DE112014001974T5 - Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor - Google Patents

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Abstract

Ein Steuergerät (ein Motorsteuergerät 100) ermöglicht das Zuführen eines Kraftstoffs in einen Zylinder 11 in einem Bereich von einem Ansaugtakt zu einem Verdichtungstakt, wenn ein Motorkörper (ein Motor 1) eine niedrige Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, und unter einer Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist. Das Steuergerät weist ein Kraftstoffeinspritzventil 53 an, während des Verdichtungstakts eine größere Menge Kraftstoff einzuspritzen als während des Ansaugtakts, wenn der Gehalt eines unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff höher als ein vorbestimmter Wert ist, und während des Ansaugtakts eine größere Menge des Kraftstoffs als während des Verdichtungstakts einzuspritzen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Steuergerät für einen Fremdzündungsmotor und betrifft insbesondere eine Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor, der ausgelegt ist, um mit einem Kraftstoff versorgt zu werden, der mindestens eines von Benzin oder einem 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 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 normalen 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 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 zu. 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.
  • PATENTSCHRIFT 1 offenbart zum Beispiel ein FFV-System, 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 PATENTSCHRIFT 1 offenbarte Motorsystem ermöglicht es dem Subtank, einen Kraftstoff mit stabilisierter Verdampfbarkeit konstant zu speichern. Wenn das in PATENTSCHRIFT 1 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 den 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/Kraftstoff-Gemisches hervorruft. Somit spritzt das Motorsystem einen gemischten Kraftstoff, der einen höheren Benzinanteil als der in dem Haupttank gespeicherte Kraftstoff aufweist, in einen Einlasskanal des Motors ein. Folglich verwendet das in PATENTSCHRIFT 1 offenbarte Motorsystem unter einer solchen Betriebsbedingung, die eine Abnahme der Verdampfungsrate bewirkt, den Kraftstoff, der einen hohen Benzinanteil aufweist und in dem Subtank gespeichert ist, um die Verdampfungsrate des Kraftstoffs zu steigern. Somit stellt das Motorsystem die Zündfähigkeit und/oder die Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches bei einem Kaltbetrieb des Motorsystems sicher. D. h. das in PATENTSCHRIFT 1 offenbarte Motorsystem ändert die Eigenschaften des Kraftstoffs unter einem bestimmten Betriebszustand zu vorbestimmten Eigenschaften, um die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Kraftstoffs sicherzustellen.
  • PATENTSCHRIFT 2 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. Diese PATENTSCHRIFT 2 offenbart eine Kraftstoffeinspritzsteuerung bei Starten eines Motors. 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 Motorsystem von PATENTSCHRIFT 2 im Einzelnen einen Kraftstoffdruck und spritzt den Kraftstoff hohen Drucks bei einem Kaltstart des Motors, wenn die Temperatur des Motors und die Verdampfbarkeit des Kraftstoffs niedrig sind und der Kraftstoff einen hohen Ethanolgehalt aufweist und die Kraftstoffeinspritzmenge groß ist, während des Verdichtungstakts in einen Zylinder ein. Dies fördert die Verdampfbarkeit des Kraftstoffs und erleichtert einen Kaltstart des Motors. Selbst wenn die Temperatur des Motors niedrig ist, bestimmt das Motorsystem weiterhin, dass der Kraftstoff leicht verdampfbar ist, wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs niedrig ist, und spritzt den Kraftstoff während des Ansaugtakts in einen Zylinder ein, ohne den Kraftstoffdruck anzuheben, um den Motor zu starten. Somit ändert das in PATENTSCHRIFT 2 offenbarte Motorsystem seinen Kraftstoffeinspritzmodus bei Starten des Motors abhängig von dem Ethanolgehalt des Kraftstoffs.
  • Liste der Anführungen
  • Patentschrift
    • Patentschrift 1: japanische Patentanmeldung Nr. 2010-133288
    • Patentschrift 2: japanische Patentanmeldung Nr. 2010-37968
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Die Konfiguration, die einen Subtank benötigt, wie in PATENTSCHRIFT 1 offenbart, weist zwei Kraftstoffversorgungssysteme auf, was das Motorsystem kompliziert und dessen Kosten steigert. Daher besteht Bedarf nach einer Konfiguration ohne einen Subtank, wie in PATENTSCHRIFT 2 offenbart ist.
  • Bezüglich eines FFV ändert dagegen wie vorstehend beschrieben die Änderung des Ethanolgehalts des zuzuführenden Kraftstoffs den Ethanolgehalt des in seinem Haupttank gespeicherten Kraftstoffs. Daher müssen nicht nur die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches, sondern auch das Abgasemissionsverhalten unabhängig von den Eigenschaften des in dem Haupttank gespeicherten Kraftstoffs ständig sichergestellt werden.
  • Die einzuspritzende Kraftstoffmenge ist zum Beispiel relativ groß, wenn der Motor bei seinem Start eine niedrige Temperatur aufweist und unter einer relativ großen Last steht. Wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs in einem solchen Betriebszustand hoch ist, nimmt verglichen mit dem Fall der Verwendung von Benzin die Kraftstoffeinspritzmenge zu und die Verdampfungsrate nimmt ab. Die Verdampfung des Kraftstoffs muss daher im Hinblick auf die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches gefördert werden. Ethanol erzeugt dagegen viel weniger Rauch als Benzin, da die Verbrennungstemperatur des Ethanols relativ niedrig ist und die Moleküle des Ethanols Sauerstoff enthalten. Selbst wenn sich der Motor unter einer relativ großen Last befindet, ist somit selten eine Gegenmaßnahme gegen Rauch erforderlich, wenn der Kraftstoff einen relativ hohen Ethanolgehalt aufweist.
  • Wenn dagegen der Ethanolgehalt des Kraftstoffs niedrig ist (d. h. wenn der Benzingehalt hoch ist), nimmt die Kraftstoffeinspritzmenge vergleichsweise ab und die Verdampfungsrate ist relativ hoch. Somit muss die Verdampfung des Kraftstoffs kaum gefördert werden. Verglichen mit Ethanol neigt Benzin dagegen dazu, viel leichter Rauch zu erzeugen. Eine Gegenmaßnahme gegen Rauch ist daher erforderlich, wenn der Motor unter einer relativ großen Last läuft.
  • Im Hinblick auf den vorstehenden Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung daher darin, unabhängig von den Eigenschaften eines Kraftstoffs nicht nur die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität eines Luft/Kraftstoff-Gemisches, sondern auch das Abgasemissionsverhalten bei einem Motor, der mit Kraftstoff versorgt wird, der mindestens eines von Benzin oder einem unkonventionellen Kraftstoff umfasst, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger als die von Benzin ist, konstant sicherzustellen.
  • Lösung des Problems
  • Eine hiermit offenbarte Technik betrifft eine Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor. Diese Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor umfasst: einen Motorkörper, der ausgelegt ist, mit einem Kraftstoff zu laufen, der mindestens eines von Benzin und einem unkonventionellen Kraftstoff umfasst, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger als die des Benzins ist; eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, die ein Kraftstoffeinspritzventil, das den Kraftstoff einspritzt, umfasst und die ausgelegt ist, um den Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil in einen für den Motorkörper vorgesehenen Zylinder zu befördern; eine Drosselklappe, die so ausgelegt ist, dass sie eine vergrößerte Öffnung aufweist, wenn der Motorkörper unter einer großen Last steht, und eine verkleinerte Öffnung aufweist, wenn der Motorkörper unter einer leichten Last steht; und ein Steuergerät, das ausgelegt ist, um den Motorkörper durch Steuern mindestens der Kraftstoffversorgungseinrichtung zu betreiben.
  • Das Steuergerät ist ausgelegt, um innerhalb eines Bereichs von einem Ansaugtakt bis zu einem Verdichtungstakt ein Befördern des Kraftstoffs in den Zylinder zuzulassen, wenn der Motorkörper eine niedrige Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, und unter einer Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist, und um das Kraftstoffeinspritzventil anzuweisen, (i) während des Verdichtungstakts eine größere Kraftstoffmenge als während des Ansaugtakts einzuspritzen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff höher als ein vorbestimmter Wert ist, und (ii) während des Ansaugtakts eine größere Kraftstoffmenge als während des Verdichtungstakts einzuspritzen, wenn der Anteil des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist.
  • 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 ist der ”Kraftstoff, der mindestens eines von einem unkonventionellen Kraftstoff oder Benzin umfasst” wahlweise ein Kraftstoff, der eine Mischung des unkonventionellen Kraftstoffs und von Benzin ist, ein Kraftstoff, der im Wesentlichen allein aus dem unkonventionellen Kraftstoff besteht, oder ein Kraftstoff, der im Wesentlichen allein aus Benzin besteht. Das Mischungsverhältnis des unkonventionellen Kraftstoffs und des Benzins ist nicht besonders beschränkt, sondern kann ein beliebiges bestimmtes Mischungsverhältnis sein. Wenn der unkonventionelle Kraftstoff Ethanol ist, umfasst der dem Motorkörper zugeführte ”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. Der ”Kraftstoff” kann weiterhin hier auch jeden bestimmten Ethanolgehalt aufweisen und kann in den Bereich von Benzin (d. h. E0) bis E85 mit einer Mischung mit 85% Ethanol und Benzin fallen. Weiterhin kann der ”Kraftstoff, der mindestens eines von einem unkonventionellen Kraftstoff oder Benzin umfasst”, Wasser enthalten. E100, das etwa 5% Wasser enthält, ist hier ebenfalls von dem ”Kraftstoff” umfasst. In dem Fall, da ein Kraftstoff mit einem anderen Gehalt an unkonventionellem Kraftstoff (einschließlich Kraftstoff ohne Gehalt von unkonventionellem Kraftstoff) bei jedem Tanken zugeführt wird, ändert sich der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs, der in dem dem Motorkörper zuzuführenden Kraftstoff enthalten ist, gelegentlich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Zu beachten ist, dass der Alkoholgehalt in dem Kraftstoff durch verschiedene 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.
  • Das ”Kraftstoffeinspritzventil” kann ein Kraftstoffeinspritzventil sein, das den Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzt. Zusätzlich zu einem Kraftstoffeinspritzventil einer solchen Direkteinspritzungsart kann der Motorkörper weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil umfassen, das den Kraftstoff in den Einlasskanal einspritzt.
  • Die Situation, in der ”der Motorkörper eine niedrige Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist”, ist eine Situation mit einer Temperatur, bei der die Verdampfungsrate des Kraftstoffs, einschließlich des unkonventionellen Kraftstoffs, abnimmt. Eine Temperatur bei der Kaltbetriebsphase des Motors ist zum Beispiel eine solche niedrige Temperatur. Wenn der herkömmliche Kraftstoff Ethanol ist (d. h. bei einem normalen Siedepunkt von 78°C), kann die vorbestimmte Temperatur etwa 20°C betragen, muss es aber nicht.
  • Die Situation, bei der ”der Motorkörper unter einer Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist”, meint, dass die Last des Motorkörpers relativ groß ist. Die Situation, bei der ”der Motorkörper unter einer Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist”, kann auch meinen, dass der Motorkörper in dem Bereich großer Last läuft, wenn der Lastbereich des Motors gleichmäßig in zwei gleiche Bereiche unterteilt ist (nämlich einen Bereich leichter Last und den Bereich großer Last), oder dass der Motorkörper in den Bereichen mittlerer oder großer Last läuft, wenn der Lastbereich des Motors gleichmäßig in drei gleiche Bereiche unterteilt ist (nämlich einen Bereich leichter Last, einen Bereich mittlerer Last und einen Bereich großer Last). Die vorbestimmte Last kann, muss aber nicht, etwa Ce = 0,4 betragen.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration schaltet das Steuergerät die Kraftstoffeinspritzmodi, die in einer von dem Ansaugtakt zu dem Verdichtungstakt reichenden Phase auszuführen sind, abhängig vom Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff um, wenn der Motorkörper eine niedrige Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich der vorbestimmten Temperatur ist (d. h. bei einer Temperatur, die einen Kraftstoff mit einem hohen Gehalt unkonventionellen Kraftstoffs eine verringerte Verdampfungsrate aufweisen lässt), und unter einer Last steht, die größer oder gleich der vorbestimmten Last ist.
  • Das Kraftstoffeinspritzventil spritzt mit anderen Worten während des Verdichtungstakts eine größere Menge Kraftstoff als während des Ansaugtakts ein, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als ein vorbestimmter Wert ist (d. h. wenn der Gehalt an Benzin niedrig ist). Dies umfasst eine Situation, in der die während des Ansaugtakts einzuspritzende Kraftstoffmenge auf null reduziert ist und der Kraftstoff allein während des Verdichtungstakts eingespritzt wird.
  • Während des Verdichtungstakts wird der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt. Dies ermöglicht ein Fördern der Verdampfung des Kraftstoffs durch Nutzen eines Anstiegs der Temperatur in dem Zylinder, die bei Fortschreiten des Verdichtungstakts durch adiabatische Kompression hervorgerufen wird. Insbesondere steht der Motorkörper unter einer Last, die größer oder gleich der vorbestimmten Last ist, und der Krümmerunterdruck ist relativ niedrig. Somit kann eine keine große Förderung der Kraftstoffverdampfung unter Nutzen des Krümmerunterdrucks erwartet werden. Wenn zudem der unkonventionelle Kraftstoff Alkohol ist, ist die Kraftstoffeinspritzmenge bei dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis größer als die von Benzin und der resultierende Kraftstoffeinspritzzeitraum wird relativ lang. Folglich kann der Krümmerunterdruck nicht ausreichend genutzt werden. Wenn der Krümmerunterdruck nicht wesentlich genutzt werden kann, ermöglicht die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts das Fördern der Verdampfung von Kraftstoff und ist sehr effektiv. Die Verdampfungsrate des Kraftstoffs sinkt, da der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff hoch ist und weiterhin die Temperatur des Motors relativ niedrig ist. Die Verdichtungstakteinspritzung fördert aber die Verdampfung des Kraftstoffs. Dadurch wird/werden die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches erfolgreich sichergestellt.
  • Das Kraftstoffeinspritzventil spritzt dagegen während des Ansaugtakts eine größere Menge Kraftstoff als während des Verdichtungstakts ein, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist (d. h. wenn der Gehalt an Benzin hoch ist). Dies umfasst eine Situation, in der die während des Verdichtungstakts einzuspritzende Kraftstoffmenge auf null reduziert ist und der Kraftstoff allein während des Ansaugtakts eingespritzt wird.
  • Da der Gehalt des Benzins in dem Kraftstoff hoch ist, wird eine hohe Verdampfungsrate sichergestellt, selbst wenn die Temperatur des Motors relativ niedrig ist. Selbst wenn der Krümmerunterdruck nicht genutzt werden kann, wird somit der Kraftstoff durch die Ansaugtakteinspritzung erfolgreich verdampft. Zudem reduziert der hohe Benzingehalt die Kraftstoffeinspritzmenge und verkürzt den Kraftstoffeinspritzzeitraum vergleichsweise. Dies ermöglicht ein Erleichtern der Nutzung des Krümmerunterdrucks. Die Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder während des Verdichtungstakts ist dagegen beim Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches nachteilig, da die Ansaugströmung in dem Zylinder schwach ist und der Zeitraum zwischen dem Start der Kraftstoffeinspritzung und der Zündung kürzer wird. Dadurch könnte der einen hohen Benzingehalt aufweisende Kraftstoff Rauch erzeugen.
  • Die vorstehend beschriebene Ansaugtakteinspritzung ist beim Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches vorteilhaft, da diese Einspritzung eine starke Ansaugströmung und einen ausreichend langen Zeitraum für Luft/Kraftstoff-Gemischbildung nutzt. Wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff niedrig ist (d. h. wenn der Gehalt an Benzin in dem Kraftstoff hoch ist), wird somit eine Rauchbildung entweder erfolgreich vermieden oder zumindest reduziert. Folglich wird das Abgasemissionsverhalten sichergestellt.
  • Zu beachten ist, dass, wenn der unkonventionelle Kraftstoff Alkohol wie etwa Ethanol ist, seine Verbrennungstemperatur niedriger als die von Benzin ist und/oder die Moleküle des Alkohols Sauerstoff umfassen. Selbst wenn ein Kraftstoff mit einem hohen Ethanolgehalt während des Verdichtungstakts eingespritzt wird, ist es daher viel unwahrscheinlicher als bei Benzin, dass der Alkohol Rauch erzeugt.
  • Das Steuergerät kann ausgelegt werden, um ein Einspritzen des Kraftstoffs während sowohl des Ansaug- als auch Verdichtungstakts zuzulassen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist, und um ein Einspritzen des Kraftstoffs allein während des Ansaugtakts zuzulassen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist.
  • Wie vorstehend beschrieben fördert das Ausführen der Verdichtungstakteinspritzung, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist (d. h. wenn die Verdampfungsrate niedrig ist) die Verdampfung des Kraftstoffs, was beim Verbessern der Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches vorteilhaft ist.
  • Ferner steht der Motorkörper unter einer relativ großen Last und daher steigt die Kraftstoffeinspritzmenge entsprechend. Zudem steigert eine relativ niedrige Temperatur des Motorkörpers die Kraftstoffeinspritzmenge weiter, wobei die niedrige Verdampfungsrate des Kraftstoffs berücksichtigt wird. D. h. die Kraftstoffeinspritzmenge wird vorab erhöht, so dass eine erforderliche Menge des verdampften Kraftstoffs erhalten wird. Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge zunimmt, kann daher während des Verdichtungstakts allein kein ausreichender Kraftstoffeinspritzzeitraum sichergestellt werden. Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird die Ansaugtakteinspritzung aber zusätzlich zu der Verdichtungstakteinspritzung ausgeführt. Dies stellt einen ausreichend langen Kraftstoffeinspritzzeitraum sicher und verlängert den Zeitraum für die Bildung des Luft/Kraftstoff-Gemisches. Weiterhin ermöglicht diese Konfiguration auch die Homogenisierung des Luft/Kraftstoff-Gemisches durch Nutzen der Ansaugströmung. Die geteilten Einspritzungen während des Ansaugtakts und die Verdichtungstakteinspritzungen sind daher für die Zündfähigkeit und die Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches vorteilhaft. Die geteilten Einspritzungen sind auch vorteilhaft, da sie einen ausreichend langen Kraftstoffeinspritzzeitraum sicherstellen, selbst wenn der unkonventionelle Kraftstoff Alkohol ist und die resultierende Kraftstoffeinspritzmenge verglichen mit Benzin aufgrund des höheren Alkoholgehalts in dem Kraftstoff zunimmt.
  • Wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist und wenn der Benzingehalt relativ hoch ist, wird der Kraftstoff indessen nur während der Ansaugtakteinspritzung eingespritzt. Im Einzelnen ermöglicht der Verzicht auf die Verdichtungstakteinspritzung ein Vermeiden von Rauchbildung. Selbst wenn die Ansaugtakteinspritzung allein ausgeführt wird, kann dagegen der Kraftstoff verdampft werden, und wenn der Benzingehalt relativ hoch ist, wird der Kraftstoffeinspritzzeitraum relativ kurz. Dies ist somit vorteilhaft beim Nutzen des Krümmerunterdrucks. Folglich werden die Zündfähigkeit und Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches sichergestellt.
  • Das Kraftstoffeinspritzventil kann den Kraftstoff direkt in den Zylinder einspritzen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist, das Steuergerät ist ausgelegt, um ein Einspritzen des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil in den Zylinder während eines ersten Zeitraums des Ansaugtakts und während des Verdichtungstakts zuzulassen, und wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, kann das Steuergerät weiter ausgelegt sein, um ein Einspritzen des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil in den Zylinder während sowohl eines zweiten Zeitraums als auch eines dritten Zeitraums des Ansaugtakts zuzulassen, wobei der zweite und der dritte Zeitraum später als der erste Zeitraum sind.
  • Bei einer Konfiguration, bei der der Kraftstoff direkt in einen Zylinder eingespritzt wird, ist es vorteilhaft, die Position des Kolbens in dem Zylinder und einen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zu berücksichtigen.
  • Wenn mit anderen Worten der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist, wird der Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil in dem ersten Zeitraum des Ansaugtakts in den Zylinder eingespritzt. Dieser erste Zeitraum liegt vor dem zweiten und dritten Zeitraum. Der erste Zeitraum kann auch als erster halber Zeitraum definiert werden, wenn der Ansaugtakt in die erste und zweite Hälfte unterteilt ist. Das Einspritzen des Kraftstoffs in den Zylinder während der ersten Hälfte des Ansaugtakts ermöglicht das Nutzen eines starken Krümmerunterdrucks unmittelbar nach Öffnen des Einlassventils. Dies ist beim Verdampfen des Kraftstoffs vorteilhaft. Zudem stellt das Einspritzen des Kraftstoffs während der ersten Hälfe des Ansaugtakts einen ausreichend langen Zeitraum für das Bilden des Luft/Kraftstoff-Gemisches sicher.
  • Wenn zudem der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist, wird der Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil während des Verdichtungstakts in den Zylinder eingespritzt. Dies ermöglicht unter einer Bedingung, dass die Verdampfungsrate niedrig ist, ein Verdampfen des Kraftstoffs durch Nutzen einer hohen Temperatur in dem Zylinder. Hier ist es vorteilhaft, die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts zu verzögern, bis die Temperatur in dem Zylinder hoch genug steigt, um eine vorteilhafte Bedingung für die Verdampfung des Kraftstoffs zu schaffen. Die Kraftstoffeinspritzung während des Verdichtungstakts kann zum Beispiel während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts ausgeführt werden. Zu beachten ist, dass es vorteilhaft ist, einen ausreichend langen Zeitraum für das Bilden des Luft/Kraftstoff-Gemisches zwischen dem Endpunkt der Kraftstoffeinspritzung und dem Zündzeitpunkt sicherzustellen. Wenn zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzmenge relativ groß ist, um den Kraftstoffeinspritzzeitraum lang zu machen, kann die Kraftstoffeinspritzung folglich während der ersten Hälfte des Verdichtungstakts begonnen werden.
  • Wenn dagegen der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist und wenn der Kraftstoff einen höheren Benzingehalt aufweist, wird der Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil in dem zweiten und dritten Zeitraum des Ansaugtakts in den Zylinder eingespritzt. Die geteilten Einspritzungen werden im Einzelnen während des Ansaugtakts ausgeführt, und der zweite und dritte Zeitraum der geteilten Einspritzungen können später als der erste Zeitraum sein und können in der zweiten Hälfte des Ansaugtakts liegen. Wenn der Kraftstoff einen hohen Benzingehalt aufweist, muss wie vorstehend beschrieben die Verdampfung des Kraftstoffs nicht gefördert werden. Folglich muss der Kraftstoff nicht während der ersten Hälfe des Ansaugtakts für ein Nutzen des Krümmerunterdrucks in den Zylinder eingespritzt werden. In der ersten Hälfe des Ansaugtakts befindet sich der Kolben vielmehr bei einer relativ oberen Position im Zylinder. Der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff könnte somit mit diesem Kolben kollidieren und zum Beispiel die Bildung des Luft/Kraftstoff-Gemisches beeinträchtigen. In der zweiten Hälfte des Ansaugtakts befindet sich der Kolben indessen bei einer relativ niedrigen Position, die ein Vermeiden des Risikos, dass der in den Zylinder eingespritzte Kraftstoff mit dem Kolben kollidieren könnte, möglich macht. Zudem ist die zweite Hälfte des Ansaugtakts beim Bilden eines homogenen Luft/Kraftstoff-Gemisches durch Nutzen einer starken Ansaugströmung in dem Zylinder vorteilhaft. Die Rauchbildung wird somit effektiv reduziert, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist und der Kraftstoff einen hohen Benzingehalt aufweist. Dies trägt auch zur Verbesserung der Verbrennungsstabilität bei.
  • Das Steuergerät kann ausgelegt sein, um ein Ausführen einer einzelnen Einspritzung des Kraftstoffs während des Ansaugtakts zuzulassen, wenn sich der Motorkörper unter einer leichteren Last als der vorbestimmten Last befindet.
  • Wenn der Motorkörper unter einer Last steht, die kleiner als die vorbestimmte Last ist, wird die Drosselklappe aufgrund eines relativ niedrigen Füllwirkungsgrads verringert. Dadurch wird der Krümmerunterdruck hoch. Das Steuergerät führt somit während des Ansaugtakts eine einzelne Einspritzung des Kraftstoffs aus, wenn der Motorkörper unter einer Last steht, die kleiner als die vorbestimmte Last ist. Dies fördert die Verdampfung des Kraftstoffs durch den so genannten Flash-Boiling-Effekt unter Nutzen des Krümmerunterdrucks unabhängig vom Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff. Dadurch werden nicht nur die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches, sondern auch das Abgasemissionsverhalten erfolgreich sichergestellt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, weist die Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor das Kraftstoffeinspritzventil an, während des Verdichtungstakts eine größere Kraftstoffmenge als während des Ansaugtakts einzuspritzen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff relativ hoch ist und wenn der Motorkörper eine niedrige Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, und unter einer Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist. Dadurch wird die Verdampfbarkeit des Kraftstoffs verbessert und die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches wird/werden sichergestellt.
  • Wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff relativ niedrig ist, weist die Steuervorrichtung das Kraftstoffeinspritzventil indessen an, während des Ansaugtakts eine größere Kraftstoffmenge als während des Verdichtungstakts einzuspritzen. Die Homogenität des Luft/Kraftstoff-Gemisches wird somit verbessert und die Rauchbildung wird erfolgreich reduziert oder vermieden. Dadurch wird das Abgasemissionsverhalten sichergestellt. Folglich werden unabhängig von den Eigenschaften des dem Motorkörper zuzuführenden Kraftstoffs nicht nur die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches, sondern auch das Emissionsverhalten erfolgreich konstant sichergestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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 ist ein Kennfeld, das zeigt, wie die Kraftstoffeinspritzmodi umzuschalten sind, wobei eine Motorkühlmitteltemperatur, ein Alkoholgehalt und ein Füllwirkungsgrad als Parameter verwendet werden.
  • 4 zeigt eine beispielhafte Änderung des Drucks in einem Zylinder und eine Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das zeigt, wie ein Kraftstoffeinspritzmodus festzulegen ist.
  • 6 zeigt, wie sich eine Kraftstoffsteigerungsrate ändert, wenn die Kraftstoffeinspritzmodi entsprechend einem Anstieg der Motorkühlmitteltemperatur umgeschaltet werden.
  • 7 zeigt, wie sich eine Kraftstoffsteigerungsrate ändert, wenn die Kraftstoffeinspritzmodi entsprechend dem Lastwert des Motors umgeschaltet werden.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 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 (VVT), 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 vom engl. Multi-Hole Injector) 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 strömenden 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 Abgasdurchlasses in einem Abgaskrümmer 60 mit einem Durchgang 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 zum Steuern der Kraftstoffeinspritzung verwendet.
  • 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 11 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 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.
  • [Steuern der Kraftstoffeinspritzung]
  • 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 das jeweilige Verdampfungsverhalten 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 Aufwärtskorrektur einer Kraftstoffgrundmenge vor, die beruhend zum Beispiel auf einer Motorlast und einem Alkoholgehalt festzulegen ist. Im Einzelnen wird die Kraftstoffeinspritzmenge durch Multiplizieren der Kraftstoffgrundmenge mit der Kraftstoffsteigerungsrate, die mit den nachstehenden Ausdrücken berechnet wird, festgelegt. Eine tatsächliche verdampfte Kraftstoffmenge wird durch Multiplizieren der Kraftstoffeinspritzmenge mit einer Verdampfungsrate erhalten. [Kraftstoffeinspritzmenge] = [Kraftstoffgrundmenge] × (1 + Kraftstoffsteigerungsrate) [Tatsächliche verdampfte Kraftstoffmenge] = [Kraftstoffeinspritzmenge] × [Verdampfungsrate].
  • Die Kraftstoffsteigerungsrate wird beruhend auf einer Verdampfungsrate jedes von Betriebszuständen des Motors vorab festgelegt und in dem Motorsteuergerät 100 gespeichert. Die Verdampfungsrate wird hier durch zum Beispiel Experimente erhalten. Im Grunde steigt die Kraftstoffsteigerungsrate, wenn die Verdampfungsrate fällt, und nimmt ab, wenn die Verdampfungsrate steigt. Wie in 6 gezeigt ist, steigt die Kraftstoffsteigerungsrate, wenn die Motorkühlmitteltemperatur niedrig ist, und sinkt, wenn die Motorkühlmitteltemperatur hoch ist. Zu beachten ist, dass die in 6 oder 7 gezeigte Kraftstoffsteigerungsrate später näher beschrieben wird.
  • Wie später beschrieben wird, ändert sich zudem die Verdampfungsrate abhängig auch von dem Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung (d. h. ob er während des Ansaugtakts oder des Verdichtungstakts eingespritzt wird). Die Kraftstoffsteigerungsrate ändert sich auch entsprechend mit der Verdampfungsrate.
  • Die von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 einzuspritzende Kraftstoffmenge nimmt somit zu, wenn die Verdampfungsrate des Kraftstoffs sinkt. Wenn sich der Motor 1 unter einer großen 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 konzeptuell ein beispielhaftes Kennfeld von Kraftstoffeinspritzmodi unter Verwenden eines Alkoholgehalts des Kraftstoffs, einer Motorkühlmitteltemperatur und eines Füllwirkungsgrads als Parameter. Das Kennfeld in 3 zeigt einen Bereich, in dem die Motorkühlmitteltemperatur bei oder unter einer vorbestimmten Temperatur T2 liegt. Dieser Temperaturbereich ist äquivalent mit einem Zeitraum zwischen der Kaltbetriebsphase und der Aufwärmphase des Motors 1.
  • Dieses Motorsystem schaltet abhängig von den jeweiligen Werten des Ethanolgehalts in dem Kraftstoff, einer Motorkühlmitteltemperatur und eines Füllwirkungsgrads zwischen drei Kraftstoffeinspritzmodi um. Die Kraftstoffeinspritzmodi umfassen: einen ersten Kraftstoffeinspritzmodus, bei dem der Kraftstoff sowohl in dem Ansaug- als auch dem Verdichtungstakt eingespritzt wird; einen zweiten Kraftstoffeinspritzmodus, bei dem während des Ansaugtakts geteilte Einspritzungen des Kraftstoffs durchgeführt werden; und einen dritten Kraftstoffeinspritzmodus, bei dem während des Ansaugtakts eine einzige Einspritzung des Kraftstoffs durchgeführt wird.
  • Im Einzelnen ist der erste Kraftstoffeinspritzmodus ein Einspritzmodus, bei dem der Ethanolgehalt des Kraftstoffs höher als ein vorbestimmter Gehalt E1 ist, die Motorkühlmitteltemperatur bei einem vorbestimmten Wert T1 oder darunter liegt und der Füllwirkungsgrad Ce bei oder über einem vorbestimmten Wert Ce1 liegt. Der vorbestimmte Wert T1 beträgt zum Beispiel in etwa 20°C. Ein Fall, bei dem die Motorkühlmitteltemperatur kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert T1 ist, ist äquivalent mit einem Fall, bei dem der Motor 1 eine Temperatur in der Kaltbetriebsphase hat. Weiterhin beträgt der vorbestimmte Gehalt E1 zum Beispiel 60% (d. h. E60 oder höher). Dies ist mit anderen Worten äquivalent mit einem Wert, bei dem die Verdampfungsrate des Kraftstoffs niedrig ist, da die Motorkühlmitteltemperatur relativ niedrig ist und der Ethanolgehalt relativ hoch ist.
  • Zudem beträgt der vorbestimmte Wert Ce1 zum Beispiel in etwa 0,4. Der Motor 1 steht hier unter einer relativ großen Last und die resultierende Kraftstoffeinspritzmenge ist relativ groß. Ferner wird der hohe Ethanolgehalt mit einer hohen Kraftstoffsteigerungsrate, die durch die niedrige Kraftstoffverdampfungsrate hervorgerufen wird, kombiniert. Dadurch wird die Kraftstoffeinspritzmenge sehr groß. Bei dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus wird eine solche große Kraftstoffmenge während jedes der Ansaug- und Verdichtungstakte in den Zylinder 11 eingespritzt.
  • 4 zeigt eine beispielhafte Änderung des Drucks in dem Zylinder 11 und eine Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung. Wie in 4 durch den Pfeil (1) dargestellt ist, kann die Einspritzung in dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus während des Ansaugtakts zum Beispiel bei einem Zeitpunkt unmittelbar nach Öffnen des Einlassventils 21 und steilem Fallen des Drucks in dem Zylinder 11 beginnen. Unter Nutzen dieses Krümmerunterdrucks fördert der erste Kraftstoffeinspritzmodus die Verdampfung des Kraftstoffs durch den Flash-Boiling-Effekt. Zudem ermöglicht die Ansaugtakteinspritzung ein Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches und ein Sicherstellen eines ausreichend langen Zeitraums zum Bilden des Luft/Kraftstoff-Gemisches.
  • Wie in 4 durch den Pfeil (4) angedeutet ist, kann weiterhin die Einspritzung in dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus während des Verdichtungstakts zum Beispiel während der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts beginnen (z. B. der zweiten Hälfte des Verdichtungstakts, wenn der Verdichtungstakt praktisch in die erste und zweite Hälfte unterteilt ist). Dies dient zum Fördern der Verdampfung des Kraftstoffs durch Nutzen eines Temperaturanstiegs im Zylinder 11, der durch die adiabatische Kompression während des Verdichtungstakts hervorgerufen wird. Wie vorstehend beschrieben weist dieser Motor 1 aufgrund des hohen geometrischen Verdichtungsverhältnisses eine hohe Verdichtungsendtemperatur auf, und somit ist die Verdichtungstakteinspritzung beim Verdampfen des Kraftstoffs sehr vorteilhaft. Während der Verdichtungstakteinspritzung 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. 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 Hälfe des Verdichtungstakts gestartet werden, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge so groß ist, dass ein langer Kraftstoffeinspritzzeitraum benötigt wird.
  • Der zweite Kraftstoffeinspritzmodus ist ein Einspritzmodus, der in einem Bereich verwendet wird, (i) in dem der Füllwirkungsgrad Ce bei oder über dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt und die Motorkühlmitteltemperatur bei oder unter dem vorbestimmten Wert T2 liegt, und (ii) der nicht der Bereich ist, in dem der erste Kraftstoffeinspritzmodus ausgeführt wird. Der zweite Kraftstoffeinspritzmodus kann mit anderen Worten als Kraftstoffeinspritzmodus betrachtet werden, der in einem Bereich genutzt wird, in dem die Motorlast relativ groß ist und die Kraftstoffverdampfungsrate nicht so niedrig ist. Auch wenn in dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus die Kraftstoffeinspritzmenge relativ groß ist, da der Motor 1 unter einer relativ großen Last steht, steigt die Kraftstoffsteigerungsrate nicht sehr hoch, da die Kraftstoffverdampfungsrate nicht so niedrig ist. Folglich wird die Kraftstoffeinspritzmenge verringert. In dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus werden die geteilten Einspritzungen während des Ansaugtakts ausgeführt.
  • Die Einspritzung in dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus während des Ansaugtakts wird zu den durch die Pfeile (2) und (3) in 4 angedeuteten Zeitpunkten ausgeführt. Diese Zeitpunkte sind später als der Einspritzzeitpunkt (1) in dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus während des Ansaugtakts. Wie vorstehend beschrieben dient der zweite Kraftstoffeinspritzmodus zum Einspritzen des Kraftstoffs unter einer Bedingung, bei der die Verdampfungsrate nicht so niedrig ist. Der Krümmerunterdruck muss somit nicht zum Fördern der Verdampfung des Kraftstoffs genutzt werden. Der Kolben 15 befindet sich unmittelbar nach Öffnen des Einlassventils 21 vielmehr in der Nähe des oberen Endes in dem Zylinder 11. Der von dem Kraftstoffeinspritzventil 53 eingespritzte Kraftstoff kollidiert somit mit der oberen Fläche dieses Kolbens 15. Dies kann beim Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches nachteilig sein. In dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus wird somit der Kraftstoff bei einem Zeitpunkt, bei dem sich der Kolben 15 während der zweiten Hälfte des Ansaugtakts in den unteren Abschnitt des Zylinders 11 bewegt, in den Zylinder 11 eingespritzt. Dies reduziert das Risiko, dass der Kraftstoff mit dem Kolben 15 kollidiert. Die Kraftstoffeinspritzung ist dagegen beim Homogenisieren des Luft/Kraftstoff-Gemisches durch Nutzen eines starken Ansaugstroms zu diesem Zeitpunkt vorteilhaft.
  • In einem Bereich, in dem die Motorkühlmitteltemperatur bei oder unter T1 liegt und der Füllwirkungsgrad Ce bei oder über dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt, schalten der zweite Kraftstoffeinspritzmodus und der erste Kraftstoffeinspritzmodus abhängig von dem Ethanolgehalt des Kraftstoffs zueinander um. Der zweite Kraftstoffeinspritzmodus wird im Einzelnen ausgeführt, wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs niedrig ist (d. h. wenn der Benzingehalt hoch ist), und der erste Kraftstoffeinspritzmodus wird ausgeführt, wenn der Ethanolgehalt des Kraftstoffs hoch ist. Ethanol weist eine Eigenschaft auf, die keine so starke Rauchbildung wie Benzin zulässt, da die Verbrennungstemperatur des Ethanols relativ niedrig ist und die Moleküle des Ethanols Sauerstoff umfassen. Aufgrund dieser Eigenschaft wird kaum Rauch erzeugt, wenn der Ethanolgehalt hoch ist, selbst wenn der Kraftstoff wie im ersten Kraftstoffeinspritzmodus während des Verdichtungstakts eingespritzt wird. Wenn der Ethanolgehalt relativ hoch ist, ist es somit vorteilhaft, die Verdichtungstakteinspritzung auszuführen, um die Verdampfung des Kraftstoffs zu fördern.
  • Es beeinflusst vielmehr die Homogenität des Luft/Kraftstoff-Gemisches nachteilig, den Kraftstoff während des Verdichtungstakts in den Zylinder einzuspritzen. Wenn die Verdichtungstakteinspritzung ausgeführt wird, wenn der Benzingehalt des Kraftstoffs hoch ist, könnte somit ein Risiko einer Rauchbildung bestehen. Wenn der Ethanolgehalt relativ niedrig ist, wird somit die Ansaugtakteinspritzung allein ausgeführt, ohne Ausführen der Verdichtungstakteinspritzung, so dass die Rauchbildung vermieden werden kann.
  • Der dritte Kraftstoffeinspritzmodus ist ein Einspritzmodus, bei dem der Füllwirkungsgrad Ce unter dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt. Da der Füllwirkungsgrad relativ niedrig ist, wird das Öffnen der Drosselklappe 57 verringert, so dass ein relativ hoher Krümmerunterdruck erhalten wird. Die Verdampfung des Kraftstoffs wird unabhängig von den jeweiligen Werten der Motorkühlmitteltemperatur und des Ethanolgehalts (d. h. unabhängig von dem Wert der Verdampfungsrate) durch Ausnutzen des erhaltenen Krümmerunterdrucks dank des Flash-Boiling-Effekts erfolgreich gefördert. Bei dem dritten Kraftstoffeinspritzmodus wird während des Ansaugtakts eine einzelne Einspritzung ausgeführt. Um den Krümmerunterdruck effektiv zu nutzen, kann der Startpunkt der Kraftstoffeinspritzung während der ersten Hälfte des Ansaugtakts festgelegt werden.
  • Auf diese Wiese werden unabhängig von den Eigenschaften des dem Motor 1 zuzuführenden Kraftstoffs nicht nur die Zündfähigkeit und/oder Verbrennungsstabilität des Luft/Kraftstoff-Gemisches, sondern auch das Abgasemissionsverhalten erfolgreich sichergestellt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das zeigt, wie ein Kraftstoffeinspritzmodus festzulegen ist. Der Prozess in dem Flussdiagramm wird durch das Motorsteuergerät 100 ausgeführt. Das Motorsteuergerät 100 liest nach dem Start verschiedene Signale in Schritt S51. In dem nächsten Schritt S52 erfolgt eine Ermittlung, ob ein geschätzter Ethanolgehalt einen vorbestimmten Wert E1 übersteigt. Wenn der geschätzte Ethanolgehalt kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert E1 ist (d. h. wenn die Antwort NEIN lautet), rückt der Prozess zu Schritt S53 vor. Wenn andererseits der geschätzte Ethanolgehalt den vorbestimmten Wert E1 übersteigt (d. h. wenn die Antwort JA lautet), rückt der Prozess zu Schritt S56 vor.
  • Bei Schritt S53 erfolgt eine Ermittlung, ob der Füllwirkungsgrad unter dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt. Wenn der Füllwirkungsgrad unter dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt (d. h. wenn die Antwort JA lautet), rückt der Prozess zu Schritt S54 vor und der Kraftstoffeinspritzmodus wird auf den dritten Kraftstoffeinspritzmodus gesetzt, d. h. eine einzelne Einspritzung während des Ansaugtakts. Wenn dagegen der Füllwirkungsgrad größer oder gleich dem vorbestimmten Wert Ce1 ist (d. h. wenn die Antwort NEIN lautet), rückt der Prozess zu Schritt S55 vor und der Kraftstoffeinspritzmodus wird auf den zweiten Kraftstoffeinspritzmodus gesetzt, d. h. geteilte Einspritzungen während des Ansaugtakts.
  • Bei Schritt S56, zu dem der Prozess vorrückt, wenn der Ethanolgehalt über dem vorbestimmten Wert liegend ermittelt wird, erfolgt indessen eine Ermittlung, ob die Motorkühlmitteltemperatur den vorbestimmten Wert T1 übersteigt. Wenn die Motorkühlmitteltemperatur den vorbestimmten Wert T1 übersteigt (d. h. wenn die Antwort JA lautet), rückt der Prozess zu Schritt S510 vor. Bei Schritt S510 erfolgt eine Ermittlung, ob der Füllwirkungsgrad unter dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt. Wenn die Antwort JA lautet, rückt der Prozess zu Schritt S59 vor und der Kraftstoffeinspritzmodus wird auf den dritten Kraftstoffeinspritzmodus gesetzt (d. h. eine einzelne Einspritzung während des Ansaugtakts). Wenn dagegen die Antwort NEIN lautet, rückt der Prozess zu Schritt S55 vor und der Kraftstoffeinspritzmodus wird auf den zweiten Kraftstoffeinspritzmodus gesetzt (d. h. geteilte Einspritzungen während des Ansaugtakts).
  • Wenn sich bei Schritt S56 herausstellt, dass die Motorkühlmitteltemperatur bei oder unter dem vorbestimmten Wert T1 liegt (d. h. wenn die Antwort NEIN lautet), rückt der Prozess zu Schritt S57 vor. Bei diesem Schritt S57 erfolgt ebenfalls wieder eine Ermittlung, ob der Füllwirkungsgrad unter dem vorbestimmten Wert Ce1 liegt. Wenn die Antwort bei Schritt S57 JA lautet, rückt der Prozess zu Schritt S59 vor und der Kraftstoffeinspritzmodus wird auf den dritten Kraftstoffeinspritzmodus gesetzt (d. h. eine einzelne Einspritzung während des Ansaugtakts). Wenn dagegen die Antwort NEIN lautet, rückt der Fluss zu Schritt S58 vor und der Kraftstoffeinspritzmodus wird auf den ersten Kraftstoffeinspritzmodus gesetzt (d. h. geteilte Einspritzungen während des Ansaug- und Verdichtungstakts).
  • Die Kraftstoffeinspritzmodi werden somit abhängig von dem Wert der Motorkühlmitteltemperatur zueinander umgeschaltet. Die Kraftstoffeinspritzmodi schalten somit um, wenn sich die Temperatur des Motorkühlmittel ändert, insbesondere wenn die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart des Motors 1 allmählich ansteigt. Wie in 3 durch den Pfeil angedeutet ist, werden insbesondere Modi von dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus (d. h. geteilte Einspritzungen während des Ansaug- und Verdichtungstakts) zu dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus (d. h. geteilte Einspritzungen während des Ansaugtakts) umgeschaltet, wenn die Motorkühlmitteltemperatur steigt, wenn der Ethanolgehalt den vorbestimmten Wert E1 übersteigt und wenn der Füllwirkungsgrad Ce den vorbestimmten Wert Ce1 übersteigt. Nach Durchführen dieses Umschaltens wird die Verdichtungstakteinspritzung, die vor dem Umschalten durchgeführt wird, nicht mehr durchgeführt. Wie vorstehend beschrieben fördert die Verdichtungstakteinspritzung die Verdampfung des Kraftstoffs durch Nutzen der Temperatur in dem Zylinder. Das Aktivieren oder Deaktivieren der Verdichtungstakteinspritzung macht bei der Verdampfungsrate des in den Zylinder 11 eingespritzten Kraftstoffs einen großen Unterschied. Wenn im Einzelnen die Motorkühlmitteltemperatur steigt, sinkt die Verdampfungsrate bei dem Stoppen des Verdichtungstakts steil. Aufgrund dieser steilen Abnahme der Verdampfungsrate wird unmittelbar nach dem Umschalten zu dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus eine tatsächliche verdampfte Kraftstoffmenge aufgrund der Verdampfungsratendifferenz ungenügend, selbst wenn die gleiche Menge Kraftstoff vor und nach dem Umschalten eingespritzt wird. Dadurch wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bezüglich eines theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mager. In einem solchen Zustand sinkt ein zu erzeugendes Drehmoment, was zum Zeitpunkt des Umschaltens der Kraftstoffeinspritzmodi eine Drehmomenterschütterung hervorruft.
  • Bei der Motorsteuerung wird hier eine solche Drehmomenterschütterung, die mit dem Umschalten der Modi von Steuerungen verbunden ist, zum Beispiel durch eine Anpassung von Zündzeitpunkten reduziert. Wie vorstehend beschrieben ist diese Drehmomenterschütterung aber ursprünglich auf eine ungenügende Menge verdampften Kraftstoffs zurückzuführen, und das Steuern zum Beispiel der Zündzeitpunkte kann die Drehmomentabnahme nicht aufheben.
  • Wie in 6 und 7 gezeigt, ändert dieses Motorsystem die Kraftstoffsteigerungsrate vor und nach dem Umschalten der Kraftstoffeinspritzmodi somit diskontinuierlich. Die Ordinate von 6 stellt im Einzelnen die Motorkühlmitteltemperatur dar. Die Motorkühlmitteltemperatur nimmt auf dem Papier nach links vergleichsweise ab und nimmt auf dem Papier nach rechts vergleichsweise zu. Die Motorkühlmitteltemperatur ändert sich somit nach dem Kaltstart des Motors 1 auf dem Papier von links nach rechts. Der Motor 1 befindet sich in einem Betriebszustand, in dem der Ethanolgehalt des Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert E1 ist, und der Füllwirkungsgrad Ce ist höher als der vorbestimmte Wert Ce1. An der linken Seite von 6 werden somit während der Ansaug- und Verdichtungstakte geteilte Einspritzungen ausgeführt (d. h. der erste Kraftstoffeinspritzmodus). An der rechten Seite von 6 werden während des Ansaugtakts geteilte Einspritzungen ausgeführt (d. h. der zweite Kraftstoffeinspritzmodus).
  • Unter einer Bedingung, bei der der erste Kraftstoffeinspritzmodus ausgeführt wird, steigt die Verdampfungsrate zunächst, wenn die Motorkühlmitteltemperatur steigt. Die Kraftstoffsteigerungsraten werden somit so festgelegt, dass sie allmählich sinkende Werte sind. Zum Zeitpunkt des Umschaltens der Kraftstoffeinspritzmodi, wie vorstehend beschrieben, steigt die Kraftstoffsteigerungsrate, die bis dahin gesunken ist, als Reaktion auf die steile Abnahme der Verdampfungsrate steil an. Die Kraftstoffeinspritzmenge nimmt somit unmittelbar nach Umschalten der Modi von dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus zu dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus signifikant zu. Selbst wenn die Verdampfungsrate ohne Ausführen der Verdichtungstakteinspritzung sinkt, wird somit eine erforderliche Menge verdampften Kraftstoffs immer noch erfolgreich sichergestellt. Folglich sind die Knappheit des verdampften Kraftstoffs unmittelbar nach dem Umschalten und schließlich die Drehmomenterschütterung vermeidbar. Unter einer Bedingung, bei der der zweite Kraftstoffeinspritzmodus ausgeführt wird, steigt die Verdampfungsrate danach, wenn die Motorkühlmitteltemperatur steigt. Die Kraftstoffsteigerungsraten werden dadurch so festgelegt, dass sie allmählich sinkende Werte sind.
  • Wie aus dem Kennfeld von 3 klar ersichtlich ist, werden die Kraftstoffeinspritzmodi hier im Einzelnen nicht nur umgeschaltet, wenn die Motorkühlmitteltemperatur steigt. Wenn die Last an dem Motor 1 von einer großen Last zu einer leichten Last abnimmt, wenn der Ethanolgehalt den vorbestimmten Wert E1 übersteigt und die Motorkühlmitteltemperatur bei oder unter dem vorbestimmten Wert T1 liegt, schalten die Kraftstoffeinspritzmodi von dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus zu dem dritten Kraftstoffeinspritzmodus um. Wenn dagegen die Last an dem Motor 1 von einer leichten Last zu einer großen Last steigt, schalten die Kraftstoffeinspritzmodi von dem dritten Kraftstoffeinspritzmodus zu dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus um.
  • Zu diesen Umschaltzeitpunkten werden auch das Aktivieren und Deaktivieren der Verdichtungstakteinspritzung geändert, wodurch eine steile Änderung der Verdampfungsrate des in den Zylinder 11 eingespritzten Kraftstoffs hervorgerufen wird. 7 zeigt im Einzelnen, dass, wenn die Motorlast abnimmt, der Krümmerunterdruck steigt. Dadurch steigt die Verdampfungsrate und die Kraftstoffsteigerungsraten werden so eingestellt, dass sie allmählich sinkende Werte sind. Wenn danach der Füllwirkungsgrad Ce kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert Ce1 wird, werden Modi von dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus, in dem geteilte Einspritzungen, die die Ansaugtakt- und Verdichtungstakteinspritzungen umfassen, ausgeführt werden, zu dem dritten Kraftstoffeinspritzmodus umgeschaltet, bei dem während des Ansaugtakts eine einzelne Einspritzung ausgeführt wird. Unmittelbar nach diesem Umschaltzeitpunkt sinkt wie vorstehend beschrieben die Verdampfungsrate steil ab. Die Kraftstoffsteigerungsrate wird somit steil angehoben. Im Einzelnen werden die Kraftstoffsteigerungsraten diskontinuierlich umgeschaltet, wodurch die Kraftstoffeinspritzmenge gesteigert wird, auch wenn die Motorlast sinkt. Diese Schritte stellen eine erforderliche verdampfte Kraftstoffmenge sicher und reduzieren die Drehmomenterschütterung. Selbst unter einer Bedingung, dass auch der dritte Kraftstoffeinspritzmodus ausgeführt wird, steigt die Verdampfungsrate, wenn die Motorlast sinkt. Die Kraftstoffsteigerungsraten werden dadurch so festgelegt, dass sie allmählich sinkende Werte sind. Wenn dagegen die Motorlast zunimmt und der Füllwirkungsgrad Ce den vorbestimmten Wert Ce1 übersteigt, schaltet der dritte Kraftstoffeinspritzmodus, bei dem während des Ansaugtakts eine einzelne Einspritzung ausgeführt wird, zu dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus um, in dem geteilte Einspritzungen, die die Ansaugtakt- und Verdichtungstakteinspritzungen umfassen, ausgeführt werden. Unmittelbar nach dem Umschaltzeitpunkt steigt die Verdampfungsrate steil zu der Situation, die soeben beschrieben wurde. Die Kraftstoffsteigerungsrate wird somit steil gesenkt. D. h. die Kraftstoffsteigerungsraten werden diskontinuierlich umgeschaltet, wodurch die Kraftstoffeinspritzmenge verringert wird, auch wenn die Motorlast steigt. Solche Schritte vermeiden das Bilden einer übermäßigen Menge verdampften Kraftstoffs und reduzieren die Drehmomenterschütterung.
  • Zu beachten ist, dass gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration geteilte Einspritzungen, die die Ansaugtakt- und Verdichtungstakteinspritzungen umfassen, in dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus ausgeführt werden und in dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus nur geteilte Einspritzungen während des Ansaugtakts, nicht die Verdichtungstakteinspritzung, ausgeführt werden. Die geteilten Einspritzungen, die die Ansaugtakt- und Verdichtungstakteinspritzungen umfassen, können jedoch in dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus ausgeführt werden. Das Verhältnis der Einspritzmenge bei der Ansaugtakteinspritzung zu der bei der Verdichtungstakteinspritzung kann ferner zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus unterschiedlich festgelegt werden. Bei dem ersten Kraftstoffeinspritzmodus, bei dem die Verdampfungsrate des Kraftstoffs relativ niedrig ist, kann insbesondere die Einspritzmenge bei der Verdichtungstakteinspritzung größer als die bei der Ansaugtakteinspritzung festgelegt werden, und dann können die geteilten Einspritzungen, die die Ansaugtakt- und die Verdichtungstakteinspritzungen umfassen, ausgeführt werden. Bei dem zweiten Kraftstoffeinspritzmodus, bei dem die Verdampfungsrate des Kraftstoffs relativ hoch ist, kann die Einspritzmenge bei der Ansaugtakteinspritzung größer als die bei der Verdichtungstakteinspritzung festgelegt werden, und dann können die geteilten Einspritzungen, die die Ansaugtakt- und die Verdichtungstakteinspritzungen umfassen, ausgeführt werden.
  • Zusätzlich zu dem Kraftstoffeinspritzventil 53 der Direkteinspritzausführung kann zudem ein Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen werden, um den Kraftstoff in den Einlasskanal einzuspritzen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Motor (Motorkörper)
    11
    Zylinder
    100
    Motorsteuergerät
    53
    Kraftstoffeinspritzventil
    54
    Kraftstoffversorgungssystem (Kraftstoffversorgungseinrichtung)

Claims (4)

  1. Steuervorrichtung für einen Fremdzündungsmotor, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Motorkörper, der ausgelegt ist, mit einem Kraftstoff zu laufen, der mindestens eines von Benzin und einem unkonventionellen Kraftstoff umfasst, dessen Verdampfungsrate bei oder unter einer bestimmten Temperatur niedriger als die des Benzins ist; eine Kraftstoffversorgungseinrichtung, die ein Kraftstoffeinspritzventil, das den Kraftstoff einspritzt, umfasst und die ausgelegt ist, um den Kraftstoff durch das Kraftstoffeinspritzventil in einen für den Motorkörper vorgesehenen Zylinder zu befördern; eine Drosselklappe, die so ausgelegt ist, dass sie eine vergrößerte Öffnung aufweist, wenn der Motorkörper unter einer großen Last steht, und eine verkleinerte Öffnung aufweist, wenn der Motorkörper unter einer leichten Last steht; und ein Steuergerät, das ausgelegt ist, um den Motorkörper durch Steuern mindestens der Kraftstoffversorgungseinrichtung zu betreiben, wobei das Steuergerät ausgelegt ist, um: innerhalb eines Bereichs von einem Ansaugtakt bis zu einem Verdichtungstakt ein Befördern des Kraftstoffs in den Zylinder zuzulassen, wenn der Motorkörper eine niedrige Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, und unter einer Last steht, die größer oder gleich einer vorbestimmten Last ist, und um das Kraftstoffeinspritzventil anzuweisen, (i) während des Verdichtungstakts eine größere Kraftstoffmenge als während des Ansaugtakts einzuspritzen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff höher als ein vorbestimmter Wert ist, und (ii) während des Ansaugtakts eine größere Kraftstoffmenge als während des Verdichtungstakts einzuspritzen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs in dem Kraftstoff kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät ausgelegt ist, um ein Einspritzen des Kraftstoffs während sowohl des Ansaug- als auch Verdichtungstakts zuzulassen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist, und um ein Einspritzen des Kraftstoffs nur während des Ansaugtakts zuzulassen, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Kraftstoffeinspritzventil den Kraftstoff direkt in den Zylinder einspritzt, wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs höher als der vorbestimmte Wert ist, das Steuergerät ausgelegt ist, um ein Einspritzen des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil in den Zylinder während eines ersten Zeitraums des Ansaugtakts und während des Verdichtungstakts zuzulassen, und wenn der Gehalt des unkonventionellen Kraftstoffs kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, das Steuergerät weiter ausgelegt ist, um das Einspritzen des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil in den Zylinder während sowohl eines zweiten Zeitraums als auch eines dritten Zeitraums des Ansaugtakts zuzulassen, wobei der zweite und der dritte Zeitraum später als der erste Zeitraum sind.
  4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Steuergerät ausgelegt ist, um das Ausführen einer einzelnen Einspritzung während des Ansaugtakts zuzulassen, wenn der Motorkörper unter einer leichteren Last als der vorbestimmten Last steht.
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