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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor sowie ein Abgasreinigungsverfahren
zum Regenerieren eines Katalysators, der in einer Abgasleitung eines
Motors angeordnet ist.
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Das japanische Patent Nr. 2692530
zeigt ein Steuersystem zur Regenerierung eines Katalysators des
NOx-absorbierenden Typs durch vorübergehende Anreicherung einer
Luft-Treibstoffmischung, wodurch in einer reduzierenden Atmosphäre NOx vom Katalysator
freigegeben wird. Die vorläufige
japanische Patentveröffentlichung
Nr. H7 (1995)-332071 zeigt ein Steuersystem zur Steuerung eines
Motors mit Direkteinspritzung zur Regenerierung eines NOx-absorbierenden
Katalysators.
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Die Anreicherung des Luft-Treibstoffgemisches
zur Desorption von NOx aus einem Katalysator kann den Treibstoffverbrauch
verschlechtern. Bei einem Motor mit Direkteinspritzung führt die
Anreicherung bei der Treibstoffeinspritzung im Verdichtungshub mit
hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Fehlzündung, und daher kann die Anreicherung
erfolgen, indem der Zeitpunkt der Treibstoffeinspritzung zum Ansaughub
verlegt wird. In jedem Fall stellt die Anreicherung zur Freisetzung
von NOx einen Faktor dar, der die Treibstoffausbeute verschlechtert
und einen unerwünschten
Anstieg des Drehmoments verursacht; dies erfordert Maßnahmen,
wie beispielsweise die Verzögerung
des Zündzeitpunkts,
um einen Drehmomentstoß oder
Drehmomentschwankungen zu vermeiden.
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Aus der Druckschrift
US 5,775,099 ist ein Verfahren zur
Abgasreinigung einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Abgase der
Brennkraftmaschine werden durch einen NOx-Absorber geleitet. Bei einem mageren
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
weist das Abgas einen hohen NOx-Anteil auf, der in dem NOx-Absorber
absorbiert wird. Bei einem stöchiometrischen oder
fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch wird das NOx aus dem NOx-Absorber
gelöst
und reduziert. Zur Reduktion von NOx in dem NOx-Absorber wird das
mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
d.h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
bei annähernd
vollständiger
Diffusion des Kraftstoffes, von mager nach fett geändert. Hierzu schlägt die
US 5,775,099 vor, die Kraftstoffmenge
zu erhöhen,
so daß sich
ein stöchiometrisch
oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ergibt. Dabei wird Kraftstoff am Ende des Verdichtungshubs in der
Menge eingespritzt, daß sich
ein mageres mittleres Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet und zusätzlich Kraftstoff
während
des Ansaughubs eingespritzt, das sich ein stöchiometrisches oder fettes
Luft-Kraftstoff-Gemisch ergibt. Das derart erzeugte Abgas liefert
die nötigen Bestandteile
zur Regeneration des NOx-Absorbers.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor mit einem Katalysator,
der in einer Abgasleitung des Motors angeordnet ist, sowie ein Abgasreinigungsverfahren
zum Regenerieren eines Katalysators, der in einer Abgasleitung eines
Motors angeordnet ist, anzugeben, wobei eine hohe Reinigungsleistung
bei niedrigem Treibstoffverbrauch möglich ist.
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Gemäß dem Vorrichtungsaspekt wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Motor mit den Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
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Gemäß dem Verfahrensaspekt wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Abgasreinigungsverfahren zum Regenerieren eines Katalysators,
der in einer Abgasleitung eines Motors angeordnet ist, mit den Markmalen
des Anspruches 6 gelöst.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind in
den jeweiligen Unteransprüchen
dargelegt.
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Nachfolgend wird die vorliegende
Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 zeigt
eine schematische Ansicht, in der eine Motoreinheit gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dargestellt ist;
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, in dem ein Steuerungsverfahren dargestellt ist,
das durch eine in der 1 gezeigte
Steuereinheit durchgeführt wird;
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3 zeigt
einen Graphen, in dem ein Betriebsbereich des Motors mit einem mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis und
ein Betriebsbereich des Motors mit einem stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Verhältnis dargestellt
ist, wie es bei der Motoreinheit der 1 verwendet
wird.
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4, 5, 6 zeigen Graphen, in denen Steuerdiagramme
der Treibstoffeinspritzung beim Verdichtungshub dargestellt sind,
wie sie bei der Steuereinheit der 1 verwendet
werden;
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7 zeigt
einen Graphen, in dem eine Beziehung zwischen der Abgasleistung
und dem Zeitpunkt der Treibstoffeinspritzung beim Verdichtungshub
dargestellt ist;
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8 zeigt
einen Graphen, in dem ein Treibstoffverbrauch und eine Abgasleistung
als eine Funktion des Luft-Treibstoff-Verhältnisses bei der Treibstoffeinspritzung
während
des Verdichtungshubes und der Treibstoffeinspritzung während des
Ansaughubes dargestellt sind;
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9 und 10 zeigen Graphen zur Erläuterung
von Umschaltschemata, der Treibstoffeinspritzung bei der Motoreinheit
der 1 und 2.
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Die 1 zeigt
eine Motoreinheit, die mit einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ausgestattet ist.
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Gemäß diesem Beispiel ist eine
Verbrennungskraftmaschine 1 (nachfolgend Motor genannt) eine
Antriebsquelle eines Fahrzeugs. In einen jeden Zylinder des Motors 1 wird
Ansaugluft, die durch einen Luftreiniger (Luftfilter) 2 gefiltert
wird, durch ein Drosselventil (Drosselklappe) 3 zur Regelung
der Ansaugluftströmung
und ein Ansaugventil (Einlaßventil) 4 angesaugt.
An jedem Zylinder ist eine Treibstoffeinspritzeinrichtung 5 der
elektromagnetischen Bauart vorgesehen, um Treibstoff direkt in die
Verbrennungskammer einzuspritzen und dadurch im Zylinder eine Schicht
eines Luft-Treibstoff-Gemisches
zu bilden.
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Die Treibstoffeinspritzung bei einem
Ansaughub erzeugt eine Schicht eines homogenen Luft-Treibstoff-Gemisches,
da von der Einspritzung bis zur Zündung genügend Zeit zur Mischung bereitgestellt
wird. Im Gegensatz dazu wird durch Einspritzen von Treibstoff in
einem fortgeschrittenen Stadium eines Verdichtungshubes in Richtung
eines Hohlraums 21, der in einer Kolbenfläche 20 ausgebildet ist,
eine geschichtete Ladung um eine Zündkerze 6 gebildet.
In diesem Fall reicht die Zeit nicht aus, dass der Treibstoff diffundiert,
so dass sich ein Bereich fetten Gemisches in der Umgebung der Zündkerze
bildet, der von einer mageren Schicht umgeben ist.
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Das Luft-Treibstoff-Gemisch wird
durch die Zündkerze 6 gezündet und
verbrennt anschließend. Die
verbrannten Gase werden über
ein Auslaßventil 7 vom
Zylinder ausgestoßen
und mittels eines Katalysators 8 gereinigt. Dann werden
die Abgase an die Atmosphäre
abgegeben.
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Eine Steuereinheit oder Steuereinrichtung 10 dieses
Ausführungsbeispiels
umfasst als einen Hauptbestandteil einen Mikrocomputer. Die Steuereinheit 10 steuert
die Treibstoffeinspritzung einer jeden Einspritzeinrichtung 5 und
die Zündung
einer jeden Zündkerze 6.
Mit der Steuereinheit 10 bildet die Motoreinheit ein Steuerungssystems.
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Verschiedene Sensoren und Eingabeeinrichtungen
sammeln Eingangsinformationen über
die Betriebszustände
des Motors. Die Steuereinheit 10 empfängt die Eingangsinformation
durch den Empfang von Signalen dieser Vorrichtungen. Beim Beispiel
der 1 gibt es einen
Luftströmungsmesser oder
-sensor 11 zum Messen einer Ansaugluftmenge, einen Kurbelwinkelsensor 12 zum
Erfassen eines Drehwinkels des Motors und einer Motordrehgeschwindigkeit,
einen Sauerstoffsensor 15 zum Erfassen eines Luft-Treibstoff-Verhältnisses
in Abhängigkeit
einer Sauerstoffkonzentration im Abgasgemisch, einen Drosselsensor 16 zum
Erfassen eines Öffnungsrades
des Drosselventils 3 und einen Temperatursensor 17 zum
Erfassen der Kühlwassertemperatur
des Motors 1.
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Während
des Betriebs in einem stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis
dient der Katalysator 8 dazu, HC und CO zu oxydieren und
NOx zu reduzieren. Während
des Betriebes bei mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis scheidet der Katalysator 8 NOx
ab und speichert es. Das gespeicherte NOx wird in der reduzierenden
Atmosphäre
von stöchiometrischen
oder fetteren Luft-Treibstoff-Verhältnissen, die HC und CO enthalten,
ausreichend reduziert.
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Die Steuereinheit 10 unterscheidet
zwischen einem Betriebsbereich des Motors mit magerem Luft-Treibstoff-Gemisch,
wie beispielsweise einem Teillastbereich, zum Betrieb bei einem
extrem mageren Luft-Treibstoffverhältnis (beispielsweise L/T =
40) und einem Betriebsbereich des Motors mit einem stöchiometrischen
Luft-Treibstoffverhältnis, wie
beispielsweise im Hochlastbereich, zum Betrieb in einem stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis
(L/T = 14,5). Im Betriebsbereich des mageren Luft-Treibstoff-Verhältnisses
verlegt die Steuereinheit 10 den Treibstoffeinspritzzeitpunkt
in das fortgeschrittene Stadium des Verdichtungshubes, um eine geschichtete
Ladungsverbrennung zu erreichen. Im Betriebsbereich mit stöchiometrischem
Luft-Treibstoff-Verhältnis
setzt die Steuereinheit 10 den Zeitpunkt der Treibstoffeinspritzung
in den Ansaughub, um eine homogene Ladungsverbrennung zu erreichen.
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Bei jedem Umschalten vom Betriebsbereich mit
mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis
zum Betriebsbereich mit stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis
erzeugt die Steuereinheit 10 dieses Ausführungsbeispiels
eine reduzierende Abgasatmosphäre,
mit viel HC und CO, über
einen bestimmten Zeitraum, um den Katalysator 8 zu regenerieren,
d.h. das gespeicherte NOx zu reduzieren, bevor die Menge an abgeschiedenem
NOx während
des mageren Betriebs eine Sättigungsgrenze
erreicht.
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Um eine Verschlechterung des Treibstoffverbrauchs
während
dieser Steuerung der Regenerierung des Katalysators zu vermeiden,
ist das Steuerungssystem gemäß dem Ausführungsbeispiel
derart ausgebildet, dass es Treibstoff in die letzte Hälfte des Verdichtungshubes
zu einem bestimmten Zeitpunkt und in einer bestimmten Menge einspritzt,
dass das durchschnittliche Luft-Treibstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer
gleich oder magerer als das stöchiometrische
Luft-Treibstoff-Verhältnis
wird, und dass unmittelbar um die Zündkerze 6 ein Bereich
von fettem Luft-Treibstoffgemisch gebildet wird, das fetter als
das stöchiometrische
Verhältnis
ist. Dadurch erhöht
das Steuerungssystem unverbrannte Bestandteile, um den HC- und CO-Gehalt im
Abgasgemisch zu erhöhen.
Das Steuerungsprogramm der 2 wird
in gleichmäßigen Zeitintervallen
von vorbestimmter Zeitdauer (oder Zykluszeit) t (beispielsweise
10 ms) ausgeführt.
Bei diesem Steuerungsprogramm berechnet die Steuereinheit 10 eine
Treibstoffeinspritzmenge TiH und einen Treibstofteinspritzzeitpunkt
ITH für
eine Treibstoffeinspritzung in einen Ansaughub, und eine Treibstoffeinspritzmenge
TiS und einen Treibstoffeinspritzzeitpunkt ITS für eine Treibstoffeinspritzung
in einen Verdichtungshub. Die berechneten TiH, TiS, ITH und ITS
werden in einem Speicher abgespeichert. Bei einem Ausführungsprogramm
(nicht gezeigt) der Treibstoffeinspritzung, das synchron zur Motordrehung
ausgeführt
wird, liest die Steuereinheit 10 diese Treibstoffeinspritzmengen und
-zeitpunkte vorn Speicher ein und verwendet sie zum Ausführen der
Treibstoffeinspritzung.
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In einem Schritt S1 bestimmt die
Steuereinheit 10 die Ansaugluftmenge Qa durch A/D-Wandlung
des Ausgangs des Luftströmungsmessers 11 und
bestimmt des weiteren die Motordrehzahl Ne (Upm) in Übereinstimmung
mit der Pulsweite eines vom Kurbelwinkelsensor 12 erzeugten
Impulssignals.
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In einem Schritt S2 berechnet die
Steuereinheit 10 eine Basis-Treibstoffeinspritzmenge Tp
anhand der Luftansaugmenge Qa, der Motordrehzahl Ne und einem Koeffizienten
K (Tp = K × Qa/Ne).
Die Basis-Treibstoffeinspritzmenge Tp ist eine Treibstoffeinspritzmenge,
die benötigt
wird, um das mittlere Luft-Treibstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer
gleich dem stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis
zu setzen. Bei diesem Beispiel wird die Treibstoff-Einspritzmenge
in Abhängigkeit
von einer Öffnungszeit
der Treibstoffeinspritzeinrichtung 5 berechnet. Wenn die
Steuereinheit 10 ein Einspritzsteuerungssignal an die Einspritzeinrichtung 5 ausgibt,
das der Basis-Treibstoffeinspritzmenge
Tp [ms] entspricht, dann spritzt die Einspritzeinrichtung 5 den Treibstoff
in der Treibstoffmenge in den Zylinder ein, die dem stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis entspricht.
Die Basis-Treibstoffeinspritzmenge Tp wird außerdem als ein Parameter verwendet,
der eine Motorlast repräsentiert.
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In einem Schritt S3 schlägt die Steuereinheit 10 einen
Tabellenwert TFBYAmap, der der Motorlast Tp entspricht, und die
Motordrehzahl Ne in einer Tabelle zum Festsetzen des Soll-Äquivalenzverhältnisses,
wie sie in der 3 gezeigt
ist, nach und spei chert den Tabellenwert TFBYAmap als Soll-Äquivalenzverhältnis TFBYA.
Das Soll-Äquivalenzverhältnis TFBYA
ist ein Verhältnis,
das mittels eines Werts von 14,5, der dem stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Verhältnis entspricht,
und mittels eines Sollwerts A/F0 des mittleren Luft-Treibstoff-Gemisches
in der Verbrennungskammer, durch die folgende Gleichung bestimmt
wird.
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TFBYA = 14,5/(A/F0)
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Bei diesem Beispiel wird das mittlere Luft-Treibstoff-Verhältnis in
der Verbrennungskammer auf den Wert eines mageren Luft-Treibstoff-Verhältnisses
geregelt, wenn sich der Betriebspunkt des Motors innerhalb eines
Teillast-Betriebsbereiches des Motors befindet (in 3 durch eine durchgezogene Linie begrenzt;
auch als der Betriebsbereich des mageren Luft-Treibstoff-Verhältnisses
bezeichnet). Daher werden Werte, die kleiner als 1 sind, im Teillastbereich
der Tabelle zum Setzen des Äquivalenzverhältnisses
gespeichert. Beispielsweise wird ein Tabellenwert von ungefähr 0,36
in einem Unterbereich gespeichert, um das magere Soll-Luft-Treibstoff-Verhältnis gleich
40 zu setzen. Ein Luft-Treibstoff-Gemisch mit einem Luft-Treibstoff-Verhältnis von
40 ist zu mager, um zu zünden
und zu brennen. Diese Motoreinheit erreicht eine zufriedenstellende Verbrennung
eines derart mageren Gemisches mit einem Luft-Treibstoff-Verhältnis von 40 im Mittel über die
Verdichtungskammer durch die geschichtete Ladungsverbrennung, bei
der ein Luft-Treibstoff-Gemisch von in etwa dem stöchiometrischen
Verhältnis unmittelbar
um die Zündkerze
mit einer umgebenden Luftschicht mit wenig Treibstoff erzeugt wird.
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Die Tabelle zum Setzen des Soll-Äquivalenzverhältnisses
speichert einen Wert von 1 in einem Bereich außerhalb des Teillastbereiches.
Außerhalb des
Teillastbereiches wird daher das mittlere Luft-Treibstoff-Verhältnis auf
das stöchiometrische Luft-Treibstoff-Verhältnis geregelt.
Der Bereich außerhalb
des Teillastbereiches wird als Betriebsbereich mit stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Gemisches bezeichnet.
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In einem Schritt S4 bestimmt die
Steuereinheit 10, ob ein Zustand zur Regenerierung des
Katalysators 8 erfüllt
ist oder nicht. In diesem Beispiel stellt die Steuereinheit 10 fest,
dass der Zustand der Katalysatorregenerierung erfüllt ist,
wenn sich der Betriebs punkt des Motors vom Betriebsbereich mit magerem
Luft-Treibstoff-Verhältnis
zum Betriebsbereich mit stöchiometrischem
Luft-Treibstoff-Verhältnis
verschiebt. Bei diesem Beispiel wird die Antwort im Schritt S4 JA,
wenn der vorherige, aus der Tabelle gewählte, im Schritt S3 des vorherigen
Durchlaufs dieses Steuerungsprogramms erhaltene Wert TFBYAmap kleiner
als 1 ist, und der derzeitige, aus der Tabelle ausgewählte, im
Schritt S3 des derzeitigen Durchlaufs erhaltene Wert TFBYAmap eins
ist.
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Wenn die Antwort des Schrittes S4
bejahend ist, dann geht die Steuereinheit 10 zu einem Schritt S5.
Im Schritt S5 setzt die Steuereinheit 10 einen Zeitnehmer
zum Messen einer verstrichenen Zeit von der Erfüllung des Zustands der Katalysatorregenerierung
an auf 0.
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In einem auf den Schritt S5 folgenden
Schritt S6 bestimmt die Steuereinheit 10, ob eine Motorlast Tp
beim Übergang
vom Bereich des mageren Betriebs des Motors zum Bereich des stöchiometrischen
Betriebs des Motors größer als
ein vorbestimmter Lastwert Tp0 des Motors ist.
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Wenn der Motorbetriebspunkt durch
die Motorlast Tp bestimmt wird und die Motordrehzahl Ne sich von
einem im Betriebsbereich des mageren Luft-Treibstoff-Verhältnisses
angeordneten Punkt A zu einem Punkt B verschiebt, der oberhalb des
Wertes von Tp0 im Bereich des Betriebs mit stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Verhältnis angeordnet
ist, wie in der 3 gezeigt
ist, dann sind zwei unterschiedliche übergangsweise Verbrennungsarten
zur Regenerierung des Katalysators 8 zwischen der normalen Verbrennungsart
mit magerem Luft-Treibstoff-Verhältnis
und der normalen Verbrennungsart mit stöchiometrischem Verhältnis angeordnet,
um das Ausgangsmoment in Form von drei Stufen zu ändern.
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Wenn die Motorlast Tp zum Zeitpunkt
des Übergangs
vom Betriebsbereich des mageren Verhältnisses zum Betriebsbereich
des stöchiometrischen
Verhältnisses
niedriger oder gleich dem vorbestimmten Wert Tp0 ist (von einem
in der 3 gezeigten Punkt
C zu einem Punkt D), dann ist eine übergangsweise Verbrennungsbetriebsart
zur Regenerierung des Katalysators 8 zwischen der normalen Verbrennungsart
mit magerem Luft-Treibstoff-Verhältnis
und der normalen Verbrennungsart mit stöchiometri schem Verhältnis angeordnet,
um das Ausgangsmoment in der Form von zwei Schritten zu ändern.
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Wenn Tp > Tp0 gilt, dann geht die Steuereinheit 10 vom
Schritt S6 zu einem Schritt S7 und setzt eine erste Zeitdauer (oder
-spanne) T0 einer ersten übergangsweisen
Verbrennungsbetriebsart zur Erzeugung von CO nur durch Treibstoffeinspritzung
in einen Verdichtungshub und eine zweite Zeitdauer (oder -spanne)
T1 einer zweiten übergangsweisen Verbrennungsbetriebsart
zur Erzeugung von CO durch Zweifacheinspritzung mittels Einspritzung
in einen Ansaughub und Einspritzung in einen Verdichtungshub. Unter
der Annahme, dass die Konzentration des reduzierenden Mittels CO
im Abgasgemisch konstant ist, steigt die Menge des an den Katalysator 8 pro
Zeiteinheit geführten
CO mit der Strömungsgeschwindigkeit
des Abgasgemisches. Daher sinken TO und T1, wenn die Motorlast Tp
und die Motordrehzahl Ne steigen. In diesem Fall bestimmt die Steuereinheit 10 einen
Tabellenwert T01 map, der Werten einer Motorlast Tp und einer Motordrehzahl
Ne entspricht, durch Nachschlagen in einer Tabelle von gespeicherten
Werten der Zeitdauer TO für
die Betriebsart der Einspritzung während des Verdichtungshubes
in Abhängigkeit
von Tp und Ne, und einen Tabellenwert T1 map, der Werten der Motorlast
Tp und der Motordrehzahl Ne entspricht, durch Nachschlagen in einer
Tabelle von gespeicherten Werten der Zeitdauer T1 für die Betriebsart
der zweifachen Einspritzung in Abhängigkeit von Tp und Ne. Auf
diese Weise wird TO gleich T01 map gesetzt und T1 wird gleich T1
map im Schritt S7 gesetzt.
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Wenn Tp ≤ Tp0 gilt, dann geht die Steuereinheit 10 vom
Schritt S6 weiter zu einem Schritt S8. Im Schritt S8 setzt die Steuereinheit 10 die
Zeitdauer T0 für
die Verbrennungsbetriebsart zur Erzeugung von CO nur durch Einspritzung
während
des Verdichtungshubes. Die Zeitdauer T1 für die Verbrennungsbetriebsart
mit zweifacher Einspritzung wird gleich Null gesetzt, da die Verbrennungsbetriebsart
mit zweifacher Einspritzung nicht durchgeführt wird. Bei diesem Beispiel
wird T0 in Übereinstimmung
mit der Motorlast Tp und der Motordrehzahl durch Nachschlagen in
einer Tabelle, wie im Schritt S7 bestimmt. Die Tabelle zur Bestimmung
von T0 im Schritt S8 unterscheidet sich von der Tabelle, die zur
Bestimmung von T0 im Schritt S7 verwendet wird.
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In einem Schritt S9, der nach dem
Schritt S7 oder S8 oder im Falle einer negativen Antwort im Schritt
S4 nach dem Schritt S4 erreicht wird, bestimmt die Steuereinheit 10,
ob die verstrichene Zeit T seit der Erfüllung des der Katalysatorregenerierungszustandes
gleich oder kleiner als die Zeitdauer T0 ist.
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Wenn T ≤ T0 gilt, dann führt die
Steuereinheit 10 den Steuerungsfluss der Schritte S11 bis
S13 aus, um die Treibstoffeinspritzmenge und den Treibstofteinspritzzeitpunkt
zur Einspritzung während
des Verdichtungshubes festzulegen und NOx freizusetzen.
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Zunächst erhöht die Steuereinheit 10 in
einem Schritt S10 die Zeit T des Zeitnehmers um die Zykluszeit t
dieses Programms. Dies bedeutet, dass T = Tz + t gilt, wobei Tz
der Wert des Zeitnehmers unmittelbar vor Ausführung dieses Schrittes ist.
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Dann setzt sie in einem Schritt S11,
der dem Schritt S10 folgt, eine Einspritzmenge TiH für den Ansaughub
gleich 0.
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Im Schritt S12 berechnet die Steuereinheit 10 eine
Treibstoffeinspritzmenge TiS für
den Verdichtungshub (eine erste Treibstoffeinspritzmenge) durch Verwendung
eines Soll-Äquivalenzverhältnisses
TFBYAO während
der Steuerung der Katalysatorregenerierung. Das heißt, TiS
= Tp x TFBYAO. Dieses Soll-Äquivalenzverhältnis TFBYAO
ist gleich oder kleiner als 1. In diesem Beispiel ist TFBYAO kleiner als
1. Wenn beispielsweise die Freigabe von NOx bei einem durchschnittlichen
Luft-Treibstoff-Verhältnis von
18 durchgeführt
wird, dann wird TFBYAO ungefähr
gleich 0,8 gesetzt.
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Im Schritt S13 bestimmt die Steuereinheit 10 einen
Treibstoffeinspritzzeitpunkt ITS für den Verdichtungshub in Übereinstimmung
mit der Treibstoffeinspritzmenge TiS für den Verdichtungshub und der Motordrehzahl
Ne. In diesem Beispiel bestimmt die Steuereinheit 10 einen
Tabellenwert IT1 durch Nachschlagen in einer Tabelle der Zeitpunkte
der Treibstoffeinspritzung in Übereinstimmung
mit T1 S und Ne, wie in der 4 dargestellt
ist, und setzt den Treibstoffeinspritzzeitpunkt ITS für den Verdichtungshub
(einen ersten Treibstoffeinspritzzeitpunkt) auf IT1 (ITS = IT1).
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Der beim Verdichtungshub eingespritzte Treibstoff
diffundiert im Laufe der Zeit. Da sich der diffundierte Bereich
mit der Zeit ausdehnt, wird das Luft-Treibstoff-Verhältnis im
diffundierten Bereich größer. Dadurch
dass die Treibstoffeinspritzmenge konstant ist, wird das Luft-Treibstoff-Verhälntis des Luft-Treibstoff-Gemisches
in der näheren
Umgebung der Zündkerze
zum Zeitpunkt der Zündung
gesenkt, da sich der Treibstoffeinspritzzeitpunkt in Richtung des
oberen Totpunktes des Verdichtungshubes verschiebt (oder verzögert). Wenn
der Treibstoffeinspritzzeitpunkt konstant gehalten wird, dann wird
das Luft-Treibstoff-Verhältnis
des Luft-Treibstoff-Gemisches in der Umgebung der Zündkerze
zum Zeitpunkt der Zündung
gesenkt, da sich die Treibstoffeinspritzmenge verringert. Des weiteren
wird der Treibstoffeinspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von der Winkellage
der Kurbelwelle bestimmt. Selbst wenn daher der Treibstoffeinspritzzeitpunkt
unverändert
bleibt, wird die Zeit von der Einspritzung zur Zündung kürzer, da die Motordrehzahl
steigt, und das Luft-Treibstoff-Verhältnis des Luft-Treibstoff-Gemisches
in der Umgebung der Zündkerze
zum Zeitpunkt der Zündung
verringert sich. Die Tabelle der Zeitpunkte für die Treibstoffeinspritzung,
wie sie in der 4 gezeigt
ist, speichert Werte des Treibstoff-Einspritzzeitpunktes beim Verdichtungshub,
um das Luft-Treibstoff-Verhältnis
des Luft-Treibstoff-Gemisches in der Umgebung der Zündkerze
zum Zeitpunkt der Zündung
fetter als das stöchiometrische
Verhältnis
(beispielsweise bei einem fetteren Verhältnis von ungefähr 12) als
Funktion der Treibstoffeinspritzmenge TiS und der Motordrehzahl
Ne zu machen.
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Der Treibstoffeinspritzzeitpunkt
ITS kann als ein Kurbelwinkel bestimmt werden, bei dem die Treibstoffeinspritzung
beginnt, oder einen Kurbelwinkel, bei dem die Treibstoffeinspritzung
beendet wird. Um den Zeitpunkt vom Ende der Treibstoffeinspritzung
bis zur Zündung
genau zu steuern, ist es bevorzugt, als Treibstoffeinspritzzeitgeber
den Kurbelwinkel zu verwenden, bei dem die Treibstoffeinspritzung enden
sollte.
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Wenn die Antwort im Schritt S9 negativ
ist, geht die Steuereinheit 10 vom Schritt S9 zu einem Schritt
S14. Im Schritt S14 bestimmt die Steuereinheit 10, ob die
verstrichene Zeit T von der Erfüllung des
Zustandes der Katalysatorreinigung gleich oder kleiner als T0 +
T1 ist.
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Wenn T > T0 und T ≤ T0 + T1 gilt, dann nimmt die
Steuereinheit 10 den Steuerungsfluss der Schritte S16 bis
S18, um die Treibstoffeinspritzmengen und die Treibstoffeinspritzzeitpunkte
für die
zweifache Treibstoffeinspritzung zur Freisetzung von NOx zu setzen.
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Wenn im Fall, dass Tp kleiner oder
gleich Tp0 ist, im Schritt S8 T1 = 0 gesetzt wird, dann ist die Antwort
im Schritt S14 immer negativ, solange die Antwort des Schrittes
S9 negativ ist (T > T0).
Dadurch wird die Steuerungsbetriebsart zur normalen Steuerung umgeschaltet,
ohne dass die Steuerung zur Regenerierung des Katalysators durch
die zweifache Einspritzung durchgeführt wird.
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Im Falle des Steuerungsflusses der
Schritte S16 bis S18 erhöht
in einem Schritt S15 die Steuereinheit 10 zunächst die
verstrichene Zeit T um die Zykluszeit t (auf dieselbe Weise wie
im Schritt S10).
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Dann bestimmt in einem Schritt S16,
der auf den Schritt S15 folgt, die Steuereinheit 10 eine
Treibstoffeinspritzmenge TiH für
den Ansaughub (eine vierte Treibstoffeinspritzmenge) durch Verwendung eines Äquivalenzverhältnisses
TFBYA1. Bei diesem Beispiel gilt TiH = Tp × TFBYA1. Das Äquivalenzverhältnis TFBYA1
wird gleich einem Wert gesetzt, der fetter als ein Wert eines Äquivalenzverhältnisses, welches
eine Fortpflanzung der Flamme ermöglicht, und magerer als das
Soll-Äquivalenzverhältnis TFBYA0
für die
Steuerung der Katalysatorregenerierung ist. Bei diesem Beispiel
liegt TFBYA1 in einem Bereich von 0,65 bis 0,75 (entsprechend einem
Bereich des Luft-Treibstoff-Verhältnisses
von 22 bis 19).
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Im Schritt S17 berechnet die Steuereinheit 10 eine
Treibstoffeinspritzmenge TiS für
den Verdichtungshub (eine fünfte
Treibstoffeinspritzmenge) anhand des Soll-Äquivalenzverhältnisses
TFBYA0 zur Steuerung der Katalysatonegenerierung und der im Schritt
S16 berechneten Treibstoffeinspritzmenge TiH für den Ansaughub. Bei diesem
Beispiel wird die Treibstoffeinspritzmenge TiS für den Verdichtungshub durch
Subtraktion von TiH von Tp × TFBYA0
bestimmt. Das heißt,
TiS = Tp × TFBYA0 – TiH.
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Bei diesem Beispiel ist das Soll-Äquivalenzverhältnis TFBYA0
für die
Steuerung der Katalysatorregenerierung auf einen vorbestimmten einzigen konstanten
Wert festgelegt. TFBYA0 kann jedoch im Falle einer einzelnen Einspritzung
in den Verdichtungshub gleich einem ersten Wert (im Schritt S12) und
gleich einem zweiten Wert, der im Falle einer zweifachen Einspritzung
unterschiedlich vom ersten Wert ist (im Schritt S17), gesetzt werden.
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Im Schritt S18 setzt die Steuereinheit 10 einen
Treibstoffeinspritzzeitpunkt ITH für den Ansaughub (einen vierten
Treibstoffeinspritzzeitpunkt) und einen Treibstoffeinspritzzeitpunkt
ITS für
den Verdichtungshub (einen fünften
Zeitpunkt der Treibstoffeinspritzung).
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Bei diesem Beispiel wird der Treibstoffeinspritzzeitpunkt
ITH für
den Ansaughub auf einen Tabellenwert IT4 gesetzt, der durch Nachschlagen
in einer Tabelle der Zeitpunkte der Treibstoffeinspritzung (nicht
gezeigt) in Übereinstimmung
mit der Treibstoffeinspritzmenge für den Ansaughub TiH und der
Motordrehzahl Ne bestimmt wird. Das heißt, ITH = IT4. Diese Tabelle
der Treibstoffeinspritzzeitpunkte speichert eine Ansammlung von
derartigen gewünschten Werten
des Treibstoffeinspritzzeitpunktes ITH für den Ansaughub, um die Mischung
zwischen der Ansaugluft und der eingespritzten Luft ausreichend
zu fördern.
Der Treibstoffeinspritzzeitpunkt ITH kann ein Zeitpunkt eines Endes
der Treibstoffeinspritzung oder ein Zeitpunkt eines Beginns einer
Treibstoffeinspritzung, als Kurbelwinkel ausgedrückt, sein.
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Der Treibstoffeinspritzung ITS für den Verdichtungshub
wird auf einen Tabellenwert IT5 gesetzt, der in Übereinstimmung mit der Treibstoffeinspritzmenge
TiS für
den Verdichtungshub und der Motordrehzahl Ne durch Nachschlagen
in einer Tabelle der Treibstoffeinspritzzeitpunkte (wie in 5 gezeigt ist) bestimmt
wird.
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Bei der zweifachen Treibstoffeinspritzung wird
ein Bereich des fetten Luft-Treibstoff-Gemisches, das fetter als das stöchiometrische
Verhältnis ist,
unmittelbar um die Zündkerze
herum nicht allein durch die Treibstoffeinspritzung während des
Verdichtungshubes, sondern durch die Kombination der Einspritzung
beim Ansaughub und der Einspritzung beim Verdichtungshub erzeugt.
Bei der Einspritzung in den Verdich tungshub wird der Treibstoff
in einen Hintergrund gespritzt, der bereits in der Verbrennungskammer
durch die Treibstoffeinspritzung bei dem Ansaughub erzeugt wurde.
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Beispielsweise wird die Treibstoffeinspritzung
während
des Ansaughubes so ausgeführt,
dass ein Hintergrundbereich mit einem Luft-Treibstoff-Verhältnis von
22 in der Verbrennungskammer erzeugt wird und dann die Treibstoffeinspritzung
in den Verdichtungshub durchgeführt
wird, um einen Bereich eines Luft-Treibstoff-Gemisches mit einem Luft-Treibstoff-Verhältnis von
26 um die Zündkerze zu
erzeugen. In diesem Fall beträgt
das Luft-Treibstoff-Verhältnis
im fetten Bereich, der durch das während des Ansaughubes eingespritzten
Treibstoffes gebildet wurde, und den bei der Einspritzung in den Verdichtungshub
eingespritzten Treibstoffes ungefähr 12.
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Der Schritt S19 wird erreicht, wenn
T > T0 + T1 gilt und
daher die Antwort des Schrittes S14 negativ ist. Im Schritt S19
untersucht die Steuereinheit 10, ob das Soll-Äquivalenzverhältnis TFBYA,
das im Schritt S3 bestimmt wurde, kleiner als 1 ist. Dann führt die
Steuereinheit 10 das Steuerungsverfahren der Schritte S20
bis S22 aus, um die Treibstoffeinspritzmenge und den Zeitpunkt auf
die Werte des normalen Magerbetriebs zu setzen, wenn TFBYA < 1 gilt, und führt das
Steuerungsverfahren der Schritte S23 bis S25 aus, um die Treibstoffeinspritzmenge und
den Zeitpunkt für
den normalen stöchiometrischen
Betrieb zu setzen, wenn TFBYA > 1
gilt.
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Im Schritt S20 wird die Treibstoffeinspritzmenge
TiH während
des Ansaughubes gleich Null gesetzt (TiH = 0).
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Im Schritt S21 berechnet die Steuereinheit 10 die
Treibstoffeinspritzmenge TiS in den Verdichtungshub (eine zweite
Treibstofteinspritzmenge) unter Verwendung des Soll-Äquivalenzverhältnisses TFBYA,
das im Schritt S3 bestimmt wurde. Bei diesem Beispiel gilt TiS =
Tp × TFBYA.
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Im Schritt S22 setzt die Steuereinheit 10 den Treibstoffeinspritzzeitpunkt
ITS in den Verdichtungshub (einen zweiten Treibstoffeinspritzzeitpunkt)
auf einen Tabellenwert IT2, der in Übereinstimmung mit der Treibstoffeinspritzmenge
TiS in den Verdich tungshub und der Motordrehzahl Ne durch Nachschlagen
in einer Tabelle der Zeitpunkte der Treibstoffeinspritzung bestimmt
wird (wie in der 6 gezeigt
ist).
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In der Tabelle der Zeitpunkte der
Treibstoffeinspritzung, die in der 6 gezeigt
ist, ist eine Ansammlung von gewünschten
Werten des Treibstofteinspritzzeitpunktes für den Verdichtungshub als eine
Funktion der Treibstoffeinspritzmenge TiS und der Motordrehzahl
Ne gespeichert, um auf diese Weise ein ungefähr stöchiometrisches Luft-Treibstoft-Gemisch
in einem Bereich unmittelbar um die Zündkerze zum Zeitpunkt der Zündung zu
erzeugen.
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Die Tabellen der Zeitpunkte der Treibstoffeinspritzung
in den Verdichtungshub, die in den 4, 5 und 6 gezeigt sind, unterscheiden sich voneinander.
Von den Tabellenwerten der 4, 5 und 6 für dieselbe
Treibstoffeinspritzmenge und dieselbe Motordrehzahl stellt der Tabellenwert
der 4 (im Schritt S13
verwendet) einen am stärksten
verzögerten
Wert am nächsten
zum oberen Totpunkt des Verdichtungshubes dar, der Tabellenwert
der 5 (im Schritt S18
verwendet) stellt einen am stärksten
voreilenden Wert am weitesten vom oberen Totpunkt des Verdichtungshubes
entfernt dar, und der Tabellenwert der 6 (im Schritt S22 verwendet) ist ein zwischen
dem am stärksten
verzögerten
und dem am stärksten
voreilenden Wert liegender Wert.
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Im Schritt S23 berechnet die Steuereinrichtung 10 die
Treibstoffeinspritzmenge TiH beim Ansaughub (eine dritte Treibstoffeinspritzmenge)
unter Verwendung des Soll-Äquivalenzverhältnisses
TFBYA, das im Schritt S3 bestimmt wurde. In diesem Beispiel gilt
TiH = Tp × TFBYA.
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Im Schritt S24 setzt die Steuereinheit 10 die Treibstoffeinspritzmenge
TiS beim Verdichtungshub gleich 0.
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Im Schritt S25 setzt die Steuereinheit 10 den Treibstoffeinspritzzeitpunkt
für den
Ansaughub ITH (einen dritten Treibstofteinspritzeitpunkt) auf einen Tabellenwert
IT3 (ITH = IT3), der in Übereinstimmung mit
der Treibstoffeinspritzmenge TiH beim Ansaughub und der Motordrehzahl
Ne durch Nachschlagen in einer Tabelle der Treibstoffein spritzzeitpunkte
beim Ansaughub (nicht gezeigt) bestimmt wurde. Diese Tabelle kann
dieselbe Tabelle sein, wie sie im Schritt S18 zur Bestimmung von
IT4 benutzt wurde.
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Die 7 bis 10 erläutern die Steuerung zur Regenerierung
des Katalysators bei diesem Ausführungsbeispiel.
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Wie in der 7 gezeigt, ändern sich die Abgasmengen
an HC und CO im Fall einer geschichteten Ladungsverbrennung durch
die Treibstoffeinspritzung in den Verdichtungshub in Abhängigkeit
vom Treibstoffeinspritzzeitpunkt. Selbst wenn das durchschnittliche
Luft-Treibstoff-Verhältnis
stöchiometrisch ist,
wird das Luft-Treibstoff-Verhältnis in
der Umgebung der Zündkerze 6 fetter,
da der Zeitpunkt der Treibstoffeinspritzung verzögert ist, und daher steigen
die Mengen an HC und CO im Abgas.
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Die 8 zeigt
den Treibstoffverbrauch und die Abgaseigenschaften, die sich in
Abhängigkeit vom
Luft-Treibstoff-Gemisch im Betrieb mit der Treibstoffeinspritzung
in den Verdichtungshub und im Betrieb mit der Treibstoffeinspritzung
in den Ansaughub ändern.
Ein Vergleich bei einem stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Verhältnis zeigt,
dass die Treibstoffeinspritzung in den Verdichtungshub im Vergleich
zur Treibstoffeinspritzung in den Ansaughub weniger Treibstoff verbrennt,
aber die Mengen an HC und CO im Abgas bei der Treibstoffeinspritzung
in den Verdichtungshub relativ groß sind. Dieselbe Tendenz herrscht
bei einem Luft-Treibstoff-Verhältnis
L/T von ungefähr
18, was etwas magerer als das stöchiometrische
Verhältnis
ist. Im Bereich, in dem das Luft-Treibstoff-Verhältnis größer als 20 ist, sind die Eigenschaften
des Treibstoffverbrauchs, des HC und des CO umgekehrt.
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Um daher dieselben Mengen von HC
und CO im Abgas durch eine Einspritzung in den Ansaughub anstelle
einer Einspritzung in den Verdichtungshub zu erreichen, ist es notwendig,
das Luft-Treibstoff-Verhältnis
fetter zu machen. Für
die gleichen Mengen an HC und CO ist der Treibstoffverbrauch im
Falle der Treibstoffeinspritzung in den Ansaughub schlechter.
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Das Steuersystem gemäß dem Ausführungsbeispiel
nutzt ein derartiges Phänomen
aus und stellt die benötigten
Mengen an HC und CO durch die Einspritzung in den Verdichtungshub
sicher, ohne das Luft-Treibstoff-Verhältnis zur angereicherten Seite
hin zu verschieben.
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Auf diese Weise kann das Steuersystem durch
Setzen des Luft-Treibstoff-Verhältnisses
während
der Steuerung der Katalysator-Regenerierung auf ein Verhältnis gleich
oder etwas kleiner einem stöchiometrischen
Verhältnis
eine NOx-Desorption und einen reduzierenden Betrieb ohne Verschlechterung
der Treibstoffausbeute erreichen. Bei diesem Beispiel ist das Luft-Treibstoff-Verhältnis für die Katalysatorregenerierungssteuerung
auf einen Bereich von ungefähr
dem stöchiometrischen
Verhältnis
bis zu ungefähr
L/T = 18 festgelegt, in dem die Menge an CO im Abgas im wesentlichen
gleich der Menge ist, die durch eine Treibstoffeinspritzung in den
Ansaughub in einem stöchiometrischen
Verhältnis
erreicht wird. Der Betrieb in einem magereren Betriebszustand als
dem stöchiometrischen
begrenzt einen unerwünschten
Drehmomentanstieg und verhindert, dass eine Verzögerungssteuerung des Zündzeitpunktes
benötigt
wird, um eine Änderung
des Drehmoments zu verhindern.
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Das gewünschte Luft-Treibstoff-Verhältnis für die Steuerung
der NOx-Desorption ändert
sich in Abhängigkeit
der Ausbildung des Kolbenbodens oder der Eigenschaften der Treibstoffeinspritzeinrichtung.
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9 zeigt
ein Umschalten der Verbrennung, wenn die Motorlast nicht allzu groß ist. Wenn ein
Umschalten vom Betrieb mit einem mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis zu
einem Betrieb mit einem stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis
in Abhängigkeit
mit dem Betriebszustand des Motors verlangt wird (wie beispielsweise
der Motorlast und der Motordrehzahl), dann ändert sich das durchschnittliche
Luft-Treibstoff-Verhältnis (oder
das Gesamt-Soll- Luft-Treibstoff-Verhältnis) von einem Extremwert
der normalen Betriebsart der geschichteten Ladeverbrennung zu einem
nicht fetten Wert des Luft-Treibstoff-Verhältnisses, der etwas magerer
oder gleich dem stöchiometrischen
Verhältnis
ist, und die Treibstoffeinspritzung in den Verdichtungshub wird
bei diesem Luft-Treibstoff-Verhältnis
durchgeführt,
um ausreichende Mengen an HC und CO sicherzustellen und das im Katalysator 8 absorbierte
NOx freizugeben.
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Die 10 zeigt
ein Umschalten der Verbrennung, wenn die Motorlast relativ hoch
ist. Als Antwort auf einen Umschaltbefehl von einem mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis auf
ein stöchiometrisches
Luft-Treibstoff-Verhältnis,
der in Übereinstimmung
mit einer Änderung
des Betriebszustands des Motors erzeugt wird, betreibt das Steuerungssystem den
Motor zunächst
in der vorübergehenden
Betriebsart der Treibstoffeinspritzung in den Verdichtungshub bei
einem Luft-Treibstoff-Verhältniswert, der
fetter als der Wert bei der normalen Betriebsart der geschichteten
Ladeverbrennung ist und der gleich oder etwas magerer einem stöchiometrischen Verhältnis ist.
Danach betreibt das Steuerungssystem den Motor in der vorübergehenden
Betriebsart der zweifachen Einspritzung mit einer Treibstoffeinspritzung
in den Ansaughub und einer Treibstoffeinspritzung in den Verdichtungshub
bei jedem Zyklus. Bei der vorübergehenden
Betriebsart der Einspritzung in den Verdichtungshub (während der
Zeitspanne T0) und der vorübergehenden
Betriebsart der zweifachen Einspritzung (während der Zeitspanne T1) fördert das
Steuerungssystem die Desorption und Reduktion von NOx.
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Wenn die Betriebsart der zweifachen
Einspritzung auf die übergangsweise
Betriebsart der Einspritzung in den Verdichtungshub folgt, kann
das Steuerungssystem das durch den Motor erzeugte Drehmoment schrittweise
während
des Umschaltprozesses der Verbrennung zur normalen Betriebsart der
Einspritzung in den Ansaughub steuern und dadurch einen Drehmomentstoß beim Übergang
zum Betrieb im stöchiometrischen
Luft-Treibstoff-Verhältnis
verhindern. Nach Vollendung der NOx-Desorption des Katalysators 8 und
der Reduktion von NOx wird der Motor in der Betriebsart der Verbrennung
mit stöchiometrischem
Verhältnis
und der Treibstoffeinspritzung in den Ansaughub betrieben. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
wird die Steuerung der NOx-Desorption
und -Reduzierung bei jedem Umschalten vom Betrieb mit einem mageren
Luft-Treibstoff-Verhältnis
zu einem Betrieb mit einem stöchiometrischen Verhältnis durchgeführt. Es
ist optional, die Menge der NOx-Absorption von der Betriebszeit
des Betriebs im mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis und der Motorlast sowie
der Motordrehzahl während
des Betriebs mit einem mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis zu
schätzen
und die Steuerung der NOx-Desorption zu beginnen, wenn die Menge
der NOx-Absorption im Katalysator 8 gleich oder größer einem
vorbestimmten Wert nahe einem Sättigungswert
aufgrund der weiter andauernden Magerbetriebsart wird.
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Wenn sich in diesem Fall der Betriebspunkt des
Motors bei der Vollendung der Steuerung der Katalysatorregenerierung
im Betriebsbereich des mageren Luft-Treibstoff-Verhältnisses
befindet, wird die normale geschichtete Ladungsverbrennung bei beispielsweise
L/T = 40 wieder aufgenommen.
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Optional kann weiter die Steuerung
der Katalysatorregenerierung bei jedem Übergang vom mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis zum
stöchiometrischen
Verhältnis
durchgeführt
werden und des weiteren die Steuerung der Katalysatorregenerierung
unmittelbar durchgeführt
werden, wenn die Menge der NOx-Absorption gleich oder größer einer
vorbestimmten Menge wird.