstoff-Alkohol-Gemischs zu begrenzen und den sozusagen fehlenden Kraftstoff über das Kraftstoff-Einspritzventil zuzuspritzen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die Konfiguration, die einen Subtank benötigt, wie in JP 2010 - 133 288 A offenbart, weist zwei Kraftstoffversorgungssysteme auf, was das Motorsystem kompliziert und dessen Kosten steigert. Daher besteht Bedarf nach einer Konfiguration ohne einen Subtank, wie in JP 2010 - 37 968 A offenbart ist. Die Zündfähigkeit und/oder die Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches müssen dagegen unabhängig von den Eigenschaften des in dem Haupttank gespeicherten Kraftstoffs sichergestellt werden.
  • Wie in JP 2010 - 37 968 A offenbart unterscheiden sich Ethanol und Benzin in dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Bei Steigen des Ethanolgehalts eines Kraftstoffs muss somit verglichen mit Benzin eine noch größere Kraftstoffmenge eingespritzt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben sinkt zudem die Verdampfungsrate eines Kraftstoffs, wenn die Temperatur des Motors fällt und wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs steigt. Bei Berücksichtigung der niedrigen Verdampfungsrate führt das für ein FFV vorgesehene Motorsystem somit eine solche Steuerung aus, dass, wenn die Motortemperatur niedrig ist und/oder wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs hoch ist, durch vorab Vergrößern der in einen Zylinder zu befördernden Kraftstoffmenge eine Sollmenge verdampften Kraftstoffs erhalten wird.
  • Wenn zum Beispiel ein Motor unter Verwenden von E95 unter einer großen Last kalt läuft, steigt die von einem Kraftstoffeinspritzventil pro Zyklus einzuspritzende Kraftstoffmenge aufgrund einer Kombination der folgenden Faktoren: (i) der Ethanolgehalt des Kraftstoffs ist so hoch, dass die erforderliche Kraftstoffmenge verglichen mit Benzin steigt, (ii) der Motor muss unter einer so großen Last laufen, dass er entsprechend mehr Kraftstoff benötigt, und (iii) die Verdampfungsrate sinkt, da der Motor kalt läuft und der Ethanolgehalt niedrig ist, was ein Ändern der Kraftstoffmenge durch dessen Steigern erforderlich macht. Dadurch muss zum Beispiel die einzuspritzende Kraftstoffmenge unter der gleichen Betriebsbedingung doppelt so groß oder größer als bei Verwenden von Benzin sein.
  • Bezüglich der in JP 2010 - 37 968 A offenbarten Konfiguration zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Zylinder während des Verdichtungstakts sollte der Kraftstoffdruck indessen auf relativ hoch eingestellt werden, da der Kraftstoff gegen einen hohen Druck in dem Zylinder eingespritzt werden muss und der Kraftstoff zerstäubt werden muss, damit die Verdampfung des Kraftstoffs gefördert wird. Der Kraftstoffdruck wird zum Beispiel durch eine motorbetriebene Hochdruckpumpe angehoben. Wenn aber, wie vorstehend beschrieben, der Motor weiter unter einer großen Last in der Kaltbetriebsphase läuft, was eine signifikante Zunahme der von dem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzten Kraftstoffmenge bewirkt, kann die Hochdruckpumpe den Kraftstoffdruck nicht rechtzeitig anheben. Dadurch nimmt der Kraftstoffdruck allmählich ab. Die Abnahme des Kraftstoffdrucks beeinflusst die Zerstäubung des Kraftstoffs und verringert die Verdampfungsrate des Kraftstoffs. Das resultierende Drehmoment entspricht nicht der in dem Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verschlechtert wird. Die Abnahme des Kraftstoffdrucks vergrößert weiterhin die Kraftstoffmenge, die unverbrannt zurückbleibt, gefolgt von einer Verschlechterung des Abgasemissionsverhaltens.
  • Im Hinblick auf den vorstehenden Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung daher darin, eine Technik zum Vermeiden einer Beeinflussung der Zerstäubung eines Kraftstoffs und einer Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit vorzusehen, wenn sich ein Motor in einer Kaltbetriebsphase (d.h. wenn der Motor bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt) und unter einer großen Last (d.h. wenn der Motor unter mindestens einer vorbestimmten Last steht) befindet.
  • Lösung des Problems
  • Das vorstehend beschriebene Problem könnte gelöst werden, wenn zum Beispiel eine Hochdruckpumpe mit einer größeren Leistung eingesetzt wird, um einen hohen Kraftstoffdruck zu halten, selbst wenn eine relativ große Kraftstoffmenge weiter eingespritzt wird. Das Einsetzen einer großen Hochdruckpumpe führt aber unvermeidbar zu neuen Problemen, wie etwa einer Kostensteigerung, der Abnahme der Anordnungsflexibilität eines kleinen Motorraums und einem Sinken der Kraftstoffwirtschaftlichkeit, die sich bei Antreiben einer solchen Hochdruckpumpe mit einer großen Leistung ergibt.
  • Die vorliegenden Erfinder haben sich daher entschlossen, den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers zu senken, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt, d.h. wenn die in den Zylinder beförderte Kraftstoffmenge zunimmt. Das Begrenzen des maximalen Füllwirkungsgrads bedeutet das Begrenzen der in einen Zylinder zu befördernden maximalen Kraftstoffmenge. Somit wird ein hoher Kraftstoffdruck erfolgreich beibehalten, selbst wenn die Hochdruckpumpe eine relativ kleine Leistung aufweist.
  • Eine hier eigens offenbarte Technik betrifft eine Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor. Die Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor umfasst: einen Motorkörper, der ausgelegt ist, mit einem Kraftstoff zu laufen, der einen unkonventionellen Kraftstoff umfasst, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger als die von Benzin ist; eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, die ausgelegt ist, um den Kraftstoff in einen für den Motorkörper vorgesehenen Zylinder zu befördern, wobei der Druck des Kraftstoffs auf einen vorbestimmten Druck angehoben wurde; und ein Steuergerät, das ausgelegt ist, um den Motorkörper durch Steuern mindestens der Kraftstoffversorgungseinrichtung zu betreiben.
  • Das Steuergerät ist ausgelegt, (i) um den Kraftstoff durch die Kraftstoffversorgungseinrichtung in den Zylinder zu befördern, wenn der Zylinder in einem Ansaugtakt und in einem Verdichtungstakt ist und wenn der Motorkörper sowohl in einer Kaltbetriebsphase ist als auch unter einer großen Last steht, und (ii) um einen oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers zu senken, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt, wobei sich der Motorkörper bei oder unter der vorbestimmten Temperatur in der Kaltbetriebsphase befindet, die an dem Motorkörper angelegte Last groß ist, wenn der Motorkörper unter mindestens einer vorbestimmten Last steht.
  • Der „unkonventionelle Kraftstoff, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger ist als die von Benzin“ kann hier zum Beispiel ein Einkomponenten-Kraftstoff sein. Beispiele solcher unkonventioneller Kraftstoffe umfassen im Einzelnen Alkohole, wie etwa Ethanol und Methanol. Ein bestimmtes Beispiel des Alkohols kann ein biogener Alkohol wie etwa Bioethanol aus Zuckerrohr oder Mais sein.
  • Zudem umfasst der „einen unkonventionellen Kraftstoff umfassende Kraftstoff“ sowohl einen Kraftstoff, der eine Mischung des unkonventionellen Kraftstoff und von Benzin ist, als auch einen Kraftstoff, der im Wesentlichen nur aus dem unkonventionellen Kraftstoff besteht. Das Mischungsverhältnis des unkonventionellen Kraftstoffs und Benzins ist nicht besonders beschränkt, und es kann ein beliebiges vorgegebenes Mischungsverhältnis eingesetzt werden. Der dem Motorkörper zuzuführende Kraftstoff kann ein konstantes Mischungsverhältnis des unkonventionellen Kraftstoffs und Benzins aufweisen. Alternativ kann das Mischungsverhältnis nach Bedarf geändert werden. Wenn der unkonventionelle Kraftstoff Ethanol ist, umfasst der „einen unkonventionellen Kraftstoff umfassende Kraftstoff“ einen Kraftstoff mit einem beliebigen Ethanolgehalt. Im Einzelnen kann der Kraftstoff in den Bereich von E25, bei dem 25% Ethanol mit Benzin gemischt ist, bis E100, das zu 100% aus Ethanol besteht, fallen. Diese Definition schließt aber nicht unbedingt eine Möglichkeit aus, dass ein Kraftstoff ohne einen solchen unkonventionellen Kraftstoff dem Motorkörper geliefert wird. Wenn der unkonventionelle Kraftstoff zum Beispiel Ethanol ist, umfasst der dem Motorkörper zuzuführende „Kraftstoff“ einen Kraftstoff mit einem beliebigen Ethanolgehalt. Der Kraftstoff kann im Einzelnen in den Bereich von Benzin (d.h. E0, das kein Ethanol umfasst) bis E85, bei dem 85% Ethanol mit Benzin vermischt ist, fallen. Weiterhin kann der „einen unkonventionellen Kraftstoff umfassende Kraftstoff“ Wasser enthalten. Somit ist auch E100, das in etwa 5% Wasser enthält, einer der „Kraftstoffe, die einen unkonventionellen Kraftstoff umfassen“. Zu beachten ist, dass der Alkoholgehalt des Kraftstoffs durch beliebige von verschiedenen Verfahren detektiert oder geschätzt werden kann.
  • Die „Verdampfungsrate“ kann hierin als Gewichtsverhältnis des zu der Verbrennung beitragenden Kraftstoffs zu dem in den Zylinder beförderten Kraftstoff definiert sein. Diese Verdampfungsrate kann beruhend auf einem Detektionswert eines an einem Abgaskanal des Motors angebrachten O2-Sensors berechnet werden. Unter einer Bedingung, dass die Temperatur des Motorkörpers kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, kann die Verdampfungsrate sinken, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff zunimmt oder wenn die Temperatur des Motorkörpers fällt.
  • Die „Kraftstoffversorgungseinrichtung“ kann mindestens einen Kraftstofftank, der einen einen unkonventionellen Kraftstoff umfassenden Kraftstoff speichert, eine Hochdruckpumpe, die den Druck des Kraftstoffs anhebt, und ein Kraftstoffeinspritzventil, das den Kraftstoff mit einem angehobenen Druck einspritzt, umfassen. Die Hochdruckpumpe kann ausgelegt sein, um durch den Motorkörper oder durch eine separat von dem Motorkörper vorgesehene Stromquelle angetrieben zu werden. Zum Beispiel kann die Hochdruckpumpe eine elektrische Pumpe sein. Weiterhin kann das Kraftstoffeinspritzventil den Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzen. Zusätzlich zu einem Kraftstoffeinspritzventil einer solchen Direkteinspritzungsart kann der Motorkörper weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil umfassen, das den Kraftstoff in den Ansaugkanal einspritzt.
  • Die Situation, in der „der Motorkörper unter einen großen Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist“ kann als Situation definiert werden, bei der der Motor unter einer großen Last, einschließlich Volllast, läuft. Die Situation, bei der „der Motorkörper unter einer großen Last läuft“, kann auch so definiert werden, dass der Motorkörper in dem Bereich großer Last läuft, wenn der Lastbereich des Motors gleichmäßig in zwei gleiche Bereiche (nämlich einen Bereich leichter Last und den Bereich großer Last) oder drei Bereiche (nämlich einen Bereich leichter Last, einen Bereich mittlerer Last und einen Bereich großer Last) unterteilt ist. Zu beachten ist, dass wie später beschrieben der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers abgesenkt wird, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt. Demgemäß wird die Volllast geändert.
  • Der „Füllwirkungsgrad“ kann wie folgt definiert werden. Im Einzelnen ist der Füllwirkungsgrad das Gewichtsverhältnis von in einen Zylinder gesaugter Luft zu der Einheit ist, die das Gewicht von Luft für einen Zylinder aus der gesamten Verdrängung bei Standardluft (bei 25°C, 1 atm) ist.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration befördert das Steuergerät den Kraftstoff in einen Zylinder, wenn sich der Zylinder in dem Ansaugtakt befindet und wenn sich der Zylinder in der Kaltbetriebsphase, bei der der Motorkörper bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur (d.h. bei einer solchen Temperatur, dass bewirkt wird, dass ein Kraftstoff mit einem hohen Gehalt eines unkonventionellen Kraftstoffs eine verringerte Verdampfungsrate aufweist) und unter einer großen Last (d.h. wenn die an dem Motorkörper angelegte Last größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist oder wenn die in den Zylinder zu befördernde Kraftstoffmenge zunimmt) läuft, in dem Verdichtungstakt befindet.
  • Durch Befördern des Kraftstoffs in den Zylinder, während sich der Zylinder in dem Verdichtungstakt befindet (d.h. durch direktes Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder), wird die Verdampfung des Kraftstoffs durch Nutzen eines Temperaturanstiegs in dem Zylinder durch adiabatische Kompression, die bei Fortschreiten des Verdichtungstakts erzeugt wird, erfolgreich gefördert. Dies ist hoch effektiv, da die Verdampfung des Kraftstoffs gefördert werden kann, selbst wenn bei Verwendung des Krümmerunterdrucks nicht so viel Kraftstoff verdampfbar ist, da der Motorkörper unter einer großen Last steht.
  • Da der Motorkörper unter einer großen Last läuft, steigt zudem die in einen Zylinder zu befördernde Kraftstoffmenge bei einer relativ hohen Rate. Da sich der Motorkörper in der Kaltbetriebsphase befindet, nimmt ferner die Kraftstoffmenge unter Berücksichtigung einer niedrigen Verdampfungsrate des Kraftstoffs weiter zu. Das Zuführen des Kraftstoffs in jedem der Ansaug- und Verdichtungstakte stellt nicht nur einen ausreichend langen Kraftstoffzufuhrzeitraum sicher, sondern auch einen ausreichend langen Zeitraum für die Bildung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches, was für die Zündfähigkeit und Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches vorteilhaft ist. Insbesondere ist es effektiv, den Kraftstoff separat in den Zeiträumen des Ansaug- und des Verdichtungstakts zuzuführen, da ein ausreichend langer Kraftstoffzufuhrzeitraum sichergestellt wird, selbst wenn der Kraftstoff in einer größeren Menge als Benzin benötigt wird. Dies liegt daran, dass der unkonventionelle Kraftstoff Alkohol ist und der Alkoholgehalt in dem Kraftstoff hoch ist.
  • Das derartige Zuführen des Kraftstoffs sowohl im Ansaug- als auch Verdichtungstakt ermöglicht ein Verbessern der Verdampfbarkeit des Kraftstoffs und das Verdampfen einer ausreichend großen Kraftstoffmenge. Verglichen mit einer Konfiguration, bei der der Kraftstoff in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last nur durch den Ansaugtakt zugeführt wird, ermöglicht das Zuführen in jedem der Takte eine weitere Steigerung des maximalen Füllwirkungsgrads und des maximalen Drehmoments.
  • Weiterhin senkt das Steuergerät den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt. Wenn mit anderen Worten die Verdampfungsrate des Kraftstoffs niedrig ist, sinkt die Volllast und daher sinkt auch die zu verbrauchende maximale Kraftstoffmenge. Dies erlaubt es der Kraftstoffversorgungseinrichtung, den Kraftstoff in einer kleineren Menge zuzuführen, selbst wenn der Motorkörper kontinuierlich unter einer Volllast läuft, und einen vorbestimmten Kraftstoffdruck erfolgreich beizubehalten. Folglich wird die Zerstäubung des Kraftstoffs sichergestellt, wodurch eine Abnahme der Verdampfbarkeit des Kraftstoffs vermieden wird. Dadurch entspricht das zu erhaltende Drehmoment der in den Zylinder beförderten Kraftstoffmenge, was eine Maßnahme zum Vermeiden einer Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit vorsieht. Weiterhin nimmt die unverbrannt verbleibende Kraftstoffmenge so stark ab, dass sich auch das Abgasemissionsverhalten verbessert.
  • Hier wird der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads in der vorstehend beschriebenen Konfiguration gesenkt, was die Einschränkung auferlegt, dass das maximale Drehmoment abnimmt, wenn das Gaspedal voll durchgetreten wird. Wie vorstehend beschrieben wird aber der maximale Füllwirkungsgrad durch Zuführen des Kraftstoffs sowohl im Ansaugtakt als auch im Verdichtungstakt erhöht. Selbst wenn der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads gesenkt wird, wird somit immer noch ein relativ hoher Füllwirkungsgrad sichergestellt. Die Fahrleistung in der Kaltbetriebsphase verbessert sich mit anderen Worten. Der Motorkörper läuft hier weiterhin bei voll durchgetretenem Gaspedal unter einer großen Last, so dass die Temperatur des Motorkörpers schnell steigt. Die Verdampfungsrate des Kraftstoffs steigt mit dem Temperaturanstieg des Motorkörpers. Der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads muss also ebenfalls auf einen höheren Wert neu gesetzt werden. Selbst wenn das maximale Drehmoment zunächst begrenzt wird, wird die Begrenzung folglich unmittelbar aufgehoben.
  • Zu beachten ist, dass der abgesenkte obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads auf 0,5 oder höher gesetzt werden kann. Zum Beispiel kann der obere Grenzwert auf 0,6 oder höher gesetzt werden oder kann sogar auf 0,7 oder höher gesetzt werden. Ein solches Festlegen erlaubt ein Sicherstellen eines relativ hohen maximalen Drehmoments, während eine Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit vermieden wird, was zum Erhalten von hohen Werten bei Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Fahrverhalten in der Kaltbetriebsphase beiträgt.
  • Das Steuergerät kann den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers senken, wenn ein Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem in den Zylinder zu befördernden Kraftstoff zunimmt.
  • Wenn die Temperatur des Motorkörpers niedrig ist, sinkt die Verdampfungsrate eines Kraftstoffs, wenn der Kraftstoff einen höheren Anteil des unkonventionellen Kraftstoffs umfasst. Je höher der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff ist, desto niedriger kann folglich der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers festgelegt werden, um wie vorstehend beschrieben eine Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu vermeiden.
  • Das Steuergerät kann den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers senken, wenn die Temperatur des Motorkörpers fällt.
  • Die Verdampfungsrate eines Kraftstoffs, der einen unkonventionellen Kraftstoff umfasst, sinkt, wenn die Temperatur des Motorkörpers fällt. Je niedriger die Temperatur des Motorkörpers ist, desto niedriger kann der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers somit festgelegt werden. Dies trägt wie vorstehend beschrieben zu einem Vermeiden einer Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei.
  • Die Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor kann weiterhin eine Drosselklappe umfassen, die ausgelegt ist, um eine in den Zylinder zu füllende Frischluftmenge anzupassen. Das Steuergerät kann ausgelegt sein, um: Informationen über eine Stellung des Gaspedals zu erhalten und ein Öffnen der Drosselklappe entsprechend der Stellung des Gaspedals anzupassen; und die Öffnung der Drosselklappe mit einem vorbestimmten Steuerungsansprechvermögen auf eine Änderung der Stellung des Gaspedals zu ändern und einen oberen Grenzwert der Öffnung der Drosselklappe zu senken, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt, wenn sich der Motorkörper sowohl in der Kaltbetriebsphase, in der der Motorkörper bei oder unter der vorbestimmten Temperatur liegt, als auch unter der großen Last, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist, befindet.
  • Bei dieser Konfiguration senkt das Steuergerät den oberen Grenzwert der Öffnung der Drosselklappe unter einer bestimmten Bedingung, dass sich der Motorkörper sowohl (i) in der Kaltbetriebsphase, wenn seine Temperatur bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt, als auch (ii) unter der großen Last, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist, befindet. Dies ermöglicht ein Absenken des oberen Grenzwerts des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers. Zudem ändert das Steuergerät die Öffnung der Drosselklappe mit einem vorbestimmten Steuerungsansprechvermögen auf eine Änderung der Gaspedalstellung. Das „vorbestimmte Steuerungsansprechvermögen“ kann hier unter einer anderen Bedingung als der bestimmten Bedingung unter der großen Last in der Kaltbetriebsphase definiert sein. Dies bedeutet, dass das „vorbestimmte Steuerungsansprechvermögen“ hier kein einzigartiges Steuerungsansprechvermögen unter einer bestimmten Bedingung in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last ist. Stattdessen kann der Begriff „vorbestimmtes Steuerungsansprechvermögen“ synonym zu einem gewöhnlichen Steuerungsansprechvermögen gesehen werden.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird die Öffnung der Drosselklappe mit einem vorbestimmten Steuerungsansprechvermögen auf eine Änderung der Gaspedalstellung geändert. Die Öffnung der Drosselklappe wird somit mit einem gewöhnlichen Steuerungsansprechvermögen auf die Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer gesteuert. Folglich ist die Steuerung zwischen der Betätigung des Gaspedals und der Änderung der Drosselklappenöffnung im Wesentlichen die gleiche wie bei normaler Steuerung, es sei denn weder die Gaspedalstellung noch der Füllwirkungsgrad erreicht seinen jeweiligen oberen Grenzwert. Dies trägt zu einer Minderung eines Missbehagens, das der Fahrer während der Fahrt erfahren könnte, und einer Verbesserung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs bei.
  • Wenn das Gaspedal voll durchgetreten wird, nimmt weiterhin das maximale Drehmoment ab, da der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads begrenzt ist. Die Öffnung der Drosselklappe wird jedoch mit normalem Steuerungsansprechvermögen geändert. Dies ermöglicht ein Reduzieren des Verlusts des linearen Beschleunigungsgefühls.
  • Wenn sich der Motorkörper in der Kaltbetriebsphase befindet, in der die Temperatur des Motorkörpers bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt, und die Verdampfungsrate des Kraftstoffs niedrig ist, könnte hier eine andere Art von Steuerung durchgeführt werden, um das Ansprechvermögen einer Änderung der Öffnung der Drosselklappe auf eine Änderung der Gaspedalstellung niedriger als üblich zu machen. Eine solche Steuerung reduziert die Kraftstoffmenge, die bezüglich der Gaspedalstellung erforderlich ist, wodurch wie vorstehend beschrieben ein Vermeiden einer Abnahme des Kraftstoffdrucks ermöglicht wird. Eine solche Steuerung zum Senken des Ansprechvermögens der Änderung der Öffnung der Drosselklappe auf die Änderung der Gaspedalstellung führt jedoch zu einem Scheitern, das Drehmoment schnell genug anzuheben, wenn der Fahrer auf das Gaspedal steigt. Dies lässt den Fahrer einen signifikanten Verlust des linearen Beschleunigungsgefühls erleben. Wenn der Motorkörper in einem regulären Drehzahlbereich läuft, in dem der Motorkörper unter einer leichten oder mittleren Last läuft, steigt zudem das Drehmoment auch nicht schnell genug an, wenn der Fahrer das Gaspedal tritt. Der Fahrer wird dadurch ein Missbehagen verspüren.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird dagegen nur das maximale Drehmoment begrenzt, wenn die Verdampfungsrate des Kraftstoffs in der Kaltbetriebsphase, in der die Temperatur des Motorkörpers bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt, niedrig ist. In diesem Fall unterscheidet sich somit die normalerweise auszuführende Steuerung nicht von der Steuerung in dem regulären Drehzahlbereich, so dass der Fahrer kein Missbehagen verspürt. Dies verhindert ferner auch, dass der Fahrer den Verlust des linearen Beschleunigungsgefühls verspürt, was ebenfalls vorteilhaft ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, befördert die Steuervorrichtung des Fremdzündungsmotors in der Kaltbetriebsphase (d.h. wenn der Motorkörper bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt) und unter einer großen Last (d.h. wenn die an dem Motorkörper angelegte Last größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist) sowohl im Ansaugtakt als auch im Verdichtungstakt einen Kraftstoff in einen Zylinder. Dies ermöglicht somit das Verbessern der Verdampfbarkeit des Kraftstoffs und ein starkes Verbessern des maximalen Füllwirkungsgrads selbst unter einer Bedingung, dass eine relativ große Kraftstoffmenge zugeführt wird. Weiterhin senkt die Steuervorrichtung den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt. Dies ermöglicht es, den Druck des Kraftstoffs hoch genug zu halten, um eine Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu vermeiden. Auch wenn der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads gesenkt wird, führt die Steuervorrichtung zudem den Kraftstoff in den Ansaug- und Verdichtungstakten zu, um den maximalen Füllwirkungsgrad zu verbessern. Dies macht den begrenzten Füllwirkungsgrad relativ hoch, wodurch das Fahrverhalten eines Fahrzeugs in der Kaltbetriebsphase verbessert wird.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt allgemein eine Konfiguration eines Fremdzündungsmotors und seiner Steuervorrichtung.
    • 2 zeigt im Vergleich, wie sich die jeweiligen Destillationsverhältnisse von Benzin und Ethanol mit der Temperatur ändern.
    • 3 zeigt im Vergleich jeweilige Kraftstoffeinspritzzeitpunkte in Kalt- und Warmbetriebsphasen unter einer großen Last.
    • 4 veranschaulicht eine beispielhafte Änderung von Kraftstoffdruck mit der Temperatur eines Motorkühlmittels.
    • 5 veranschaulicht einen beispielhaften Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads bezüglich der Verdampfungsrate eines Kraftstoffs.
    • 6 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das zeigt, wie sich der Füllwirkungsgrad ändert, wenn ein Gaspedal voll durchgetreten wird.
    • 7 zeigt, wie sich das maximale Motordrehmoment entsprechend dem Kraftstoffeinspritzmodus ändert.
  • Beschreibung einer Ausführungsform
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform eines Fremdzündungsmotors beschrieben. Zu beachten ist, dass die nachstehend zu beschreibenden bevorzugten Ausführungsformen nur Beispiele sind. Wie in 1 gezeigt umfasst ein Motorsystem: einen Motor (d.h. einen Motorkörper) 1; verschiedene an dem Motor 1 angebrachte Aktoren; verschiedene Sensoren; und ein Motorsteuergerät 100, das die Aktoren als Reaktion auf von den Sensoren gelieferte Signale steuert. Der Motor 1 dieses Motorsystems weist ein hohes Verdichtungsverhältnis auf (z.B. ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von 12 zu 1 bis 20 zu 1 (z.B. 12 zu 1)).
  • Der Motor 1 ist ein fremdgezündeter Viertaktverbrennungsmotor und umfasst vier Zylinder 11 (d.h. erste bis vierte Zylinder), die in Reihe angeordnet sind. 1 zeigt nur einen der vier Zylinder. Zu beachten ist, dass ein Motor, bei dem die hierin offenbarte Technik verwendbar ist, nicht auf einen solchen Vierzylinder-Reihenmotor beschränkt sein soll. Der Motor 1 ist in einem Fahrzeug, etwa einem Kraftfahrzeug, eingebaut und weist eine (nicht gezeigte) Ausgangswelle ist, die über ein Getriebe mit Antriebsrädern verbunden ist. Das Fahrzeug wird angetrieben, wenn die von dem Motor 1 erzeugte Leistung auf die Antriebsräder übertragen wird.
  • Dieser Motor 1 wird mit einem Kraftstoff, der Ethanol (etwa Bioethanol) umfasst, versorgt. Insbesondere ist dieses Fahrzeug ein FFV, das mit einem Kraftstoff laufen kann, der einen Ethanolgehalt umfasst, der in den Bereich von 25% (d.h. E25 mit einem Benzingehalt von 75%) bis 100% (d.h. E100, das überhaupt kein Benzin umfasst) fällt. E100 kann hier wasserhaltiges Ethanol mit etwa 5% Wasser umfassen, das durch die Destillationsprozesse von Ethanol, das noch vorhanden ist, nicht ausreichend beseitigt wurde. Zu beachten ist, dass die hierin offenbarte Technik nicht auf ein FFV beschränkt werden soll, das E25 bis E100 verwenden soll. Die gleiche Technik ist auch auf ein FFV übertragbar, das mit einem Kraftstoff läuft, dessen Ethanolgehalt in den Bereich von zum Beispiel E0 (d.h. bestehend nur aus Benzin und mit gar keinem Ethanol) bis E85 (d.h. eine Mischung aus 85% Ethanol und 15% Benzin) fällt.
  • Auch wenn dies nicht gezeigt ist, umfasst dieses Fahrzeug einen Kraftstofftank, der nur den vorstehend beschriebenen Kraftstoff speichert (d.h. einen Haupttank). Ein Merkmal dieses Fahrzeugs ist also, dass im Gegensatz zu einem herkömmlichen FFV dieses Fahrzeug keine anderen Subtanks zum Speichern eines Kraftstoffs mit einem hohen Benzingehalt separat von dem Haupttank aufweist. Dieses FFV ist beruhend auf einem benzinbetriebenen Fahrzeug gebaut, das nur mit Benzin läuft. Das FFV und das benzinbetriebene Fahrzeug weisen zum Großteil die gleiche Konfiguration auf.
  • Der Motor 1 umfasst einen Zylinderblock 12 und einen Zylinderkopf 13, der an dem Zylinderblock 12 angebracht ist. Der Zylinderblock 12 weist innen den Zylinder 11 auf. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, weist der Zylinderblock 12 eine Kurbelwelle 14 auf, die von einem Lagerzapfen, einem Lager und anderen Elementen drehbar gelagert wird. Diese Kurbelwelle 14 greift durch eine Pleuelstange 16 mit einem Kolben 15.
  • Jeder Zylinder 11 weist einen Deckenabschnitt mit zwei Rampen auf, die so ausgebildet sind, dass sie sich von einem in etwa mittleren Abschnitt des Deckenabschnitts in die Nähe der Bodenendfläche des Zylinderkopfs 13 erstrecken, und die Rampen neigen sich zueinander, um eine dachartige Struktur zu bilden. Diese Form wird als „Pentroof“ bezeichnet.
  • Jeder Kolben 15 ist in einen entsprechenden Zylinder 11 gleitend eingeführt und legt einen Brennraum 17 zusammen mit dem Zylinder 11 und dem Zylinderkopf 13 fest. Die obere Fläche des Kolbens 15 ist von ihrem umgebenden Abschnitt hin zu ihrem mittleren Abschnitt erhaben, um ein der Pentroof-Form entsprechendes Trapezoid an der Deckenfläche des Zylinders 11 zu bilden. Diese Form reduziert das Volumen des Brennraums, wenn der Kolben 15 am oberen Totpunkt ankommt, und erreicht ein hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis von 12 zu 1 oder mehr. Die obere Fläche des Kolbens 15 weist etwa in ihrer Mitte einen Hohlraum 151 auf, der eine in etwa kugelige Vertiefung ist. Der Hohlraum 151 ist so positioniert, dass er zu einer Zündkerze 51 weist, die in dem mittleren Abschnitt des Zylinders 11 angeordnet ist. Dieser Hohlraum 151 trägt zum Verkürzen eines Verbrennungszeitraums bei. Wie vorstehend beschrieben weist dieser Motor 1 mit einem hohen Verdichtungsverhältnis mit anderen Worten den Kolben 15 auf, dessen obere Fläche erhaben ist. Der Motor 1 ist so ausgelegt, dass bei Ankommen des Kolbens 15 am oberen Totpunkt der Spalt zwischen der oberen Fläche des Kolbens 15 und der Deckenfläche des Zylinders 11 sehr schmal wird. Wenn der Hohlraum 151 nicht gebildet wäre, würde eine anfängliche Flamme die obere Fläche des Kolbens 15 beeinträchtigen, wodurch eine Zunahme des Kühlverlusts hervorgerufen würde, eine Flammenausbreitung gestört würde und sich eine Abnahme der Verbrennungsgeschwindigkeit ergäbe. Dieser Hohlraum 151 vermeidet dagegen eine Beeinträchtigung der anfänglichen Flamme und verhindert kein Wachsen der anfänglichen Flamme. Dadurch nimmt die Flammenausbreitung zu und der Verbrennungszeitraum verkürzt sich. Bezüglich eines Kraftstoffs mit einem hohen Benzingehalt sind solche Merkmale beim Reduzieren von Klopfen vorteilhaft und tragen zu einer Zunahme von Drehmoment aufgrund einer vorverstellten Zündzeit bei.
  • An dem Zylinderkopf 13 jedes Zylinders 11 sind ein Einlasskanal 18 und ein Auslasskanal 19 vorgesehen und kommunizieren jeweils mit dem Brennraum 17. Ein Einlassventil 21 und ein Auslassventil 22 sind so angeordnet, dass sie den Einlasskanal 18 und den Auslasskanal 19 bezüglich des Brennraums 17 jeweils sperren (d.h. verschließen). Das Einlassventil 21 und das Auslassventil 22 werden jeweils von einem Einlassventiltriebmechanismus 30 und einem Auslassventiltriebmechanismus 40 angetrieben. Die angetriebenen Ventile bewegen sich bei vorbestimmten Zeiten wechselseitig, um die Einlass- und Auslasskanäle 18 und 19 zu öffnen und zu schließen.
  • Der Einlassventiltriebmechanismus 30 und der Auslassventiltriebmechanismus 40 umfassen jeweils eine Einlassnockenwelle 31 und eine Auslassnockenwelle 41. Die Nockenwellen 31 und 41 sind mittels eines Leistungsübertragungsmechanismus wie etwa eines bekannten Ketten/Ritzel-Mechanismus mit der Kurbelwelle 14 verriegelt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, dreht der Leistungsübertragungsmechanismus die Nockenwellen 31 und 41 einmal, während die Kurbelwelle 14 zweimal dreht.
  • Der Einlassventiltriebmechanismus 30 umfasst einen Mechanismus für variable Einlassventilzeitsteuerung 32, der die Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils 21 ändern kann. Der Auslassventiltriebmechanismus 40 umfasst einen Mechanismus für variable Auslassventilzeitsteuerung 42, der die Öffnungs- und Schließzeiten des Auslassventils 22 ändern kann. In dieser Ausführungsform umfasst der Mechanismus für variable Einlassventilzeitsteuerung 32 einen hydraulischen, mechanischen oder elektrischen Mechanismus für variable Ventilzeitsteuerung (WT), der ein kontinuierliches Ändern der Phase der Einlassnockenwelle 31 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs ermöglicht. Der Mechanismus für variable Auslassventilzeitsteuerung 42 umfasst einen hydraulischen, mechanischen oder elektrischen VVT-Mechanismus, der ein kontinuierliches Ändern der Phase der Auslassnockenwelle 41 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs ermöglicht. Der Mechanismus für variable Einlassventilzeitsteuerung 32 ändert die Schließzeit des Einlassventils 21, um ein effektives Verdichtungsverhältnis anzupassen. Zu beachten ist, dass das effektive Verdichtungsverhältnis hierin das Verhältnis des Brennraumvolumens bei geschlossenem Einlassventil zu dem Brennraumvolumen bei Vorliegen des Kolbens 15 an dem oberen Totpunkt bezeichnet.
  • Die Zündkerze 51 ist mit einer Verschraubung oder einer anderen bekannten Befestigungsstruktur an dem Zylinderkopf 13 angebracht. Die Zündkerze 51 weist eine Elektrode auf, die in etwa mit der Mitte des Zylinders 11 ausgerichtet ist und zu dem Deckenabschnitt des Brennraums 17 weist. Als Reaktion auf ein Steuersignal von dem Motorsteuergerät 100 liefert ein Zündsystem 52 der Zündkerze 51 elektrischen Strom, so dass die Zündkerze 51 bei einem Sollzündzeitpunkt einen Funken erzeugt.
  • Unter Verwenden eines Trägers oder eines anderen bekannten Befestigungselements ist ein Kraftstoffeinspritzventil 53 in dieser Ausführungsform an einer Seite (d.h. der Einlassseite in 1) des Zylinderkopfs 13 angebracht. Der Motor 1 spritzt Kraftstoff direkt in den Zylinder 11 ein. Der Motor 1 ist mit anderen Worten ein so genannter „Direkteinspritzmotor“. Das Kraftstoffeinspritzventil 53 weist eine in der vertikalen Richtung unter dem Einlasskanal 18 und in der horizontalen Richtung in der Mitte des Zylinders 11 positionierte Spitze auf. Die Spitze ragt in den Brennraum 17. Zu beachten ist, dass die Anordnung des Kraftstoffeinspritzventils 53 nicht darauf beschränkt sein soll. In diesem Beispiel ist das Kraftstoffeinspritzventil 53 eine Mehrloch-Einspritzdüse (d.h. MHI) mit sechs Löchern. Bezüglich der Ausrichtung jedes (nicht gezeigten) Lochs ist die Spitze des Einspritzdüsenlochs hin zu ihrem Ende geweitet, so dass der Kraftstoff im gesamten Raum in dem Zylinder 11 eingespritzt wird. Die MHI ist vorteilhaft, da (i) die Einspritzdüse mehrere Löcher aufweist und jedes Loch einen kleinen Durchmesser aufweist, was das Einspritzen des Kraftstoffs mit einem relativ hohen Druck erlaubt, und (ii) die Einspritzdüse den Kraftstoff im gesamten Raum in dem Zylinder 11 einspritzt, was ein besseres Mischen des Kraftstoffs und Verbessern der Verdampfung und Zerstäubung des Kraftstoffs ermöglicht. Das Einspritzen von Kraftstoff während des Ansaugtakts ist hinsichtlich des Mischens des Kraftstoffs und des Förderns der Verdampfung und Zerstäubung des Kraftstoffs durch Nutzen einer Einlassströmung in dem Zylinder 11 somit vorteilhaft. Das Einspritzen des Kraftstoffs während des Verdichtungstakts ist dagegen hinsichtlich der Kühlen des Gases in dem Zylinder 11 vorteilhaft, da die Verdampfung und Zerstäubung des Kraftstoffs gefördert werden. Zu beachten ist, dass das Kraftstoffeinspritzventil 53 keine MHI sein muss.
  • Ein Kraftstoffversorgungssystem 54 umfasst eine Hochdruckpumpe, die den Druck des Kraftstoffs anhebt und den Kraftstoff hohen Drucks zu dem Kraftstoffeinspritzventil 53, Elementen wie einem Rohr und einem Schlauch, die den Kraftstoff von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe schicken, und einem Schaltkreis, der das Kraftstoffeinspritzventil 53 antreibt, liefert. Zu beachten ist, dass hierin auf deren Darstellung verzichtet wird. In diesem Beispiel wird die Hochdruckpumpe von dem Motor 1 angetrieben. Optional kann die Hochdruckpumpe eine elektrische Pumpe sein. Die Hochdruckpumpe weist eine relativ kleine Leistung auf, wie bei einem benzinbetriebenen Fahrzeug. Wenn das Kraftstoffeinspritzventil 53 eine MHI ist, wird der Kraftstoffeinspritzdruck relativ hoch eingestellt, da der Kraftstoff durch kleine Löcher eingespritzt wird. Der Schaltkreis aktiviert das Kraftstoffeinspritzventil 53 als Reaktion auf ein Steuersignal von dem Motorsteuergerät 100 und lässt das Kraftstoffeinspritzventil 53 bei einem vorbestimmten Zeitpunkt eine Kraftstoffsollmenge in den Brennraum 17 einspritzen. Hier hebt das Kraftstoffversorgungssystem 54 den Kraftstoffdruck an, wenn die Anzahl an Umdrehungen der Motordrehzahl zunimmt. Das Anheben des Kraftstoffdrucks vergrößert die in den Zylinder 11 einzuspritzende Kraftstoffmenge bei einer Zunahme der Anzahl von Umdrehungen des Motors. Der hohe Kraftstoffdruck ist aber hinsichtlich der Verdampfung und Zerstäubung des Kraftstoffs vorteilhaft. Zudem verschmälert der hohe Kraftstoffdruck auch die Pulsweite für die Kraftstoffeinspritzung des Kraftstoffeinspritzventils 53 so gut wie möglich. Der höchste Kraftstoffdruck kann zum Beispiel 20 MPa betragen. Wie vorstehend beschrieben speichert der Kraftstofftank einen alkoholhaltigen Kraftstoff mit einem beliebigen Ethanolgehalt, der in den Bereich von E25 bis E100 fällt.
  • Der Einlasskanal 18 kommuniziert mittels eines Einlassdurchlasses 55b in einem Ansaugkrümmer 55 mit einem Ausgleichsbehälter 55a. Der Luftstrom von einem (nicht gezeigten) Luftfilter wird mittels eines Drosselklappengehäuses 56 dem Ausgleichsbehälter 55a zugeführt. Das Drosselklappengehäuse 56 ist mit einer Drosselklappe 57 versehen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, reduziert diese Drosselklappe 57 den in den Ausgleichstank 55a strömende Luftstrom und steuert seinen Durchsatz. Als Reaktion auf ein von dem Motorsteuergerät 100 geliefertes Steuersignal passt ein Drosselaktor 58 die Öffnung der Drosselklappe 57 an.
  • Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kommuniziert der Auslasskanal 19 mittels eines Auslassdurchlasses in einem Abgaskrümmer 60 mit einem Kanal in einem Abgasrohr. Der Abgaskrümmer 60 umfasst erste Sammler und einen zweiten Sammler (nicht gezeigt). Jeder der ersten Sammler bündelt einzelne Zweigabgasdurchlasses, die mit den jeweiligen Auslasskanälen 19 der Zylinder 11 verbunden sind, so dass die gebündelten einzelnen Abgasdurchlässe in der Reihenfolge des Ablassens nicht zueinander benachbart sind. Der zweite Sammler bündelt dazwischen befindliche Abgasdurchlässe, die stromabwärts der ersten Sammler vorgesehen sind. D.h. der Abgaskrümmer 60 dieses Motors 1 nutzt eine so genannte „4-2-1-Rohranordnung“.
  • Der Motor 1 umfasst ferner einen Anlasser 20 zum Ankurbeln des Motors 1 bei dessen Start.
  • Das Motorsteuergerät 100 ist ein Steuergerät, das auf einem bekannten Mikrocomputer basiert. Das Motorsteuergerät 100 umfasst einen Zentralrechner (CPU), der ein Programm ausführt, einen Speicher, wie etwa einen Arbeitsspeicher (RAM), oder einen Festwertspeicher (ROM), der ein Programm und Daten speichert, sowie einen Eingabe-Ausgabe(I/O)-Bus, durch den ein elektrisches Signal ein- und ausgegeben wird.
  • Das Motorsteuergerät 100 erhält verschiedene Eingänge, einschließlich: den Durchsatz und die Temperatur eines Ansaugluftstroms von einem Luftstromsensor 71; einen Ansaugkrümmerdruck von einem Ansaugdrucksensor 72; ein Kurbelwinkelpulssignal von einem Kurbelwinkelsensor 73; eine Motorkühlmitteltemperatur von einem Kühlmitteltemperatursensor 78; und eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von einem linearen O2-Sensor 79, der an einem Abgasdurchlass angebracht ist. Das Motorsteuergerät 100 berechnet die Anzahl von Umdrehungen des Motors beruhend zum Beispiel auf einem Kurbelwinkelpulssignal. Zudem empfängt das Motorsteuergerät 100 ein Gaspedalstellungssignal von einem Gaspedalstellungssensor 75, der einen Gaspedalweg detektiert. Weiterhin empfängt das Motorsteuergerät 100 ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 76, der eine Drehzahl der Ausgangswelle des Getriebes detektiert. Ferner ist der Zylinderblock 12 weiterhin mit einem Klopfsensor 77 versehen, der einen Beschleunigungssensor umfasst, der Vibrationen des Zylinderblocks 12 in ein Spannungssignal umwandelt, und der das Spannungssignal zu dem Motorsteuergerät 100 ausgibt.
  • Beruhend auf diesen Eingaben berechnet das Motorsteuergerät 100 die folgenden Steuerparameter für den Motor 1. Beispiele der Steuerparameter umfassen ein Signal der Drosselsollöffnung, Kraftstoffeinspritzpuls, Zündsignal und Phasenwinkelsignal eines Ventils. Das Motorsteuergerät 100 gibt diese Signale dann zu dem Drosselaktor 58, dem Kraftstoffversorgungssystem 54, dem Zündsystem 52, dem Mechanismus für variable Einlassventilzeitsteuerung 32, dem Mechanismus für variable Auslassventilzeitsteuerung 42 und anderen Elementen aus. Bei Start des Motors 1 gibt das Motorsteuergerät 100 weiterhin ein Antriebssignal zu dem Anlasser 20 aus.
  • Als eine für ein FFV-Motorsystem einmalige Konfiguration schätzt das Motorsteuergerät 100 hier den Ethanolgehalt des von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 einzuspritzenden Kraftstoffs beruhend auf dem Ergebnis der Detektion durch den linearen O2-Sensor 79. Das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis von Ethanol (9,0) ist kleiner als das von Benzin (14,7). Je höher der Ethanolgehalt des Kraftstoffs ist, desto fetter ist das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (d.h. desto niedriger ist das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis). Wenn unter der Bedingung, dass der Motor bei dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird, unverbrannter Sauerstoff in dem Abgas verbleibt, kann eine Ermittlung angestellt werden, dass der Ethanolgehalt des Kraftstoffs höher als erwartet ist. Im Einzelnen könnte das Betanken des Fahrzeugs den Ethanolgehalt des Kraftstoffs ändern, den das Kraftstoffeinspritzventil 53 einspritzt (d.h. den Ethanolgehalt des in dem Kraftstofftank gespeicherten Kraftstoffs). Somit ermittelt das Motorsteuergerät 100 zunächst beruhend auf einem von einem Füllstandsanzeigesensor des Kraftstofftanks erhaltenen Detektionswert, ob das Fahrzeug betankt wurde. Wenn die Antwort JA lautet, schätzt das Motorsteuergerät 100 den Ethanolgehalt des Kraftstoffs. Beruhend auf dem Ausgabesignal des linearen O2-Sensors 79 schätzt das Motorsteuergerät 100 einen Ethanolgehalt in dem Kraftstoff. Wenn im Einzelnen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, ermittelt das Motorsteuergerät 100, dass der Kraftstoff mehr Benzin enthält. Wenn andererseits das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, ermittelt das Motorsteuergerät 100, dass der Kraftstoff mehr Ethanol enthält. Zu beachten ist, dass statt eines Schätzens des Ethanolgehalts des Kraftstoffs ein Sensor vorgesehen werden kann, um den Ethanolgehalt des Kraftstoffs zu detektieren. Der so geschätzte Ethanolgehalt wird nicht nur zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung, sondern auch zum Steuern der Füllwirkungsgradanpassung verwendet, wie später beschrieben wird.
  • Das Motorsteuergerät 100 berechnet weiterhin die Verdampfungsrate des in den Zylinder 11 beförderten Kraftstoffs beruhend auf dem Ergebnis der Detektion durch den linearen O2-Sensor 79. Die Verdampfungsrate ist definiert als das Gewichtsverhältnis des zu der Verbrennung beitragenden Kraftstoffs zu dem in den Zylinder beförderten Kraftstoff (d.h. der von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 eingespritzten Kraftstoffmenge). Das Motorsteuergerät 100 berechnet das Gewicht des zu der Verbrennung beitragenden Kraftstoffs beruhend auf dem Luft/KraftstoffVerhältnis des Luft/Kraftstoff-Gemisches und dem von dem linearen O2-Sensor 79 erhaltenen Detektionswert und berechnet die Verdampfungsrate beruhend auf dem berechneten Kraftstoffgewicht und der von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 eingespritzten Kraftstoffmenge. Die so berechnete Verdampfungsrate wird ebenfalls zum Steuern der Füllwirkungsgradanpassung verwendet, wie später beschrieben wird.
  • (Steuern des Motors in der Kaltbetriebsphase unter hoher Last)
  • Wie vorstehend beschrieben ist dieses Motorsystem in einem FFV eingebaut. Der Motor 1 wird mit einem alkoholhaltigen Kraftstoff, mit einem beliebigen Ethanolgehalt, der in den Bereich von E25 bis E100 fällt, versorgt. 2 zeigt im Vergleich die jeweilige Verdampfbarkeit von Benzin und Ethanol. Zu beachten ist, dass 2 zeigt, wie sich die Destillationsverhältnisse (%) von Benzin und Ethanol jeweils ändern, wenn sich die Temperatur unter Atmosphärendruck ändert. Benzin ist ein Mehrkomponenten-Kraftstoff und verdampft gemäß dem Siedepunkt jeder Komponente. Das Destillationsverhältnis von Benzin ändert sich mit Temperatur in etwa linear. Somit können manche Benzinkomponenten verdampfen, um ein verbrennbares Luft/Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, selbst wenn die Temperatur des Motors 1 relativ niedrig ist.
  • Ethanol dagegen ist ein Einkomponenten-Kraftstoff und sein Destillationsverhältnis wird bei oder unter einer bestimmten Temperatur (d.h. 78°C, was der Siedepunkt von Ethanol ist) 0%. Sein Destillationsverhältnis erreicht dagegen 100%, sobald die bestimmte Temperatur überschritten wird. Der Vergleich zwischen Benzin und Ethanol zeigt somit, dass Ethanol bei oder unter der bestimmten Temperatur ein niedrigeres Destillationsverhältnis als Benzin hat. Ethanol neigt aber dazu, ein höheres Destillationsverhältnis als Benzin aufzuweisen, sobald die bestimmte Temperatur überschritten wird. Wenn sich der Motor 1 in der Kaltbetriebsphase befindet, d.h. wenn die Temperatur des Motors 1 bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt (z.B. wenn die Kühlmitteltemperatur niedriger als etwa 20°C ist), weist somit ein ethanolhaltiger Kraftstoff eine niedrigere Verdampfungsrate als Benzin auf. Wenn sich der Motor 1 in der Kaltbetriebsphase befindet, sinkt folglich die Verdampfungsrate des Kraftstoffs, wenn die Temperatur des Motors 1 fällt und wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs zunimmt.
  • Wie ersichtlich ist, ändert sich die Verdampfungsrate des Kraftstoffs abhängig von der Temperatur des Motors 1 und dem Ethanolgehalt des Kraftstoffs. Um eine Sollmenge verdampften Kraftstoffs zu erreichen, nimmt das Motorsteuergerät 100 gemäß der Verdampfung des Kraftstoffs somit eine augmentierende Korrektur einer Grundkraftstoffmenge vor, die beruhend zum Beispiel auf einer Motorlast und einem Alkoholgehalt festzulegen ist. Die von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 einzuspritzende Kraftstoffmenge wird somit mit anderen Worten vergrößert, wenn die Verdampfungsrate des Kraftstoffs sinkt. Wenn sich der Motor 1 unter großer Last in der Kaltbetriebsphase befindet, wird somit aufgrund der großen Last mehr Kraftstoff verbraucht und die Größenordnung der vorzunehmenden Aufwärtskorrektur steigt, da die Verdampfungsrate des Kraftstoffs niedrig ist. Dadurch kann eine extrem große Kraftstoffmenge durch das Kraftstoffeinspritzventil 53 eingespritzt werden. Da Ethanol ein kleineres theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis als Benzin aufweist, steigt zudem die einzuspritzende Kraftstoffmenge, wenn der Ethanolgehalt in dem Kraftstoff steigt.
  • 3 zeigt eine beispielhafte Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung, wenn der Motor 1 unter einer großen Last läuft. Zu beachten ist, dass 3 die Kraftstoffeinspritzzeitsteuerung konzeptuell andeutet und nicht einen Kraftstoffeinspritzzeitraum zeigt, In der Kaltbetriebsphase, d.h. wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt (z.B. unter etwa 20°C, wie vorstehend beschrieben) und die einzuspritzende Kraftstoffmenge signifikant ansteigt, wenn die Verdampfungsrate des Kraftstoffs abnimmt, spritzt das Motorsteuergerät 100 den Kraftstoff während jeweils den Ansaug- und Verdichtungstakten in den Zylinder 11 ein, wie in 3 durch die durchgehenden Linien angedeutet ist.
  • Von einer Aufwärmphase zu einer Warmbetriebsphase, d.h. wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 die vorbestimmte Temperatur übersteigt, so dass die Verdampfungsrate des Kraftstoffs steigt und die einzuspritzenden Kraftstoffmenge vergleichsweise sinkt, spritzt das Motorsteuergerät 100 dagegen den Kraftstoff nur während des Ansaugtakts in den Zylinder 11 ein, wie in 3 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.
  • 4 zeigt indessen, wie sich der Kraftstoffdruck mit einer Kühlmitteltemperatur des Motors 1 ändert. Wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 bei oder unter T1 (z.B. 0°C) liegt, setzt das Motorsteuergerät 100 den Kraftstoffdruck durch das Kraftstoffversorgungssystem 54 auf P1 (z.B. 20 MPa). Wenn dagegen die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 T2 (z.B. 0°C) übersteigt, setzt das Motorsteuergerät 100 den Kraftstoffdruck auf P2 (z.B. 17 MPa). Wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 zwischen T1 und T2 liegt, veranlasst das Motorsteuergerät 100 das Kraftstoffversorgungssystem 54, den Kraftstoffdruck linear von P1 zu P2 zu ändern, wenn sich die Motorkühlmitteltemperatur ändert. Zu beachten ist, dass die Eigenschaft des Kraftstoffdrucks nicht auf die in 4 gezeigte beschränkt sein soll. Zum Beispiel kann der Kraftstoffdruck auf P1 gesetzt werden, wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt. Der Kraftstoffdruck kann dagegen auf P2 gesetzt werden, wenn die Kühlmitteltemperatur die vorbestimmte Temperatur übersteigt.
  • Eine Verdichtungstakteinspritzung fördert die Verdampfung des Kraftstoffs durch Nutzen der Temperatur in dem Zylinder 11, die verbunden mit adiabatischer Kompression während des Verdichtungstakts steigt. Wie vorstehend beschrieben ist dieser Motor 1 beim Verdampfen des Kraftstoffs dank seiner hohen Verdichtungsendtemperatur aufgrund des hohen geometrischen Verdichtungsverhältnisses sehr vorteilhaft. Während der Verdichtungstakteinspritzung zum Beispiel kann die Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder 11 verzögert werden, bis die Temperatur und der Druck in dem Zylinder 11 Werte erreichen, bei denen das Ethanol bereit ist zu verdampfen. Dies ermöglicht ein Verdampfen des Ethanols unmittelbar nach seinem Einspritzen in den Zylinder 11. Der Kraftstoff kann zum Beispiel während der zweiten Hälfe des Verdichtungstakts (d.h. der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts, wenn der Verdichtungstakt quasi in die erste und zweite Hälfte unterteilt ist) in den Zylinder 11 eingespritzt werden. Es ist zu empfehlen, dass zum Bilden eines Luft/Kraftstoff-Gemisches zwischen dem Endpunkt der Kraftstoffeinspritzung und dem Zündzeitpunkt ein ausreichend langer Zeitraum vorgesehen wird. Die Kraftstoffeinspritzung kann somit während der ersten Hälfte des Verdichtungstakts oder während des Ansaugtakts gestartet werden, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge so groß ist, dass ein langer Kraftstoffeinspritzzeitraum benötigt wird.
  • Zudem wird durch eine Zunahme des Kraftstoffdrucks die Zerstäubung des Kraftstoffs gefördert, wenn die Temperatur des Motors 1 niedrig ist. Dies trägt somit vorteilhaft zum Verbessern der Verdampfbarkeit des Kraftstoffs bei. Weiterhin macht ein höherer Kraftstoffdruck den Einspritzzeitraum kürzer, wenn die gleiche Menge Kraftstoff eingespritzt wird. Dies ist beim Verkürzen des Einspritzzeitraums in der Kaltbetriebsphase vorteilhaft, wenn die Kraftstoffmenge relativ groß ist.
  • Wie vorstehend beschrieben wird unter Berücksichtigung, dass die Verdampfungsrate abnimmt, wenn sich der Motor 1 in der Kaltbetriebsphase befindet, die Kraftstoffeinspritzmenge durch Steigerung korrigiert. In diesem Fall könnte die Verdichtungstakteinspritzung allein nicht in der Lage sein, einen ausreichenden Kraftstoffeinspritzzeitraum sicherzustellen. Durch das Kraftstoffeinspritzventil 53 spritzt das Motorsteuergerät 100 somit den Kraftstoff zusätzlich zu während des Verdichtungstakts auch während des Ansaugtakts ein. Dieser Betrieb stellt einen ausreichend langen Kraftstoffeinspritzzeitraum sicher. Zudem ist die Ansaugtakteinspritzung beim Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches unter Nutzen eines starken Ansaugstroms vorteilhaft. Ferner stellt das Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder 11 während des Ansaugtakts einen ausreichend langen Zeitraum zum Bilden des Luft/Kraftstoff-Gemisches sicher. Somit ist es von größtem Vorteil, die Ansaugtakteinspritzung mit der Verdichtungstakteinspritzung zu kombinieren, die bei der Verbesserung der Verdampfung des Kraftstoffs überragend ist, um die Zündfähigkeit und Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches zu verbessern.
  • Die Ansaugtakteinspritzung ist beim Verdampfen des Kraftstoffs aufgrund des durch Krümmerunterdruck hervorgerufenen Flash-Boiling-Effekts vorteilhaft, wenn die Last des Motors 1 in einen relativ niedrigen Bereich fällt. In diesem Fall läuft der Motor 1 aber bei einem niedrigen Krümmerunterdruck unter einer großen Last und die Verdampfung des Kraftstoffs durch den Flash-Boiling-Effekt ist kaum zu erwarten. Das Ausführen der Verdichtungstakteinspritzung, während sich der Motor 1 in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last befindet, ist somit beim erfolgreichen Verdampfen des Kraftstoffs vorteilhaft, wenn der Krümmerunterdruck nicht genutzt werden kann.
  • Zu beachten ist, dass, wenn ein Motor zum Beispiel nur mit einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Ansaugkanal ausgestattet ist, ein solcher Motor keine Takteinspritzung, sondern die Ansaugtakteinspritzung ausführen kann. Ein solche Motor hat keine andere Wahl, als Krümmerunterdruck zu nutzen, um eine Verdampfung des Kraftstoffs sicherzustellen, wenn sich der Motor unter einer großen Last in der Kaltbetriebsphase befindet, in der die Verdampfungsrate des Kraftstoffs abnimmt. Die Öffnung der Drosselklappe 57 wird somit zum Beispiel verringert, um den Krümmerunterdruck zu steigern. Wenn der Motor mit anderen Worten ausgelegt ist, um während der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last nur die Ansaugtakteinspritzung auszuführen, wird der Füllwirkungsgrad signifikant begrenzt, und dies trifft entsprechend auf das maximale Drehmoment zu.
  • Der Motor 1 der vorliegenden Anmeldung führt dagegen unter einer großen Last in der Kaltbetriebsphase sowohl die Ansaugtakteinspritzung als auch die Verdichtungstakteinspritzung aus und stellt, wie vorstehend beschrieben, die Verdampfung des Kraftstoffs durch die Verdichtungstakteinspritzung sicher. Somit ist es nicht länger erforderlich, den Krümmerunterdruck zu erhöhen. Folglich beseitigt der Motor 1 erfolgreich die Beschränkung des maximalen Füllwirkungsgrads, die ansonsten erfüllt würde, um den Krümmerunterdruck sicherzustellen, und steigert sein maximales Drehmoment. Zusätzlich zu dem Kraftstoffeinspritzventil 53 für Direkteinspritzung kann der Motor 1 optional weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil umfassen, das den Kraftstoff in den Ansaugkanal einspritzt.
  • In der Warmbetriebsphase des Motors 1 wird die Verdampfungsrate unabhängig vom Ethanolgehalt des Kraftstoffs verglichen mit der Kaltbetriebsphase, in der der Motor 1 die Ansaugtakteinspritzung und die Verdichtungstakteinspritzung ausführt, relativ hoch. Es besteht somit Bedarf, die Verdampfungsrate durch eine Verdichtungstakteinspritzung zu steigern. Der Kraftstoff wird somit nur während des Ansaugtakts eingespritzt. Dies ermöglicht das Verwenden des Ansaugstroms und das Sicherstellen eines ausreichend langen Zeitraums zum Bilden des Luft/KraftstoffGemisches, was somit zum Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches beiträgt. Folglich wird die Verbrennungsstabilität besser. Zu beachten ist, dass die Warmbetriebsphase, in der die Verdampfbarkeit des Kraftstoffs besser wird, die Notwendigkeit eines hohen Kraftstoffdrucks beseitigt und der Kraftstoffdruck vergleichsweise verringert werden kann. Dies ermöglicht eine Reduzierung der mechanischen Festigkeit des Motors und bringt den Vorteil der Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit mit sich.
  • Zudem senkt in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last dieses Motorsystem somit den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads, wenn die Verdampfungsrate des Kraftstoffs sinkt (d.h. das Motorsystem senkt den maximalen Füllwirkungsgrad). Dies ist äquivalent zu einem Verringern der maximalen Öffnung der Drosselklappe 57.
  • 5 zeigt einen beispielhaften Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads bezüglich der Verdampfungsrate des Kraftstoffs. Dieser Beziehungsausdruck wird beruhend auf zum Beispiel Ergebnissen von Experimenten vorab festgelegt und in dem Motorsteuergerät 100 gespeichert. Ein Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads kann auch als Abnahme des maximalen Füllwirkungsgrads bezeichnet werden. Das Setzen eines hohen Grenzwerts für den maximalen Füllwirkungsgrad ist äquivalent zu einem Setzen eines niedrigen maximalen Füllwirkungsgrads. Das Setzen eines niedrigen Grenzwerts und eines Grenzwerts von Null für den maximalen Füllwirkungsgrad sind jeweils äquivalent zu einem Setzen eines hohen maximalen Füllwirkungswirkungsgrads und einem Setzen keines Grenzwerts für den maximalen Füllwirkungsgrad. Der in 5 als Beispiel gezeigte Beziehungsausdruck zeigt, dass der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads auf null gesetzt wird, wenn die Verdampfungsrate eine vorbestimmte Rate r1 übersteigt. Der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads wird dagegen bei Sinken der Verdampfungsrate angehoben, wenn die Verdampfungsrate kleiner oder gleich der vorbestimmten Rate r1 ist. Wie vorstehend beschrieben ist die Verdampfungsrate des Kraftstoffs niedrig, wenn die Temperatur des Motors 1 niedrig ist. Der Beziehungsausdruck in 5 zeigt mit anderen Worten an, dass der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads auf null gesetzt wird, wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors 1 eine vorbestimmte Temperatur übersteigt. Der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads wird dagegen bei Fallen der Kühlmitteltemperatur angehoben, wenn die Kühlmitteltemperatur bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur liegt. Zudem sinkt die Verdampfungsrate des Kraftstoffs, wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs bei einer niedrigen Temperatur höher ist. Der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads wird somit noch anders ausgedrückt auf null gesetzt, wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs unter einem vorbestimmten Wert liegt. Der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads wird dagegen bei Steigen des Ethanolgehalts angehoben, wenn der Ethanolgehalt größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist.
  • Durch Senken des oberen Grenzwerts des maximalen Füllwirkungsgrads, wie vorstehend beschrieben, kann das maximale Drehmoment, das erhalten wird, wenn das Gaspedal voll durchgetreten wird, begrenzt werden. Die durch das Kraftstoffeinspritzventil 53 einzuspritzende Kraftstoffmenge ist aber stattdessen erfolgreich reduzierbar. Dies ermöglicht ein Drosseln der Verringerung des Kraftstoffdrucks, um eine Verschlechterung nicht nur der Kraftstoffwirtschaftlichkeit, sondern auch des Abgasemissionsverhaltens zu vermeiden.
  • Wie vorstehend beschrieben steigt die Kraftstoffeinspritzmenge mit anderen Worten in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last zum Teil aufgrund einer Abnahme der Verdampfungsrate aufgrund einer niedrigen Temperatur. Die Kraftstoffeinspritzmenge steigt insbesondere weiter, wenn der Kraftstoff mehr Ethanol als Benzin enthält. Dadurch steigt die von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 während eines Zyklus eingespritzte Kraftstoffmenge signifikant. Somit wird diese extrem große Kraftstoffmenge weiter eingespritzt, wenn der Motor 1 weiter unter einer Volllast läuft. Wie vorstehend beschrieben weist die motorbetriebene Hochdruckpumpe in dem Kraftstoffversorgungssystem 54 dagegen eine relativ kleine Leistung auf. Wenn die extrem große Kraftstoffmenge weiter eingespritzt wird, kann die Hochdruckpumpe somit den Kraftstoffdruck nicht rechtzeitig anheben. Dadurch nimmt der Kraftstoffdruck allmählich ab. Die Abnahme des Kraftstoffdrucks beeinflusst die Zerstäubung und Verdampfbarkeit des Kraftstoffs. Dadurch sinkt das Verbrennungsvermögen und der Motor kann nicht so viel Drehmoment erzeugen, wie aus der eingespritzten Kraftstoffmenge erhalten werden sollte.
  • Wenn dagegen der obere Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads gesenkt wird, nimmt die maximale Kraftstoffmenge ab, selbst wenn der Motor 1 bei einer Volllast läuft. Somit wird ein hoher Kraftstoffdruck erfolgreich beibehalten, selbst wenn die Hochdruckpumpe eine relativ kleine Leistung aufweist. Dadurch wird die Abnahme des Verbrennungsvermögens vermieden, was das Vermeiden einer Kraftstoffwirtschaftlichkeitsverschlechterung und einer Abgasemissionsverhaltensverschlechterung ermöglicht, da die Menge unverbrannten Kraftstoffs abnimmt.
  • Als Nächstes wird nachstehend unter Bezugnahme auf das in 6 gezeigte Zeitsteuerungsdiagramm näher beschrieben, wie der Motor in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last zu steuern ist. 6 veranschaulicht eine beispielhafte Änderung der Gaspedalstellung, wenn das Gaspedal in der Kaltbetriebsphase des Motors 1 voll durchgetreten wird (siehe den unteren Graphen in 6), und eine entsprechende Änderung des Füllwirkungsgrads (siehe der obere Graph in 6). Dies entspricht der Situation, bei der der Fahrer das Gaspedal voll durchtritt, wenn das Fahrzeug nach einem Kaltstart des Motors angehalten hat. In dem oberen Graph von 6 zeigt die Ein-Punkt-Strichlinie den maximalen Füllwirkungsgrad, wenn der Kraftstoff während der Kaltbetriebsphase sowohl im Ansaug- als auch Verdichtungstakt eingespritzt wird, wie in 3 gezeigt ist.
  • Wenn sich das Gaspedal bei der voll durchgetretenen Stellung befindet, wie sie in dem unteren Graphen von 6 gezeigt ist, erreicht der Füllwirkungsgrad zunächst einen vorbestimmten Wert, der der voll durchgetretenen Gaspedalstellung entspricht, wie in dem oberen Graphen in 6 gezeigt ist. In 6 wird hier der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads entsprechend dem Beziehungsausdruck in 5 niedriger als der in 6 durch die Ein-Punkt-Strichlinie angedeutete maximale Füllwirkungsgrad festgelegt, da die Verdampfungsrate des Kraftstoffs niedrig ist. Der maximale Füllwirkungsgrad wird mit anderen Worten begrenzt (siehe die durchgehende Linie). Das Motorsteuergerät 100 begrenzt die Öffnung der Drosselklappe 57 auf einen kleineren Wert als die maximale Öffnung, wodurch der maximale Füllwirkungsgrad begrenzt wird. Wenn der Füllwirkungsgrad so begrenzt wird, spritzt das Kraftstoffeinspritzventil 53 somit eine kleinere Kraftstoffeinspritzmenge ein. Dadurch wird eine allmähliche Abnahme des Kraftstoffdrucks in einer Situation, in der das Gaspedal voll durchgetreten gehalten wird, erfolgreich vermieden, selbst wenn die Hochdruckpumpe eine relativ kleine Leistung aufweist. Der hohe Kraftstoffdruck erlaubt ein ausreichendes Zerstäuben des Kraftstoffs, um eine Verschlechterung der Verdampfung des Kraftstoffs zu vermeiden. Dies ermöglicht ein Halten des maximalen Drehmoments bei einem relativ hohen Wert.
  • Zu beachten ist, dass, wenn der Motor 1 bei einer solchen Volllast weiter laufen gelassen wird, wie vorstehend beschrieben, die Temperatur des Motors 1 unmittelbar ansteigt. Demgemäß steigt die Verdampfungsrate des in den Zylinder 11 beförderten Kraftstoffs allmählich. Dadurch rückt der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads näher an Null heran, wie in 5 gezeigt ist. Wenn der Motor 1 einen Wechsel zur Aufwärmphase oder zur Warmbetriebsphase vornimmt, bewegt sich somit der Grenzwert des maximalen Füllwirkungsgrads auf null. Wie ersichtlich ist, wird der maximale Füllwirkungsgrad nur für einen relativ kurzen Zeitraum begrenzt und der Motor 1 wird unter einer Volllast weiter betrieben. Folglich steigt das maximale Drehmoment allmählich. Dies dient zum Reduzieren des Verlusts des linearen Beschleunigungsgefühls.
  • Wie in 6 durch die durchgehende Linie angedeutet ist, wird die vorstehend beschriebene Motorsteuerung nur zum Zweck des Begrenzens des maximalen Füllwirkungsgrads ausgeführt. Das Ansprechvermögen der Änderung bei der Öffnung der Drosselklappe 57 auf die Änderung der Gaspedalstellung unterscheidet sich somit nicht von dem während einer regulären Betriebsphase, die sich von der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last unterscheidet. Das Drehmoment steigt somit schnell genug, wenn der Fahrer auf das Gaspedal tritt, was zu einem Verringern eines Missbehagens beiträgt, das der Fahrer während der Fahrt verspüren könnte, während der Fahrer ein lineares Beschleunigen des Fahrzeugs wahrnehmen kann. Wenn sich das Gaspedal bei einer teilweise betätigten Stellung befindet, unterliegt der maximale Füllwirkungsgrad zudem keinem Grenzwert. Dies ist mit anderen Worten äquivalent zu einem Nichtausführen dieser Steuerung, wenn der Motor 1 unter einer leichten oder mittleren Last steht, selbst wenn sich der Motor 1 in der Kaltbetriebsphase befindet. Dies trägt ebenfalls vorteilhaft zum Eliminieren des Missbehagens des Fahrers bei.
  • Wie durch die Strichlinie in dem oberen Graphen von 6 angedeutet ist, kann dagegen eine andere Art von Steuerung ausgeführt werden, um die Kraftstoffeinspritzmenge durch Verzögern des Ansprechvermögens der Änderung der Öffnung der Drosselklappe 57 auf die Änderung der Gaspedalstellung zu begrenzen und um die Situation zu vermeiden, bei der der Kraftstoffdruck allmählich sinkt. Eine solche Steuerung kann aber das Drehmoment nicht schnell anheben, wenn der Fahrer das Gaspedal tritt, was den Fahrer ein Missbehagen und den Verlust des linearen Beschleunigungsgefühls verspüren lässt. Diese Steuerung unterscheidet sich von einer solchen transienten Steuerung.
  • In dem oberen Graphen von 6 stellt die Zweipunkt-Strichlinie den maximalen Füllwirkungsgrad dar, wenn der Kraftstoff nur während des Ansaugtakts eingespritzt wird. Wenn wie vorstehend beschrieben nur die Ansaugtakteinspritzung während der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last ausgeführt wird, wird die Öffnung der Drosselklappe 67 verringert, so dass die verringerte Öffnung den Krümmerunterdruck sicherstellt. Folglich beträgt der maximale Füllwirkungsgrad nicht mehr als etwa 0,4.
  • Die in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last ausgeführte Verdichtungstakteinspritzung ermöglicht dagegen das Sicherstellen der Verdampfbarkeit des Kraftstoffs. Verglichen mit der Situation, bei der nur die Ansaugtakteinspritzung ausgeführt wird, wird der maximale Füllwirkungsgrad in der Kaltbetriebsphase unter einer großen Last verglichen mit dem Ausführen beider Takteinspritzungen signifikant gesteigert. Der obere Grenzwert des Füllwirkungsgrads wird gemäß der Verdampfungsrate des Kraftstoffs gesenkt. Der signifikant gesteigerte maximale Füllwirkungsgrad ermöglicht dagegen ein Festlegen des oberen Grenzwerts des Füllwirkungsgrads in dem Bereich von 0,5 bis 0,7. Selbst wenn der maximale Füllwirkungsgrad begrenzt wird, ermöglicht diese Steuerung mit anderen Worten das Erreichen eines relativ hohen Drehmoments, was das Erhalten hoher Werte bei Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Fahrverhalten in der Kaltbetriebsphase ermöglicht.
  • 7 zeigt diesbezüglich im Vergleich maximale Drehmomente in Verbindung mit unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzmodi. In 7 ist der verwendete Kraftstoff E95 mit einem hohen Ethanolgehalt, dessen Verdampfungsrate bei einer niedrigen Temperatur sinkt. In 7 werden zudem Steuerungsparameter wie etwa eine Änderung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts und eine Begrenzung des maximalen Füllwirkungsgrads gemäß einer Änderung der Motortemperatur geändert. Andere Steuerungsparameter wie etwa Zündzeitpunkt werden aber nicht geändert.
  • Zunächst deutet die Zwei-Punkt-Strichlinie in 7 eine Volllast des Motors an, der lediglich mit einem Kraftstoffeinspritzventil ausgestattet ist, das Kraftstoff in den Ansaugkanal einspritzt. Dies ist äquivalent zu einer Situation, bei der in der Kaltbetriebsphase (d.h. -5°C) nur die Ansaugtakteinspritzung ausgeführt wird. Wie ersichtlich ist, sinkt das maximale Drehmoment, wenn in der Kaltbetriebsphase nur die Ansaugtakteinspritzung ausgeführt wird.
  • Die Linie mit den „Kreuzen“ in 7 deutet dagegen eine Volllast an, die beobachtet wird, wenn in der Kaltbetriebsphase die Ansaugtakteinspritzung und die Verdichtungstakteinspritzung ausgeführt werden. Verglichen mit der Situation, bei der nur die Ansaugtakteinspritzung ausgeführt wird, wird das maximale Drehmoment signifikant erhöht.
  • Weiterhin deutet die Linie mit den „weißen Dreiecken“ in 7 eine Volllast an, wenn die Temperatur des Motors steigt (d.h. 20°C in der Aufwärmphase), und es werden sowohl die Ansaugtakteinspritzung als auch die Verdichtungstakteinspritzung ausgeführt. Verglichen mit der Kaltbetriebsphase steigt das maximale Drehmoment aufgrund der Lockerung des Grenzwerts des maximalen Füllwirkungsgrads. Die Linie mit den „schwarzen Quadraten“ in 7 deutet zudem eine Volllast an, wenn die Temperatur des Motors weiter steigt und der Motor die Aufwärmphase (d.h. 90°C) erreicht. Da sich der Motor in der Aufwärmphase befindet, wird der Kraftstoff nur in dem Ansaugtakt eingespritzt und der maximale Füllwirkungsgrad unterliegt keiner Begrenzung. Hier wird in der Aufwärmphase nur die Ansaugtakteinspritzung ausgeführt. Die Kühlwirkung der Ansaugluft steigert somit den Füllwirkungsgrad und das resultierende maximale Drehmoment wird sehr hoch.
  • Zu beachten ist, dass die vorstehend beschriebene Konfiguration auf FFV-Motoren gerichtet ist. Statt FFV-Motoren ist die Technik der vorliegenden Offenbarung breit bei Fremdzündungsmotoren verwendbar, die mit einem Kraftstoff, der einen unkonventionellen Kraftstoff wie Alkohol enthält, versorgt werden.
  • Zudem soll bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration während der Verdichtungs- und Ansaugtakte eine einzelne Einspritzung ausgeführt wird. Es können aber während jedes dieser Takte mehrere geteilte Einspritzungen ausgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Motor (Motorkörper)
    11
    Zylinder
    100
    Motorsteuergerät
    53
    Kraftstoffeinspritzventil (Kraftstoffversorgungseinrichtung)
    54
    Kraftstoffversorgungssystem (Kraftstoffversorgungseinrichtung)
    57
    Drosselklappe

Claims (4)

  1. Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Motorkörper, der ausgelegt ist, mit einem Kraftstoff zu laufen, der einen unkonventionellen Kraftstoff umfasst, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger als die von Benzin ist; eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, die ausgelegt ist, um den Kraftstoff in einen für den Motorkörper vorgesehenen Zylinder zu befördern, wobei der Druck des Kraftstoffs auf einen vorbestimmten Druck angehoben wurde; und ein Steuergerät, das ausgelegt ist, um den Motorkörper durch Steuern mindestens der Kraftstoffversorgungseinrichtung zu betreiben, wobei das Steuergerät ausgelegt ist, (i) um den Kraftstoff durch die Kraftstoffversorgungseinrichtung in den Zylinder zu befördern, wenn der Zylinder in einem Ansaugtakt und in einem Verdichtungstakt ist und wenn der Motorkörper sowohl in einer Kaltbetriebsphase ist und unter einer großen Last steht, und (ii) um zum Reduzieren von in den Zylinder zu saugender Luft einen oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers zu senken, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt, wobei sich der Motorkörper bei oder unter der vorbestimmten Temperatur in der Kaltbetriebsphase befindet, die an dem Motorkörper angelegte Last groß ist, wenn der Motorkörper aufgrund einer Betätigung eines Gaspedals unter mindestens einer vorbestimmten Last steht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät ausgelegt ist, um den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers zu senken, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem in den Zylinder zu befördernden Kraftstoff zunimmt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuergerät den oberen Grenzwert des Füllwirkungsgrads des Motorkörpers senkt, wenn die Temperatur des Motorkörpers fällt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, welche weiterhin umfasst eine Drosselklappe, die ausgelegt ist, um eine in den Zylinder zu füllende Frischluftmenge anzupassen, wobei das Steuergerät ausgelegt ist, um: Informationen über eine Stellung des Gaspedals zu erhalten und eine Öffnung der Drosselklappe entsprechend der Stellung des Gaspedals anzupassen; und die Öffnung der Drosselklappe mit einem vorbestimmten Steuerungsansprechvermögen auf eine Änderung der Stellung des Gaspedals zu ändern und einen oberen Grenzwert der Öffnung der Drosselklappe zu senken, wenn die Verdampfungsrate des in den Zylinder beförderten Kraftstoffs abnimmt, wenn sich der Motorkörper sowohl in der Kaltbetriebsphase, in der der Motorkörper bei oder unter der vorbestimmten Temperatur liegt, als auch unter der großen Last, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist, befindet.
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