DE19927485A1 - Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor

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Abstract

In einer Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für einen Dieselmotor (1), der eine nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff aus einem Kraftstoffeinspritzventil (31-34) in einem entsprechenden Zylinder (11-14) während einem Expansionsakt nach einer Haupteinspritzung von Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil (31-34) in den Zylinder (11-14) um den oberen Kompressionstotmittelpunkt herum durchführt, bestimmt eine ECU (100) als zeitliche Steuerung einer nachträglichen Einspritzung eine zeitliche Steuerung, bei der eine Temperatur in dem Zylinder (11-14) in Bezug auf den oberen Kompressionstotmittelpunkt zu einer Solltemperatur wird, in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Dieselmotors (1). Die ECU (100) führt mit der somit ermittelten zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einspritzung eine nachträgliche Einspritzung durch.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffein­ spritzsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor.
Mager-NOx-Katalysatoren werden oft verwendet, um die Konzentra­ tion von NOx (Stickoxiden) im Abgas von Verbrennungsmotoren, die eine Verbrennung unter mageren Kraftstoffbedingungen durch­ führen, beispielsweise in Dieselmotoren oder mager verbrennen­ den Benzinmotoren, zu reduzieren. Die Mager-NOx-Katalysatoren werden hauptsächlich in NOx-Katalysatoren der selektiven Reduk­ tionsbauart und in NOx-Katalysatoren der Okklusions- Reduktionsbauart unterteilt.
Die Katalysatoren der selektiven Reduktionsbauart sind Kataly­ satoren, die NOx in Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen (HCs) in einer Atmosphäre mit Sauerstoffüberschuß reduzieren oder zerlegen, wobei sie Katalysatoren enthalten, die durch Beladen von Zeolit mit einem Übergangsmetall wie beispielsweise Kupfer (Cu) oder dergleichen durch Ionenaustausch erhalten werden, so­ wie Katalysatoren, die durch Laden von Zeolit oder Aluminiu­ moxid mit einem Edelmetall und dergleichen erhalten werden.
Für einen NOx-Katalysator der selektiven Reduktionsbauart zur Steuerung der NOx-Emissionen auf ein gewünschtes Niveau, ist es notwendig, daß eine geeignete Menge an HC um den Katalysator herum anwesend ist. Jedoch ist die Menge an HC in der Abgase­ mission während dem normalen Betrieb der vorgenannten Verbren­ nungsmotoren sehr gering, so daß es notwendig ist, daß eine ge­ eignete Menge an HC an den NOx-Katalysator der selektiven Re­ duktionsbauart geliefert wird, um eine gute Reduktion der Menge an NOx während einem normalen Motorbetrieb zu erzielen.
Die NOx-Katalysatoren der Okklusions-Reduktionsbauart sind Ka­ talysatoren, die NOx absorbieren, wenn das Luft- Kraftstoffverhältnis der dorthin strömenden Abgasemission (Einströmungsabgasemission) auf einer mageren Seite liegt, und die NOx freisetzen, wenn die Sauerstoffkonzentration in der einströmenden Abgasemission abnimmt. Typischerweise werden NOx- Katalysator der Okklusions-Reduktionsbauart durch Laden eines Trägers wie beispielsweise Aluminiumoxid mit einem Edelmetall wie beispielsweise Platin (Pt) oder dergleichen vorbereitet, wobei mindestens eine Substanz aus alkalischen Metallen ein­ schließlich Potassium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), Cäsium (Cs) und dergleichen, sowie alkalische Erden einschließlich Ba­ rium (Ba), Kalzium (Ca) und dergleichen, und seltene Erden ein­ schließlich Lanthan (La), Yttrium (Y) und dergleichen ausge­ wählt sind.
Wenn ein solcher NOx-Katalysator der Okklusions- Reduktionsbauart in dem Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, der eine magere Kraftstoffverbrennung ausführt, absorbiert der NOx-Katalysator der Okklusions-Reduktionsbauart in der Abgasemission während einem normalen Motorbetrieb NOx, da das Luft-Kraftstoffverhältnis während einem normalen Betrieb des Motors auf der mageren Seite liegt. Wenn jedoch die Liefe­ rung an magerer Kraftstoffverbrennungsemission an den NOx- Katalysator der Oklussions-Reduktionsbauart fortgeführt wird, erreicht die NOx-Absorptionskapazität des Katalysators schließ­ lich eine Sättigung, so daß der Katalysator kein NOx mehr ab­ sorbieren kann und deshalb NOx durchläßt. Deshalb muß das in dem NOx-Katalysator der Okklusions-Reduktionsbauart absorbierte NOx zu NO2 reduziert und von dem Katalysator freigesetzt wer­ den, bevor die NOx-Absorptionskapazität des Katalysators gesät­ tigt wird, um die NOx-Absorptionskapazität wiederherzustellen, indem das Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgasemissionsströmung an den Katalysator (Einströmungsabgasemission) in einer vorbe­ stimmten zeitlichen Steuerung vor der Sättigung der NOx- Absorptionskapazität auf eine fette Seite umgeschaltet wird, so daß die Sauerstoffkonzentration extrem niedrig wird.
Die Nacheinspritzung von Kraftstoff ist eines der Verfahren zur Lieferung von HC an den NOx-Katalysator der selektiven Redukti­ onsbauart, oder zur Lieferung einer angefetteten Kraftstoffab­ gasemission an einen NOx-Katalysator der Okklusions- Reduktionsbauart. Bei dem Verfahren der Nacheinspritzung nach einer Hauptkraftstoffeinspritzung von einem Kraftstoffein­ spritzventil in einen vorbestimmten Zylinder eines Verbren­ nungsmotors wird eine bestimmte Menge an Kraftstoff (Nacheinspritzung) von dem Kraftstoffeinspritzventil während dem Expansions- oder Ausstoßtakt in den Zylinder eingespritzt, um das Luft-Kraftstoffverhältnis der Abgasemission auf die fet­ te Kraftstoffseite hin zu verschieben. HC, das durch die Nach­ einspritzung bereitgestellt wird, wird durch Wärme, die durch die Verbrennung im Zylinder erzeugt wird, in leichteres HC um­ gewandelt. Das leichtere HC wird zusammen mit dem Verbrennungs­ gas an einen NOx-Katalysator der selektiven Reduktionsbauart oder an einen NOx-Katalysator der Okklusions-Reduktionsbauart geliefert.
Der Zweck der Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen Verbren­ nungsmotor ist nicht auf die Aufrechterhaltung der NOx- Konzentrations-Reduktionskapazität eines Mager-NOx-Katalysators begrenzt, der im Abgassystem angeordnet ist. In manchen Fällen wird eine Nacheinspritzung durchgeführt, um den Ladedruck eines Turboladers zu erhöhen, oder um die Katalysator- Aufwärmeffizienz zu verbessern.
Die japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. HEI 10-47146 of­ fenbart eine Technologie zur Optimierung der Reformierung von HC, das durch die Nacheinspritzung von Kraftstoff bereitge­ stellt wird, indem die zeitliche Steuerung der Nacheinspritzung in Abhängigkeit von der Zunahme der Temperatur eines NOx- Katalysators der selektiven Reduktionsbauart allmählich verzö­ gert wird.
Wenn die Temperatur in dem Zylinder jedoch zur Zeit des Auf­ treffens der Nacheinspritzung niedrig ist, kann das HC im nach­ träglich eingespritzten Kraftstoff nicht in leichteres HC re­ formiert werden, so daß das relativ schwere HC zu dem NOx- Katalysator der selektiven Reduktionsbauart geliefert wird und deshalb eine Abnahme der NOx-Konzentrations-Reduktionsrate her­ vorruft. Darüber hinaus erhöhen niedrige Temperaturen des Zy­ linderinnenraums die Wahrscheinlichkeit, daß ein Sprühstrahl von nachträglich eingespritztem Kraftstoff eine Zylinderboh­ rungswandoberfläche erreicht und ein Problem der Motorölverdün­ nung hervorrufen kann. Wenn im Gegensatz dazu die Temperatur des Zylinderinnenraums zur Zeit der nachträglichen Einspritzung hoch ist, neigt der nachträglich eingespritzte Kraftstoff dazu, zu verbrennen, wodurch sich die Neigung erhöht, daß ein Problem entsteht, daß keine ausreichende Menge von HC an den NOx- Katalysator der selektiven Reduktionsbauart geliefert werden kann und sich deshalb die NOx-Konzentrations-Reduktionsrate vermindert.
Das vorgenannte Versagen bei der Reformation von HC, das durch die nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff auftreten kann, oder das Verbrennen des nachträglich eingespritzten Kraftstoffs wird ferner in einem Fall zu einem Problem, in dem ein NOx- Katalysator der Okklusions-Reduktionsbauart im Abgassystem an­ geordnet ist. Das Problem der Motorölverdünnung kann in Verbin­ dung mit dem nachträglichen Einspritzen ungeachtet des Zwecks der nachträglichen Einspritzung auftreten.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme hinsichtlich der nachträglichen Einspritzung zu verhindern, einschließlich des Problems der Motorölverdünnung und dergleichen, indem die zeitliche Steuerung der nachträgli­ chen Einspritzung so gesteuert wird, daß die nachträgliche Ein­ spritzung bei einer optimalen Temperatur des Zylinderinnenraums durchgeführt wird.
Die obige Aufgabe wird durch Kombinationen von Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst und die Unteransprüche offenbaren weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Um die vorgenannte und andere Aufgaben zu erreichen, verwendet die Erfindung die folgenden Konstruktionen. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Kraftstoffeinspritz- Steuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, die eine nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff aus einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung in einen Zylinder während einem Expansionstakt nach der Haupteinspritzung von Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Zylinder ungefähr beim obersten Kompressionstotmittelpunkt durchführt. Die Kraft­ stoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung ist dadurch gekennzeich­ net, daß sie eine Nacheinspritzsteuerungs- Bestimmungsvorrichtung zur Bestimmung einer zeitlichen Steue­ rung als nachträgliche Einspritzsteuerung, zu der eine Tempera­ tur im Zylinder zu einer Solltemperatur wird, im Bezug auf den oberen Kompressionstotmittelpunkt in Abhängigkeit von einem Be­ triebszustand des Verbrennungsmotors aufweist, wobei die Kraft­ stoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung eine nachträgliche Ein­ spritzung zur zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einsprit­ zung, die von der Nacheinspritzungssteuerungs-Bestimmungsvo­ rrichtung bestimmt wurde, durchführt.
In der Kraftstoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung für einen Ver­ brennungsmotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bestimmt die Nacheinspritzungssteuerungs-Bestimmungsvorrichtung eine zeitliche Steuerung der Nacheinspritzung in Bezugnahme auf den oberen Kompressionstotmittelpunkt in Abhängigkeit von dem Be­ triebszustand des Motors. Da die zeitliche Steuerung der nach­ träglichen Einspritzung so bestimmt wird, daß die Temperatur im Zylinder bei jener zeitlichen Steuerung zur Solltemperatur wird, wird die nachträgliche Einspritzung durchgeführt, wenn die Temperatur im Zylinder die Solltemperatur wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Kraftstoff­ einspritz-Steuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor vor­ gesehen, die eine nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in einen Zylinder während einem Expansionstakt nach der Haupteinspritzung von Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Zylinder ungefähr beim oberen Kompressionstotmittelpunkt durchführt, vorgesehen, wobei die Kraftstoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß sie eine Nacheinspritzungssteuerungs- Bestimmungsvorrichtung aufweist, zur Bestimmung einer zeitli­ chen Steuerung als Nacheinspritzungssteuerung, zu der eine Tem­ peratur im Zylinder zu einer Solltemperatur wird, unter Bezug­ nahme auf einen Haupteinspritzstartpunkt in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei die Kraft­ stoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung die Nacheinspritzung bei der zeitlichen Ansteuerung zur Nacheinspritzung, die von der Nacheinspritzungssteuerungs-Bestimmungsvorrichtung bestimmt wird, durchführt.
In der Kraftstoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung für einen Ver­ brennungsmotor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bestimmt die Nacheinspritzungssteuerungs-Bestimmungsvorrichtung eine zeitliche Steuerung der Nacheinspritzung unter Bezugnahme auf den Haupteinspritzungsstartpunkt in Abhängigkeit von dem Motor­ betriebszustand. Da die Nacheinspritzungssteuerung so bestimmt wird, daß die Temperatur im Zylinder bei jener zeitlichen Steuerung zur Solltemperatur wird, wird die nachträgliche Ein­ spritzung durchgeführt, wenn die Temperatur im Zylinder zur Solltemperatur wird.
Im ersten und zweiten Aspekt der Erfindung kann die Solltempe­ ratur eine solche Temperatur im Zylinder sein, bei der der nachträglich eingespritzte Kraftstoff nicht verbrennt und bei dem der nachträglich eingespritzte Kraftstoff-Sprühstoß nicht eine Bohrungswandoberfläche des Zylinders erreicht. Folglich wird die Motorölverdünnung bezogen auf die nachträglich Ein­ spritzung verhindert. Der nachträglich eingespritzte Kraftstoff wird nicht verbrennen, sondern er wird zuverlässig in das Ab­ gassystem geliefert.
In Verbindung mit den ersten und zweiten Aspekten der Erfindung kann der Zweck der Durchführung der nachträglichen Einspritzung variiert werden. Beispielsweise kann der Zweck der nachträgli­ chen Einspritzung ein solcher sein, die NOx-Konzentrations- Reduktionsfunktion eines Mager-NOx-Katalysators, der im Abgas­ system angeordnet ist, aufrechtzuerhalten oder wiederherzustel­ len, oder um den Ladedruck eines Turboladers zu erhöhen, oder um den Aufwärmwirkungsgrad des Katalysators zu verbessern, ob­ wohl diese Zwecke lediglich Beispiele sind. Die Erfindung ist ungeachtet des Zwecks der nachträglichen Einspritzung anwend­ bar.
In den ersten und zweiten Aspekten der Erfindung kann der Ver­ brennungsmotor beispielsweise ein Direkteinspritzdieselmotor, ein Direkteinspritzbenzinmotor oder dergleichen sein.
Diese Zusammenfassung der Erfindung muß nicht zwingenderweise alle notwendigen Merkmale beschrieben haben, sondern die Erfin­ dung kann ferner in einer Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale liegen.
Die vorgenannten und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Be­ schreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustel­ len.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Konstruktion eines Ausführungsbeispiels der Kraftstoffeinspritz- Steuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor der Erfin­ dung.
Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel der Proze­ dur der zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einspritzung, die durch dieses Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, dar­ stellt.
Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffeinspritz- Steuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor der Erfindung wird im nachfolgenden detailliert unter Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kraftstoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung der Erfin­ dung auf einen Fahrzeugdieselmotor angewandt.
Fig. 1 stellt den Gesamtaufbau eines Direkteinspritzdieselmo­ tors dar, der mit einer Kraftstoffeinspritz- Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Ge­ mäß Fig. 1 ist ein Motor 1 ein Vierzylinderdieselmotor. Über ein Ansaugrohr 2, einen Ansaugkrümmer 20 und Ansaugverzweigroh­ ren 21, 22, 23, 24, die sich von dem Ansaugkrümmer 20 aus ver­ zweigen, wird Frischluft in die Verbrennungskammern #1 bis #4 der Zylinder 11, 12, 13 und 14 eingeführt. In einer Teilstrecke des Ansaugrohrs 2 sind ein Luftstrommesser 3, ein Kompressor 5 eines Turboladers 4, ein Zwischenkühler 6 und eine Ansaugdros­ selklappe 7 vorgesehen. Die Ansaugdrosselklappe 7 wird durch eine elektronische Motorsteuerungseinheit (ECU) 100 in Abhän­ gigkeit von dem Betriebszustand des Motors 1 gesteuert.
Der Motor 1 ist mit einem Motorwassertemperatursensor 57 ausge­ stattet, der ein Ausgangssignal entsprechend der Temperatur von Kühlwasser des Motors 1 an die ECU 100 ausgibt.
Der Ansaugkrümmer 20 ist mit einem Ansaugkrümmer- Temperatursensor 51 versehen, der ein Ausgangssignal entspre­ chend der Temperatur der Ansaugluft in dem Ansaugkrümmer 20 an die ECU 100 ausgibt. Der Ansaugkrümmer-Temperatursensor 51 ist stromabwärts von der Ansaugdrosselklappe 7 angeordnet, genauer gesagt an einer Position, die ausreichend von einem Verbin­ dungsabschnitt eines Abgasrückführungsrohrs 47 (EGR) entfernt ist, so daß die Temperatur der Luft, die ausreichend mit dem EGR-Gas vermischt wird, als Ansaugluft-Temperatur gemessen wer­ den kann.
Der Motor 1 hat jeweils Kraftstoffeinspritzventile (Kraftstoffeinspritzvorrichtung) 31, 32, 33, 34, zur Einsprit­ zung von Kraftstoff in die Zylinder 11 bis 14. Kraftstoff von einer Kraftstoffversorgungsvorrichtung 52 wird bei einem vorbe­ stimmten Druck in einer gemeinsamen Leitung 53 (common rail) zeitweise gespeichert und anschließend davon an die Kraftstof­ feinspritzventile 31 bis 34 geliefert.
Die gemeinsame Leitung (im folgenden common rail) 53 ist mit einem common-rail-Drucksensor 54 versehen, der ein Ausgangs­ signal an die ECU 100 ausgibt, das dem Kraftstoffdruck in der common-rail 53 (common-rail-Druck) entspricht.
Die Kraftstoffeinspritzventile 31 bis 34 werden durch die ECU 100 so gesteuert, daß die Kraftstoffeinspritzventile 31 bis 34 eine Haupteinspritzung von Kraftstoff in die entsprechenden Zy­ linder zu einer zeitlichen Steuerung nahe an dem oberen Kom­ pressionstotmittelpunkt durchführen, so daß ein vorbestimmtes Kraftstoff-Einspritzventil eine nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff in den entsprechenden Zylinder während dessen Expan­ sionstakt durchführt. HCs, die durch die nachträgliche Ein­ spritzung von Kraftstoff vorgesehen sind, werden an einen NOx- Katalysator der selektiven Reduktionsbauart 10a geliefert, wie nachstehend beschrieben wird.
Die zeitliche Steuerung der Öffnung und die offene Ventildauer der Kraftstoffeinspritzventile 31 bis 34 für die Haupteinsprit­ zung und die nachträgliche Einspritzung werden von der ECU 100 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors 1 gesteuert. Die ECU 100 bestimmt, welcher der #1 bis #4 Zylinder 11 bis 14 die nachträgliche Einspritzung empfangen soll.
Abgas wird von den Verbrennungskammern der Zylinder 11 bis 14 über Auslaßverzweigungsrohre 41, 42, 43, 44, die entsprechend zu den Zylindern 11 bis 14 vorgesehen sind, in einen Abgaskrüm­ mer 40 ausgestoßen.
Nach dem Strömen in den Abgaskrümmer 40 wird das Abgas über ein Zusammenström-Abgasrohr 8 in die Atmosphäre ausgestoßen. Eine Turbine 9 des Turboladers 4 und ein katalytischer Umwandler 10 sind auf der Strecke des Zusammenström-Abgasrohrs 8 vorgesehen. Abgas treibt die Turbine 9 und deshalb den mit der Turbine 9 gekoppelten Kompressor 5 an, wodurch die Ansaugluft aufgeladen wird.
Der katalytische Umwandler 10 enthält einen NOx-Katalysator der selektiven Reduktionsbauart in 10a. Der NOx-Katalysator der se­ lektiven Reduktionsbauart 10a reduziert oder zerlegt NOx in An­ wesenheit von Kohlenwasserstoffen (HCs) in einer Sauer­ stoffüberschuß-Atmosphäre. Der NOx-Katalysator der selektiven Reduktionsbauart 10a kann beispielsweise ein Katalysator sein, der durch Beladen von Zeolit mit einem Übergangsmetall wie bei­ spielsweise Kupfer (Cu) oder dergleichen durch Ionenaustausch vorbereitet wird, oder ein Katalysator, der durch Beladen von Zeolit oder Aluminiumoxid mit einem Edelmetall oder dergleichen vorbereitet wird.
Nahe des Einlasses und des Auslasses des katalytischen Umwand­ lers 10 in dem Zusammenström-Auslaßrohr 8 sind ein Einströ­ mungsgas-Temperatursensor 55 und ein Ausströmungsgas- Temperatursensor 56 vorgesehen. Der Einströmungsgas- Temperatursensor 55 gibt ein Ausgangssignal an die ECU 100 ab, das der Temperatur des Abgases, das in den katalytischen Um­ wandler 10 strömt, entspricht. Der Ausströmungsgas- Temperatursensor 56 gibt ein Ausgangssignal an die ECU 100 ab, das der Temperatur des aus dem katalytischen Umwandlers 10 aus­ strömenden Abgases entspricht. Auf der Basis der Signale von dem Einströmungsgas-Temperatursensor 55 und dem Ausströmungs­ gas-Temperatursensor 56 berechnet die ECU 100 eine Katalysator­ temperatur des katalytischen Umwandlers 10.
Über das EGR-Rohr 47, das von dem Abgasverzweigungsrohr 44, das sich beispielsweise vom #4-Zylinder 14 oder von irgendeinem an­ deren Zylinder oder von mehr als einem Zylinder aus erstreckt, verzweigt, kann ein Anteil des Abgases von dem #4-Zylinder 14 als EGR-Gas an den Ansaugkrümmer 20 zurückgeleitet werden. Ein EGR-Ventil 49 der Unterdruckbauart ist auf der Strecke des EGR- Rohrs 47 vorgesehen. Ein Ansaugrohrunterdruck wird über ein (nicht gezeigtes) Verbindungsrohr in eine Membrankammer des EGR-Ventils 49 eingeführt. Die Öffnung des EGR-Ventils 49 wird so gesteuert, daß die Strömung des EGR-Gases in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors 1 gesteuert wird.
Die ECU 100 wird durch einen digitalen Computer gebildet, der einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Random-Zugriffsspeicher (RAM), eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Ein­ gangsanschluß und einen Ausgangsanschluß, die durch einen bidi­ rektionalen Bus verbunden sind, enthält. Die ECU 100 führt grundlegende Motorsteuerungsfunktionen durch, einschließlich der Steuerung der Kraftstoffeinspritzmenge und dergleichen. In diesem Ausführungsbeispiel führt die ECU 100 ferner eine Steue­ rung der nachträglichen Einspritzung zur Lieferung von HCs an den katalytischen Umwandler 10 durch.
Für die Steuerungsfunktionen gibt der Eingangsanschluß der ECU 100 ein Signal von einem Gaspedal-Herabdrückungssensor 71 und ein Signal von einem Kurbelwinkelsensor 72 ein. Der Gaspedal- Herabdrückungssensor 71 gibt eine Ausgangsspannung an die ECU 100 ab, die proportional zur Gaspedal-Herabdrückung ist. Basie­ rend auf dem Signal von dem Gaspedal-Herabdrückungssensor 71 berechnet die ECU 100 eine Motorlast. Der Kurbelwinkelsensor 72 gibt in einem Intervall von bestimmten Drehwinkeln der Kurbel­ welle ein Ausgangssignal an die ECU 100 ab. Auf der Basis von Pulsen von dem Kurbelwinkelsensor 72 berechnet die ECU 100 eine Motordrehzahl. Auf der Basis der Motorlast und der Motordreh­ zahl bestimmt die ECU 100 einen Motorbetriebszustand.
Die Funktion der Kraftstoffeinspritz-Steuerungsvorrichtung die­ ses Ausführungsbeispiel wird beschrieben.
Die ECU 100 öffnet die Kraftstoffeinspritzventile 31 bis 34 zu vorbestimmten zeitlichen Steuerungen zu vorbestimmten Zeitperi­ oden, um eine Haupteinspritzung von einer vorbestimmten Menge an Kraftstoff in die Zylinder 11 bis 14 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors 1 durchzuführen. Nachdem der Kraft­ stoff, der durch die Haupteinspritzung in die Zylinder 11 bis 14 eingespritzt wurde, explodiert oder verbrannt ist, wird Ab­ gas über die Abgasverzweigrohre 41 bis 44, den Abgaskrümmer 40, das Zusammenström-Abgasrohr 8 und den katalytischen Umwandler 10 in die Atmosphäre ausgestoßen.
Ferner berechnet die ECU 100 in Abhängigkeit von dem Betriebs­ zustand des Motors 1 eine Kraftstoffmenge, die nachträglich eingespritzt werden soll, d. h., eine Kraftstoffmenge, die einer Menge eines Reduktionswirkstoffes entspricht, die für den kata­ lytischen Umwandler 10 notwendig ist, um das NOx im Abgas, das durch die Explosion von Kraftstoff, der von der Haupteinsprit­ zung geliefert wurde, erzeugt wurde, im wesentlichen zu entfer­ nen, und sie öffnet dementsprechend das Kraftstoffeinspritzven­ til entsprechend einem vorbestimmten Zylinder in einer vorbe­ stimmten Ventilöffnungssteuerung für eine vorbestimmte Zeitdau­ er während des Expansionstakts des Zylinders, wodurch die Nach­ einspritzung der berechneten Kraftstoffmenge durchgeführt wird. Die in der nachträglich eingespritzten Kraftstoffmenge enthal­ tenen HCs werden durch die Wärme, die durch die Verbrennung er­ zeugt wird, in leichtere HCs reformiert und die leichteren HCs werden zusammen mit dem Abgas über die Abgasleitung wie vorste­ hend beschrieben zum katalytischen Umwandler 10 geliefert. Folglich wird das NOx im Abgas im NOx-Katalysator der selekti­ ven Reduktionsbauart 10a des katalytischen Umwandlers 10 in N2, H2O, C2O reduziert und N2, H2O, C2O werden in die Atmosphäre ausgestoßen.
Wie vorstehend in Verbindung mit dem Stand der Technik be­ schrieben wurde, verbrennt der nachträglich eingespritzte Kraftstoff, wenn die Innenraumtemperatur des Zylinders zur Zeit der nachträglichen Einspritzung übermäßig hoch ist, so daß eine erforderliche Menge von HCs nicht zum katalytischen Umwandler 10 geliefert werden kann und deshalb nimmt die NOx- Konzentrations-Reduktionsrate ab. Wenn im Gegensatz dazu die Innenraumtemperatur des Zylinders bei der nachträglichen Kraft­ stoffeinspritzung übermäßig niedrig ist, können die HCs im nachträglich eingespritzten Kraftstoff nicht in leichtere HCs reformiert werden, so daß die relativ schweren HCs in den NOx- Katalysator der selektiven Reduktionsbauart geliefert werden und deshalb eine Verringerung der NOx-Konzentrations- Reduktionsrate verursachen. Darüber hinaus erhöht die niedrige Innenraumtemperatur des Zylinders die Wahrscheinlichkeit, daß der nachträglich eingespritzte Kraftstoff-Sprühstrahl das Ver­ brennungsgas im Inneren des Zylinders durchdringt, d. h., die Wahrscheinlichkeit, daß ein nachträglich eingespritzter Kraft­ stoff-Sprühstrahl eine Zylinderbohrungswandoberfläche erreicht und das Problem der Motorölverdünnung hervorrufen kann.
Deshalb muß die nachträgliche Einspritzung selektiv durchge­ führt werden, wenn die Innenraumtemperatur des Zylinders auf einem solchen Niveau ist, daß im wesentlichen keine Möglichkeit besteht, daß ein nachträglich eingespritzter Kraftstoff- Sprühstrahl die Zylinderbohrungswandoberfläche erreicht und so daß die HCs bei dem nachträglich eingespritzten Kraftstoff in leichtere HCs reformiert werden können.
Deshalb steuert die ECU 100 bei dieser Kraftstoffeinspritz- Steuerungsvorrichtung die nachträgliche Einspritzung durch Be­ rechnen einer zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einsprit­ zung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors 1, so daß die nachträgliche Einspritzung durchgeführt wird, wenn die Innenraumtemperatur des Zylinders für die nachträgliche Ein­ spritzung optimal wurde. In diesem Ausführungsbeispiel wird ei­ ne innere Zylindertemperatur, die für die nachträgliche Ein­ spritzung optimal ist, d. h., eine Innenraumtemperatur eines Zy­ linder, so daß eine nachträgliche Einspritzung eines Kraft­ stoffsprühstrahls die Zylinderwandoberfläche nicht erreichen wird und die HCs im nachträglich eingespritzten Kraftstoff in leichtere HCs reformiert werden, im Vorfeld durch Experimente am Motor 1 bestimmt.
Vor der Beschreibung der Prozedur eine zeitlichen Steuerung ei­ ner nachträglichen Einspritzung wird das Verhältnis zwischen der Innenraumtemperatur des Zylinders und der Kolbenposition (Kurbelwinkel) diskutiert.
Wenn ein Motor bei einer Motordrehzahl eine, einer Motorwasser­ temperatur gthw und einer Ansaugkrümmertemperatur gthi und mit einer Hauptkraftstoffeinspritzmenge eqfin (Kraftstoffmenge, die durch die Haupteinspritzung geliefert wird) und einer Ansaug­ luftmenge ega betrieben wird, dann wird eine gelieferte Wärme­ menge Qinj durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Qinj = eqfin × spezifisches Gewicht von Kraftstoff × Wärmerate des Kraftstoffs
Im Fall einer adiabaten Kompression wird die Innenraumtempera­ tur Tpo zur Zeit der nachträglichen Einspritzung wie folgt aus­ gedrückt:
Tpo = (ghti × ε(κ-1) + Qinj/(ega × Cv)) (Vtdc/Vpo)(κ-1)
wobei ε das Kompressionsverhältnis ist; κ das Verhältnis der spezifischen Wärmen ist; Cv die spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen ist; Vpo der Zylinderrauminhalt zur Zeit der nachträglichen Einspritzung ist; und Vtdc der Zylinderraumin­ halt im oberen Totmittelpunkt (TDC) ist.
Im tatsächlichen Motor tritt jedoch ein Kühlwasserverlust auf, so daß Tpo kleiner als der Wert ist, der durch die obige Glei­ chung gegeben ist.
Unter der Annahme, daß die Verbrennung bei einem perfekten kon­ stanten Volumen durchgeführt wird, wird die Zylinderinnenraum­ temperatur Ttdc im oberen Totmittelpunkt (TDC) wie folgt ausge­ drückt:
Ttdc = Qinj/(ega × Cv) + gthi × ε(κ-1)
Jedoch ist der Kühlwasserverlust Qw proportional zu (Ttdc - gthw) und umgekehrt proportional zur Motordrehzahl ene. Deshalb kann der Kühlwasserverlust Qw durch eine eindimensionale Tabel­ le, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird, bestimmt werden:
((Qinj/(ega × Cv) + gthi × ε(κ-1) - gthw)/ene (1).
Unter Berücksichtigung des Kühlwasserverlustes Qw wird die in­ nere Zylindertemperatur Tpo zur Zeit der nachträglichen Ein­ spritzung wie folgt ausgedrückt:
Tpo = (gthi × ε(κ-1) + (Qinj - Qw)/(ega × Cv)) (Vtdc/Vpo)(κ-1)
Deshalb wird der Zylinderrauminhalt Vpo zur Zeit der nachträg­ lichen Einspritzung wie folgt ausgedrückt:
Vpo = (ghti(1/(κ-1)) × ε + (Qinj - Qw)/(ega × Cv))(1/(κ-1)) × Vtdc/Tpo
Der Kurbelwinkel eainjpo zur Zeit der nachträglichen Einsprit­ zung, der vom oberen Totmittelpunkt (TDC) gemessen wird, wird wie folgt ausgedrückt:
eainjpo = cos-1(1 + 2/(ε - 1) - Vpo/(π × R2 × L))
wobei R der Zylinderbohrungsdurchmesser ist; und L der Hub ist.
Wenn jedoch eine optimale Innenraumtemperatur des Zylinders Tpo voreingestellt ist, wird es möglich, eine optimale nachträgli­ che Einspritzungssteuerung in Abhängigkeit von dem Motorbe­ triebszustand zu bestimmen.
Obwohl eine zeitliche Steuerung einer nachträglichen Einsprit­ zung durch eine wie oben beschriebene Prozedur eingestellt wer­ den kann, zeigt ein realer Motor einen Zeitverlust, da eine perfekte isovolumetrische Verbrennung in Wirklichkeit nicht stattfindet. Der Effekt eines Zeitverlustes kann durch Steue­ rung eines Intervalls eaintpo zwischen dem Ende einer Hauptein­ spritzdauer und dem Beginn einer nachfolgenden Nacheinspritz­ dauer beseitigt werden. Das Nacheinspritzintervall eaintpo hat eine Korrelation zum folgenden Ausdruck, wie hinsichtlich des Kurbelwinkels eainjpo zur Zeit der nachträglichen Einspritzung.
(gthi(1/(κ-1)) × ε + ( (Qinj - Qw)/(ega × Cv))(1/(κ-1)) (2).
Deshalb kann das Intervall der nachträglichen Einspritzung eaintpo auf der Basis einer eindimensionalen Tabelle mit dem Wert der vorstehend genannten Gleichung bestimmt werden.
Der Kurbelwinkel eainjpo zur Zeit der nachträglichen Einsprit­ zung, der vom oberen Totmittelpunkt (TDC) gemessen wurde, kann mit Bezug auf die Haupteinspritzungssteuerung wie folgt be­ stimmt werden:
eainjpo = eainj + etqf + eaintpo
wobei eainj die zeitliche Steuerung der Haupteinspritzung ist und etqf die Dauer der Haupteinspritzung.
Ein Beispiel der zeitlichen Steuerung einer nachträglichen Ein­ spritzungsprozedur wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrie­ ben.
Im Schritt 101 liest die ECU 100 die Motordrehzahl ene, die Hautpkraftstoffeinspritzmenge eqfin, die Motorwassertemperatur gthw, die Ansaugkrümmertemperatur gthi, die Menge an Ansaugluft ega und die Katalysatortemperatur tcat ein.
Nachfolgend bestimmt die ECU 100 in Schritt 102 einen Solldruck der common-rail epcr, eine zeitliche Haupteinspritzsteuerung eainj und eine Haupteinspritzdauer etqf in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors 1.
Im Schritt 103 berechnet die ECU 100 eine gelieferte Wärmemenge Qinj aus der folgenden Gleichung:
Qinj = eqfin × spezifisches Gewicht von Kraftstoff × Wärmerate des Kraftstoffs
Nachfolgend führt die ECU 100 im Schritt 104 die Gleichung (1) aus der leitet einen Kühlwasserverlust Qw entsprechend dem Ergebnis der Gleichung (1) aus der Kühlwasserverlusttabelle ab. Die Kühlwasserverlusttabelle ist eine eindimensionale Tabelle, die auf einem Verhältnis zwischen dem Kühlwasserverlust Qw und dem Wert der Gleichung (1), der durch ein Experiment am Motor 1 be­ stimmt wurde, basiert. Die Kühlwasserverlusttabelle ist in dem ROM der ECU 100 voreingespeichert.
Im Schritt 105 führt die ECU 100 die Gleichung (2) aus und lei­ tet ein Intervall der nachträglichen Einspritzung eaintpo ent­ sprechend dem Ergebnis der Gleichung (2) aus der Intervallta­ belle ab. Die Intervalltabelle ist eine eindimensionale Tabelle auf der Basis eines Verhältnisses zwischen dem Intervall der nachträglichen Einspritzung eaintpo und dem Wert der Gleichung (2), die durch ein Experiment am Motor 1 bestimmt wurde. Die Intervalltabelle wird im ROM der ECU 100 vorab eingespeichert.
Im Schritt 106 berechnet die ECU 100 eine zeitliche Steuerung der nachträglichen Einspritzung eainjpo aus der folgenden Glei­ chung:
eainjpo = eainj + etqf + eaintpo
Im Schritt 107 leitet die ECU 100 eine Kraftstoffmenge ab, die durch die nachträgliche Einspritzung eingespritzt werden soll, aus einer Tabelle der nachträglichen Einspritzmenge auf der Ba­ sis der Katalysatortemperatur tcat und der Menge an Ansaugluft ega. Die Tabelle der nachträglichen Einspritzmenge ist eine zweidimensionale Tabelle, die ein Verhältnis zwischen der Kata­ lysatortemperatur tcat und der Menge an Ansaugluft ega aus­ drückt. Die nachträgliche Einspritztabelle ist im ROM der ECU 100 vorab eingespeichert.
Im Schritt 108 führt die ECU 100 eine nachträgliche Einsprit­ zung auf der Basis der zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einspritzung, die in Schritt 106 bestimmt wurde, und der Menge der nachträglichen Einspritzung, die in Schritt 107 bestimmt wurde, durch.
Durch die oben beschriebene Steuerung der zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einspritzung in Abhängigkeit von dem Be­ triebszustand des Motors 1, ist die Kraftstoffeinspritz- Steuerungsvorrichtung in der Lage, eine nachträgliche Einsprit­ zung selektiv durchzuführen, wenn die Innenraumtemperatur des Zylinders für die nachträgliche Einspritzung optimal ist. Folg­ lich werden die HCs in nachträglich eingespritzten Kraftstoff in leichtere HCs reformiert, so daß die leichteren HCs in den NOx-Katalysator der selektiven Reduktionsbauart 10a geliefert werden können. Die NOx-Konzentrations-Reduktionsrate wird somit verbessert. Da die nachträgliche Einspritzung bei einer optima­ len Innenraumtemperatur des Zylinders durchgeführt wird, wird desweiteren kein nachträglich eingespritzter Kraftstoff- Sprühstrahl die Zylinderbohrungswandoberfläche erreichen. Des­ halb kann eine Motorölverdünnung bezogen auf die nachträgliche Einspritzung verhindert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel bildet die ECU 100 eine Bestim­ mungsvorrichtung der zeitlichen Steuerung einer nachträglichen Einspritzung.
In einer Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für einen Dieselmotor 1, der eine nachträgliche Einspritzung von Kraft­ stoff aus einem Kraftstoffeinspritzventil 31-34 in einem ent­ sprechenden Zylinder 11-14 während einem Expansionsakt nach ei­ ner Haupteinspritzung von Kraftstoff aus dem Kraftstoffein­ spritzventil 31-34 in den Zylinder 11-14 um den oberen Kompres­ sionstotmittelpunkt herum durchführt, bestimmt eine ECU 100 als zeitliche Steuerung einer nachträglichen Einspritzung eine zeitliche Steuerung, bei der eine Temperatur in dem Zylinder 11-14 zu einer Solltemperatur wird, in Bezug auf den oberen Kompressionstotmittelpunkt in Abhängigkeit von dem Betriebszu­ stand des Dieselmotors 1. Die ECU 100 führt eine nachträgliche Einspritzung mit der somit ermittelten zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einspritzung durch.

Claims (4)

1. Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die eine nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff aus einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (31, 32, 33, 34) in einen Zylinder (11, 12, 13, 14) während einem Expansionstakt nach einer Haupteinspritzung von Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Zylinder um einen oberen Kompressionstotmittelpunkt herum durchführt, wobei die
Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Bestimmungsvorrichtung für die zeitliche Steuerung der nachträglichen Einspritzung (100) aufweist, zur Bestimmung einer zeitlichen Steuerung als nachträgliche Einspritzsteuerung, bei der eine Temperatur im Zylinder (11, 12, 13, 14) in Bezug auf den oberen Kompressionstotmittelpunkt zu einer Solltemperatur wird, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei die
Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung eine nachträgliche Einspritzung bei der zeitlichen Ansteuerung zur nachträglichen Einspritzung durchführt, die durch die Bestimmungsvorrichtung der zeitlichen Steuerung der nachträglichen Einspritzung (100) bestimmt wurde.
2. Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die eine nachträgliche Einspritzung von Kraftstoff aus einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (31, 32, 33, 34) in einen Zylinder (11, 12, 13, 14) während einem Expansionstakt nach der Haupteinspritzung von Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in den Zylinder um einen oberen Kompressionstotmittelpunkt herum durchführt, wobei die
Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Bestimmungsvorrichtung für die zeitliche Steuerung einer nachträglichen Einspritzung (100) aufweist, zur Bestimmung einer zeitlichen Steuerung als nachträgliche Einspritzsteuerung, bei der eine Temperatur im Zylinder (11, 12, 13, 14) in Bezug auf einen Haupteinspritzstartpunkt zu einer Solltemperatur wird, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei die
Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung eine nachträgliche Einspritzung bei der zeitlichen Ansteuerung zur nachträglichen Einspritzung durchführt, die durch die Bestimmungsvorrichtung für die zeitliche Steuerung der nachträglichen Einspritzung (100) bestimmt wurde.
3. Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur eine solche Temperatur im Zylinder ist, bei der ein nachträglich eingespritzter Kraftstoff nicht verbrennt, und bei der ein nachträglich eingespritzter Kraftstoff-Sprühstrahl nicht eine Bohrungswandoberfläche des Zylinders erreicht.
4. Kraftstoffeinspritzsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur so bestimmt wird, daß die HCs im nachträglich eingespritzten Kraftstoff in leichtere HCs reformiert werden.
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