DE60011498T2

DE60011498T2 - Steuerungsvorrichtung für eine funkgezündete Brennkraftmaschine mit Direkt-Einspritzung

Info

Publication number: DE60011498T2
Application number: DE60011498T
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Aki-gun Mamiya; Michihiro Aki-gun Imada; Takeo Aki-gun Yamauchi; Masayuki Aki-gun Tetsuno
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: KR100693044B1; JP3817961B2; EP1041262A2; JP2000282935A; KR20000062658A; EP1041262B1; EP1041262A3; DE60011498D1; US6325041B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, die Stickoxide (NOx) im Abgas selbst bei mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen entfernen kann, indem ein NOx-adsorbierender Katalysator, der NOx im Abgas in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff adsorbiert, in den Abgasweg des Motors eingesetzt ist.
BESCHREIBUNG DER ZUGEHÖRIGEN TECHNIK
Herkömmlicherweise, beispielsweise bei einer Steuervorrichtung für einen Motor dieses Typs, ist das folgende Steuerverfahren bekannt. Das heißt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Brennraums wird auf einen vorbestimmten mageren Zustand (z. B. L/K ≥ 20) gesteuert, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern, und NOx im Abgas, das zu einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff geworden ist, wird zu dieser Zeit von einem NOx-adsorbierenden Katalysator adsorbiert und entfernt. Bevor die adsorbierte NOx-Menge dieses NOx-adsorbierenden Katalysators zu groß wird und die Adsorptionsleistung abfällt, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums des Motors auf ein fettes umgeschaltet, das im wesentlichen gleich oder größer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wodurch NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator freigesetzt wird (was auch als Auffrischung oder Regenerierung des Katalysators zu bezeichnen ist).
Das in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 10-274085 offenbarte Verfahren nutzt bestimmte Eigenschaften des obengenannten NOx-adsorbierenden Katalysators aus; dabei wird NOx im Abgas in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff oxidiert und in Form von Nitraten adsorbiert, und NOx wird freigesetzt, indem die adsorbierten Nitrate durch Kohlenmonoxid (CO) im Abgas ersetzt werden wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt. Das heißt, die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird herabgesetzt, wenn NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator freigesetzt wird, und die CO-Konzentration im Abgas wird erhöht, indem bei einem Entspannungs- oder Auslaßhub jedes Zylinders zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt und wieder verbrannt wird, womit also die Freisetzung und Desoxidation/Reinigung von NOx unterstützt wird.
Nach der Freisetzung von NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums normalerweise dahingehend gesteuert, daß es fett bleibt (L/K = 12 bis 13), um die Sauerstoffkonzentration herabzusetzen und den Gehalt an reduzierbaren, unverbrannten Kohlenwasserstoffen (KW) und CO zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Freisetzung von NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator sowie die Desoxidation/Reinigung von NOx unterstützt werden. Da aber zusätzlicher Kraftstoff verbraucht wird, lediglich um den Katalysator aufzufrischen, leidet die Kraftstoffeinsparung.
Bei der herkömmlichen Steuervorrichtung (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 10-274085), die zusätzlichen Kraftstoff bei dem Entspannungs- oder Auslaßhub jedes Zylinders einspritzt, kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas herabgesetzt werden und die KW- und CO-Konzentration kann erhöht werden, ohne daß es zu einer Veränderung der Motorleistung kommt. Da der zusätzliche Kraftstoff jedoch fast keinen Betrag zur Motorleistung liefert, kann die Kraftstoffeinsparung erheblich schlechter werden.
Weitere solche Verfahren sind in US 5,775,099 A offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Situation getätigt, und es ist ihre Aufgabe, den Auffrischungseffekt eines Katalysators bei gleichzeitiger Minimierung eines Anstiegs im Kraftstoffverbrauch hinreichend zu verbessern, indem der Steuerungsablauf beim Auffrischen des Katalysators in einem Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung konzipiert wird unter Berücksichtigung der Tatsache, daß es zur Unterstützung des Auffrischens eines NOx-adsorbierenden Katalysators wirksam ist, nicht nur die KW- und CO-Konzentration im Abgas zu erhöhen, sondern vor allem auch das Verhältnis CO/NOx der CO- zur NOx-Konzentration zu erhöhen.
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung beim Auffrischen eines in den Abgasweg eines Motors eingesetzten NOx-adsorbierenden Katalysators das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Brennraums dahingehend gesteuert, daß es etwas magerer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wird Kraftstoff in zwei Einspritzvorgängen, d. h. einer vorausgehenden Einspritzung und einer nachfolgenden Einspritzung, portionsweise eingespritzt, und wird eine vorbestimmte Menge Abgas zu einem Ansaugsystem zurückgeführt, wie in Anspruch 1 aufgeführt.
Insbesondere beruht die Erfindung gemäß der ersten Ausgestaltung auf einer Motorsteuervorrichtung, die ein Kraftstoffeinspritzventil 7 zum direkten Einspritzen und Zuführen von Kraftstoff in einen Brennraum 4 in jedem Zylinder eines Motors 1 umfaßt, und ein NOx-adsorbierender Katalysator 25, der in einen Abgasweg 22 eingesetzt ist, der mit dem Brennraum 4 in Verbindung steht, adsorbiert NOx in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff mit einer hohen Sauerstoffkonzentration im Abgas und setzt das adsorbierte NOx frei, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt, wie in 1 gezeigt, wobei die Steuervorrichtung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums dahingehend steuert, daß es mager bleibt (Luftüberschußverhältnis λ ≥ 1,3), wenn der Motor 1 in einen Niedriglastbereich fällt, nachdem der NOx-adsorbierende Katalysator erwärmt wurde.
Die Steuervorrichtung umfaßt Abgasrückführungseinrichtungen 26 und 27 zum Zurückführen eines Teils des Abgases von dem Abgasweg 22 zu einem Ansaugsystem 10 des Motors 1, eine Ermittlungseinrichtung 40a, die einen Zeitpunkt der Freisetzung von NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator 25 ermittelt, eine Einrichtung 40b zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 dahingehend steuert, daß es in den Bereich 1 < Luftüberschußverhältnis λ ≤ 1,1 fällt, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums in regelmäßigen Abständen nach fetter und nach magerer als ein Referenzwert ändert, wobei der Referenzwert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses so eingestellt ist, daß er in den Bereich von L/K = 15 bis 16 fällt, wenn die Ermittlungseinrichtung 40a feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde, eine Einrichtung 40c zum Steuern des Einspritzzeitpunkts, die das Kraftstoffeinspritzventil 7 dahingehend steuert, daß es Kraftstoff in zwei Einspritzvorgängen, nämlich einer vorausgehenden Einspritzung, die in den Bereich von einem Ansaughub bis zu einer Anfangsperiode eines Verdichtungshubes eines Zylinders 2 fällt, und einer nachfolgenden Einspritzung, die nach einer mittleren Periode des Verdichtungshubes und vor einem Zündzeitpunkt beginnt, portionsweise einspritzt, wenn die Ermittlungseinrichtung 40a feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde, und eine Einrichtung 40d zum Steuern der Abgasrückführung, die die Abgasrückführungseinrichtungen 26 und 27 dahingehend steuert, daß sie eine vorbestimmte Menge Abgas zurückführen, wenn die Ermittlungseinrichtung 40a feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde. Es sei angemerkt, daß die mittlere Periode des Verdichtungshubes diejenige von der ersten, der mittleren und der letzten Periode bezeichnet, die man erhält, indem der Verdichtungshub jedes Zylinders in drei gleiche Perioden unterteilt wird.
Wenn bei der obengenannten Anordnung die adsorbierte NOx-Menge des NOx-adsorbierenden Katalysators 25 während der Verbrennung des Motors 1 zu groß geworden ist und die Ermittlungseinrichtung 40a feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde, steuert die Einrichtung 40b zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 dahingehend, daß es in den Bereich 1 < Luftüberschußverhältnis λ ≤ 1,1 fällt, so daß die Sauerstoffkonzentration im Abgas herabgesetzt und NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator 25 freigesetzt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird Kraftstoff unter der Steuerung der Einrichtung 40c zum Steuern des Einspritzzeitpunkts in zwei Einspritzvorgängen, nämlich einer vorausgehenden Einspritzung, die in den Bereich von dem Ansaughub bis zu der Anfangsperiode des Verdichtungshubes des Zylinders 2 fällt, und einer nachfolgenden Einspritzung, die nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes und vor dem Zündzeitpunkt beginnt, portionsweise eingespritzt. Der bei der vorausgehenden Einspritzung eingespritzte Kraftstoff wird gleichmäßig in den Brennraum verteilt, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu bilden, das magerer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis, und der bei der nachfolgenden Einspritzung eingespritzte Kraftstoff bildet ein übermäßig angereichertes Luft/Kraftstoff-Gemisch, das etwas fetter ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis um eine Zündkerze 6 herum (dieser Zustand wird nachfolgend als schwach geschichteter Zustand bezeichnet).
Die Verbrennung in diesem schwach geschichteten Zustand hat eine sehr hohe Verbrennungsstabilität, da das übermäßig angereicherte Luft/Kraftstoff-Gemisch eine sehr hohe Zündfähigkeit und danach auch eine sehr hohe anfängliche Brenngeschwindigkeit hat, und gleichzeitig wird in diesem Zustand leicht CO erzeugt. Das umgebende magere Luft/Kraftstoff-Gemisch brennt dagegen langsam, und da etwas von dem Gemisch schon verbraucht ist, bevor es vollständig verbrennt, wird die CO-Konzentration in diesem Abgas sehr hoch. Da ferner die Anzahl von Malen des Öffnens des Kraftstoffeinspritzventils pro Verbrennungstakt zunimmt, wird der Anteil dicker Kraftstofftröpfchen, die in einem Frühstadium der Ventilöffnung eingespritzt werden, hoch, und dies unterstützt auch die Erzeugung von CO. Das heißt, die CO-Konzentration im Abgas wird sehr viel höher als bei einer kombinierten (ungeteilten) Kraftstoffeinspritzung.
Da sich ferner die KW- und Sauerstoffkonzentrationen in regelmäßigen Abständen ändern und der Partialdruck von desoxidierenden Bestandteilen oder der von Sauerstoff um den NOx-adsorbierenden Katalysator herum schwankt, können ihre Einflüsse auf den NOx-adsorbierenden Katalysator verstärkt werden, und die Auffrischung des Katalysators kann weiter unterstützt werden.
Gleichzeitig steuert die Einrichtung 40d zum Steuern der Abgasrückführung die Abgasrückführungseinrichtungen 26 und 27 dahingehend, daß sie eine vorbestimmte Menge Abgas zu dem Ansaugsystem zurückführen. Da die Stabilität einer schwach geschichteten Verbrennung sehr hoch ist, wie oben beschrieben, kann dabei eine große Menge Abgas zurückgeführt werden, und daher kann die Erzeugung von NOx hinreichend unterdrückt werden, indem die maximale Verbrennungstemperatur durch Erhöhen der Wärmekapazität des Brennraums 4 herabgesetzt wird.
Da die CO-Konzentration im Abgas sehr hoch wird und die NOx-Konzentration durch die Synergie einer schwach geschichteten Verbrennung und der Abgasrückführung niedrig genug wird, kann daher das Konzentrationsverhältnis CO/NOx im Abgas stark erhöht werden. Selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 dahingehend gesteuert wird, daß es magerer ist als bei der herkömmlichen Steuerung, kann folglich die Auffrischung des NOx-adsorbierenden Katalysators 25 zufriedenstellend unterstützt werden, und daher kann der Auftrischungseffekt des NOx-adsorbierenden Katalysators ausreichend verbessert werden, während gleichzeitig ein zusätzlicher Kraftstoffverbrauch verhindert wird, d. h. ein Anstieg im Kraftstoffverbrauch minimiert wird.
Bei der Erfindung gemäß der zweiten Ausgestaltung ermittelt die Ermittlungseinrichtung bei der Erfindung gemäß der ersten Ausgestaltung den NOx- Freisetzungszeitpunkt anhand der Dauer, für die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums des Motors mager ist. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums des Motors für eine voreingestellte Dauer kontinuierlich mager ist, wird folglich geschätzt, daß die adsorbierte NOx-Menge zu groß geworden ist und die Adsorptionsleistung abgefallen ist, und um mit dieser Situation fertigzuwerden, wird festgestellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt verkürzt wurde. Es sei angemerkt, daß die Beschleunigung des Motors herangezogen werden kann, um die NOx-Freisetzungszeitpunkt zu ermitteln.
Bei der Erfindung gemäß der dritten Ausgestaltung ist die Kraftstoffeinspritzmenge der nachfolgenden Einspritzung so eingestellt, daß sie in den Bereich von um die 20% bis um die 80% der Gesamteinspritzmenge vorausgehender und nachfolgender Einspritzungen bei der Erfindung gemäß der ersten oder zweiten Ausgestaltung fällt.
Das heißt, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge der nachfolgenden Einspritzung weniger als 20% der Gesamteinspritzmenge beträgt, dann wird es schwierig, ein übermäßig angereichertes Luft/Kraftstoff-Gemisch mit einer hohen Zündfähigkeit um die Zündkerze des Motors herum zu bilden. Wenn dagegen die Kraftstoffeinspritzmenge der nachfolgenden Einspritzung mehr als 80% der Gesamteinspritzmenge beträgt, dann wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze herum zu fett und das umgebende magere Luft/Kraftstoff-Gemisch wird zu mager, was eine gleichmäßige Flammenausbreitung stört. Das heißt, wenn das Verhältnis der Kraftstoffeinspritzmenge der nachfolgenden Einspritzung so eingestellt ist, daß es in den obengenannten Bereich fällt, dann läßt sich der Effekt der Erfindung gemäß der ersten Ausgestaltung zufriedenstellend erreichen.
Bei der Erfindung gemäß der vierten Ausgestaltung beginnt die Einrichtung zum Steuern des Zündzeitpunkts bei der Erfindung gemäß der dritten Ausgestaltung die vorausgehende Einspritzung in einer Anfangsperiode des Ansaughubes jedes Zylinders. Es sei angemerkt, daß mit Anfangsperiode des Ansaughubes diejenige von der ersten, der mittleren Periode und der letzten Periode gemeint ist, die man erhält, indem man den Ansaughub jedes Zylinders in drei gleiche Perioden unterteilt.
Wenn die vorausgehende Einspritzung in der Anfangsperiode des Ansaughubes jedes Zylinders vorgenommen wird, dann wird der eingespritzte Kraftstoff selbst dann, wenn diese Einspritzmenge bis zu einem gewissen Grade groß ist, aufgrund eines Anstiegs im Volumen des Brennraums infolge des Abwärtshubes des Kolbens gleichmäßig genug verteilt, so daß in dem gesamten Brennraum ein homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird. Das heißt, wenn die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge groß ist, kann das Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum entsprechend verteilt werden und kann durch eine schwach geschichtete Verbrennung gemäß der Erfindung verbrannt werden.
Bei der Erfindung gemäß der fünften Ausgestaltung beginnt die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts bei der Erfindung gemäß der dritten Ausgestaltung die vorausgehende Einspritzung in der Anfangsperiode des Verdichtungshubes jedes Zylinders. Da in der Anfangsperiode des Verdichtungshubes eingespritzter Kraftstoff in einem engeren Bereich verteilt wird als beim Ansaughub eingespritzter Kraftstoff und ein Luft/Kraftstoff-Gemisch bildet, selbst wenn die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge klein ist, kann folglich das Luft/Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze herum entsprechend verteilt werden und kann durch eine schwach geschichtete Verbrennung gemäß der Erfindung verbrannt werden.
Bei der Erfindung gemäß der sechsten Ausgestaltung steuert die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts bei der Erfindung gemäß der dritten Ausgestaltung das Kraftstoffeinspritzventil dahingehend, daß es Kraftstoff nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes jedes Zylinders nicht portionsweise einspritzt, um eine geschichtete Verbrennung zu erreichen, wenn der Motor in einen Niedriglastbereich fällt und kein NOx-Freisetzungszeitpunkt festgestellt wird. Wenn der Motor in einen Niedriglastbereich fällt und kein NOx-Freisetzungszeitpunkt festgestellt wird, wird also eine sogenannte geschichtete Verbrennung vorgenommen, was die Kraftstoffeinsparung verbessert.
Bei der Erfindung gemäß der siebten Ausgestaltung steuert die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts bei der Erfindung gemäß der sechsten Ausgestaltung dahingehend, daß zusätzlich zu der nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes jedes Zylinders vorgenommenen Kraftstoffeinspritzung auch beim Ansaughub Kraftstoff eingespritzt wird, wenn die Ermittlungseinrichtung feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde. Infolgedessen kann der Steue rungsablauf beim Umschalten des Kraftstoffeinspritzmodus von einer kombinierten Einspritzung in eine geteilte Einspritzung erleichtert werden.
Bei der Erfindung gemäß der achten Ausgestaltung steuert die Einrichtung zum Steuern der Abgasrückführung bei der Erfindung gemäß der sechsten Ausgestaltung die Abgasrückführungseinrichtung dahingehend, daß Abgas zurückgeführt wird, wenn der Motor ein geschichtetes Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt, und setzt die Rückführung von Abgas fort, wenn die Ermittlungseinrichtung in diesem Zustand feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde.
Wenn der Motor ein geschichtetes Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrennt und der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht ist, wird Abgas also kontinuierlich zurückgeführt. Selbst wenn die Abgasrückführungseinrichtung eine lange Ansprechverzögerung hat, kann daher ihr nachteiliger Einfluß vermieden werden.
Bei der Erfindung gemäß der neunten Ausgestaltung steuert die Einrichtung zum Steuern der Abgasrückführung bei der Erfindung gemäß der ersten Ausgestaltung die Abgasrückführungseinrichtung dahingehend, daß Abgas zu dem Ansaugsystem mit einem Rückführungsverhältnis von 30% oder höher zurückgeführt wird. Auf diese Weise kann die Wärmekapazität des Brennraums des Motors groß genug sein, und die Erzeugung von NOx bei der Verbrennung kann entsprechend unterdrückt werden. Was die Kohlendioxidkonzentration (CO₂-Konzentration) angeht, so ist das Rückführungsverhältnis von Abgas gegeben durch: Rückführungsverhältnis = (CO2-Konzentration im Ansaugweg – CO-Konzentration in der Luft)/(CO2-Konzentration im Abgasweg – CO-Konzentration im Ansaugweg).
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Ansicht, in der die Anordnung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
2 ist eine Ansicht, in der die Gesamtanordnung einer Steuervorrichtung für einen Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
3 ist eine schematische Schnittansicht, in der die Struktur eines Katalysators dargestellt ist;
4 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel eines Steuerkennfeldes zeigt, das Verbrennungsbereiche eines Modus der schichtweisen Verbrennung, eines stöchiometrischen Modus und eines Anreicherungsmodus eines Motors einstellt;
5A bis 5C sind Zeitdiagramme, die die Kraftstoffeinspritzzeitpunkte des Motors zeigen;
6 ist ein Flußdiagramm, in dem der Steuerungsablauf zum Auffrischen des Katalysators dargestellt ist;
7 ist ein Flußdiagramm, in dem der Verarbeitungsablauf einer Dither-Steuerung dargestellt ist;
8 ist ein Flußdiagramm, in dem der Verarbeitungsablauf der Abgasrückführungssteuerung dargestellt ist;
9 ist eine graphische Darstellung der Änderungen im Schwankungsfaktor π und im Kraftstoffverbrauch nach Änderung des Verhältnisses der nachfolgenden Einspritzung bei einer geteilten Einspritzung;
10 ist eine graphische Darstellung einer Änderung im Massenverbrennungsverhältnis nach der Zündung bei einer schwach geschichteten Verbrennung im Vergleich zu einer gleichmäßigen Verbrennung;
11 ist eine graphische Darstellung der Änderungseigenschaften der Wärmeerzeugung bei Kombination einer schwach geschichteten Verbrennung mit einer starken Abgasrückführung (AGR) im Vergleich zu einer starken Abgasrückführung bei gleichmäßiger Verbrennung;
12A ist eine erläuternde Ansicht, in der der Mechanismus der NOx-Adsorption durch einen NOx-adsorbierenden Katalysator in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff dargestellt ist;
12B ist eine erläuternde Ansicht, in der der Mechanismus der NOx-Freisetzung und der Desoxidation/Reinigung dargestellt ist; und
13 ist eine graphische Darstellung, in der Änderungen in der ausgestoßenen NOx-Konzentration auf der stromabwärtigen Seite des Katalysators dargestellt sind und die Fälle von starker Abgasrückführung mit Fällen ohne Abgasrückführung vergleicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Gesamtanordnung]
2 zeigt die Gesamtanordnung einer Steuervorrichtung A für einen Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Mehrzylindermotor, der z. B. in einem Fahrzeug montiert ist. Der Motor 1 hat mehrere Zylinder 2 (wovon nur einer dargestellt ist), und ein Kolben 3 ist in jeden Zylinder 2 hin- und herbewegbar eingesetzt, so daß ein Brennraum 4 in dem Zylinder 2 gebildet wird. An der Stelle der oberen Wand des Brennraums, die auf dem Mittelpunkt einer Zylinderachse liegt, ist eine mit einem Zündkreis 5 verbundene Zündkerze 6 dem Brennraum 4 gegenüberliegend angebracht. Ein Einspritzventil (Kraftstoffeinspritzventil) 7 ist an dem Randabschnitt des Brennraums 4 befestigt, um Kraftstoff direkt in den Brennraum 4 einzuspritzen und zuzuführen.
Ein Kraftstoffzuführungskreis (nicht dargestellt) mit einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe, einem Druckregler und dergleichen ist mit dem Einspritzventil 7 verbunden und führt dem Einspritzventil 7 Kraftstoff zu, während Kraftstoff aus einem Kraftstofftank auf einen entsprechenden Druck eingestellt wird. Ein Kraftstoffdrucksensor 8 erfaßt diesen Kraftstoffdruck. Wenn das Einspritzventil 7 Kraftstoff nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes des Zylinders 2 einspritzt, fängt sich ein Kraftstoffdampf in einem an der Oberseite des Kolbens 3 ausgebildeten Hohlraum (nicht dargestellt), so daß eine Schicht eines relativ fetten Luft/Kraftstoff-Gemisches um die Zündkerze 6 herum gebildet wird. Wenn das Einspritzventil 7 dagegen Kraftstoff beim Ansaughub des Zylinders 2 einspritzt, verteilt sich ein Kraftstoffdampf und mischt sich mit der Ansaugluft (Luft), so daß ein homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum 4 gebildet wird.
Der Brennraum 4 steht mit einem Ansaugweg 10 über ein Ansaugventil 9 durch einen Ansaugkanal (nicht dargestellt) in Verbindung. Der Ansaugweg 10 führt dem Brennraum 4 des Motors 1 durch einen Luftfilter 11 gefilterte Ansaugluft zu, und ein Hitzedraht-Luftmengensensor 12, eine elektrische Drosselklappe 13 zum Verengen des Ansaugwegs 10 und ein Ausgleichsbehälter 14 sind wiederum von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite in den Weg 10 eingesetzt. Die elektrische Drosselklappe 13 ist nicht mit einem Fahrpedal (nicht dargestellt) mechanisch verbunden, sondern wird durch einen Motor 15 angetrieben, um zu öffnen bzw. zu schließen. Ferner sind ein Drosselklappenöffnungssensor 16 zum Erfassen des Öffnens der Drosselklappe 13 und ein Ansaugluftdrucksensor 17 zum Erfassen des Ansaugluftdruckes in dem Ausgleichsbehälter 14 vorgesehen.
Der Ansaugweg 10 verzweigt sich in voneinander unabhängige Wege in Einheiten von Zylindern 2 auf der stromabwärtigen Seite des Ausgleichsbehälters 14, und der stromabwärtige Endabschnitt jedes unabhängigen Weges verzweigt sich weiter in zwei Wege, die mit Ansaugkanälen in Verbindung stehen. Ein Verwirbelungssteuerventil 18 ist in einen der zwei Zweigwege eingesetzt. Das Verwirbelungssteuerventil 18 wird zum Öffnen/Schließen durch einen Aktuator 19 angesteuert. Wenn das Verwirbelungssteuerventil 18 geschlossen ist, wird Ansaugluft nur von dem anderen Zweigweg zu dem Brennraum 4 geleitet und erzeugt eine starke Ansaugverwirbelung in dem Brennraum 4. Wenn dagegen das Verwirbelungssteuerventil 18 öffnet, schwächt sich die Ansaugverwirbelung ab. Außerdem ist ein Verwirbelungssteuerventilöffnungssensor 20 zum Erfassen des Öffnens des Verwirbelungssteuerventils 18 vorgesehen.
Mit Bezug auf 2 bezeichnet das Bezugszeichen 22 einen Abgasweg zum Ausstoßen von verbranntem Gas aus dem Brennraum 4. Das stromaufwärtige Ende des Abgaswegs 22 verzweigt sich in Einheiten von Zylindern 2 und steht mit dem Brennraum 4 über ein Auslaßventil 23 durch einen Auslaßkanal (nicht dargestellt) in Verbindung. In den Abgasweg 22 sind wiederum von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite ein Sauerstoffsensor 24 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Abgas und ein Katalysator 25 zum Reinigen von Abgas eingesetzt. Mit dem Sauerstoffsensor 24 und mit einer sogenannten Lambda sonde, deren Ausgang schrittweise anhand des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses umgekehrt wird, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis anhand der Sauerstoffkonzentration im Abgas erfaßt.
Der Katalysator 25 ist vom NOx-Adsorptions/Desoxidations-Typ, der NOx in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff, in der die Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch ist (z. B. 4% oder höher), adsorbiert und adsorbiertes NOx mit abnehmender Sauerstoffkonzentration freisetzt oder desorbiert, desoxidiert und reinigt. Vor allem um das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis herum zeigt der Katalysator 25 eine Abgasreinigungsleistung, die so hoch ist wie bei einem sogenannten Dreiwegekatalysator.
Gemäß 3 hat der Katalysator 25 einen Träger 25a mit einer Cordierit-Wabenstruktur, und ein zweilagiger Überzug aus einer inneren Katalysatorschicht 25b und einer äußeren Katalysatorschicht 25c ist auf den Wandflächen von in dem Träger 25a ausgebildeten Durchgangslöchern ausgebildet. Die innere Katalysatorschicht 25b trägt ein Edelmetall wie zum Beispiel Platin (Pt) sowie Barium (Ba), das als NOx-Adsorptionsmittel dient, wobei ein Trägermaterial wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Ceroxid als poröses Material verwendet wird. Die äußere Katalysatorschicht 25c trägt dagegen Pt, Rhodium (Rh) und Ba als Katalysatormetalle, wobei ein Trägermaterial wie zum Beispiel Zeolith als poröses Material verwendet wird.
Anstelle von Barium kann mindestens eines von einem von Barium verschiedenen Erdalkalimetall, einem Alkalimetall wie zum Beispiel Natrium (Na) oder dergleichen oder einem Seltenerdmetall verwendet werden. Zeolith kann als Trägermaterial der inneren Katalysatorschicht 25b verwendet werden, und in diesem Fall kann Aluminiumoxid oder Ceroxid als Trägermaterial der äußeren Katalysatorschicht 25c verwendet werden. Ferner kann bei dem Katalysator 25 ein einlagiger Überzug verwendet werden, wobei eine Katalysatorschicht, die Aluminiumoxid oder Ceroxid als Trägermaterial trägt, auf der Wandfläche eines Trägers ausgebildet ist, und das Trägermaterial trägt ein Edelmetall wie zum Beispiel Platin (Pt), Rhodium (Rh), Palladium (Pd) oder dergleichen sowie ein Alkalimetall wie Kalium (K) oder dergleichen oder ein Erdalkalimetall wie zum Beispiel Barium (Ba) oder dergleichen.
Das stromaufwärtige Ende eines Abgasrückführungsweges 26 zur Rückführung von Abgas zu dem Ansaugsystem verzweigt sich in den Abgasweg 22 auf der stromaufwärtigen Seite des Sauerstoffsensors 24. Das stromabwärtige Ende des Abgasrückführungsweges 26 ist mit dem Ansaugweg 10 zwischen der Drosselklappe 13 und dem Ausgleichsbehälter 14 verbunden, und ein elektrisches Abgasrückführungsventil 27, dessen Öffnen einstellbar ist, ist in den Weg 26 in der Nähe des Ansaugweges 10 eingesetzt, um die Menge des über den Abgasrückführungsweg 26 zurückgeführten Abgases einzustellen. Der Abgasrückführungsweg 26 und das Abgasrückführungsventil 27 bilden eine Abgasrückführungseinrichtung. Außerdem ist ein Hubsensor 28 zum Erfassen des Anhebungsbetrags des Abgasrückführungsventils 27 vorgesehen.
Der Betrieb des Zündkreises 5 der Zündkerze 6, des Einspritzventils 7, des Antriebsmotors 15 der elektrischen Drosselklappe 13, des Aktuators 19 des Verwirbelungssteuerventils 18, des elektrischen Abgasrückführungsventils 27 und dergleichen wird durch eine Steuereinheit (nachfolgend bezeichnet als ECU) 40 gesteuert. Die ECU 40 empfängt die Ausgangssignale von dem Luftmengensensor 12, dem Drosselklappenöffnungssensor 16, dem Ansaugluftdrucksensor 17, dem Verwirbelungssteuerventilöffnungssensor 20, dem Sauerstoffsensor 24 und dem Hubsensor 28 des Abgasrückführungsventils 27, und sie empfängt außerdem die Ausgangssignale von einem Wassertemperatursensor 30 zum Erfassen der Kühlwassertemperatur (Motorwassertemperatur) des Motors 1, einem Ansauglufttemperatursensor 31 zum Erfassen der Ansauglufttemperatur, einem Luftdrucksensor 32 zum Erfassen des Luftdrucks, einem Motordrehzahlsensor 33 zum Erfassen der Motordrehzahl und einem Fahrpedalöffnungssensor 34 zum Erfassen der Fahrpedalöffnung (Fahrpedalhub).
[Beschreibung der Steuerung]
Als Steuerparameter betreffend die Motorleistung, die Kraftstoffeinspritzmenge und die Steuerung durch das Einspritzventil 7 ermittelt die ECU 40 die durch die Drosselklappe 13 eingestellte Ansaugluftmenge, die durch das Verwirbelungssteuerventil 18 eingestellte Stärke der Ansaugluftverwirbelung, die durch das Abgasrückführungsventil 27 eingestellte Abgasrückführungsmenge und dergleichen anhand des Laufzustands des Motors 1. Auf diese Weise wird das Kraftstoffeinspritzmuster des Einspritzventils 7 entsprechend dem Laufzustand des Motors 1 umgeschaltet, und der Motor 1 arbeitet in verschiedenen Verbrennungszuständen (Laufmodi). Während der Motor 1 warm ist, entspricht insbesondere, wie z. B. in 4 gezeigt, ein vorbestimmter Bereich (1) auf der Niedriglastseite einem Bereich mit schichtweiser Verbrennung, und es wird ein Verbrennungsmodus eingestellt, um das Einspritzventil 7 dahingehend zu steuern, daß Kraftstoff nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes nicht portionsweise eingespritzt wird, und um Kraftstoff in einem geschichteten Zustand zu verbrennen, in dem ein Luft/Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze 6 herum örtlich vorhanden ist (siehe 5A). In diesem Modus der schichtweisen Verbrennung wird die Öffnung der Drosselklappe 13 groß eingestellt, um Pumpverluste des Motors 1 zu verringern, und infolgedessen ist das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 sehr mager (z. B. L/K = 30).
Die Verbrennungsbereiche (II) und (III) in 4 dagegen entsprechen Bereichen mit gleichmäßiger Verbrennung, und es ist ein Verbrennungsmodus eingestellt zum Steuern des Einspritzventils 7 in der Anfangsperiode des Ansaughubes und zum Verbrennen von Kraftstoff, nachdem sich der Kraftstoff mit der Ansaugluft genügend gemischt hat, um ein homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch in dein Brennraum zu bilden (siehe 5B). In dem Niedriglastbereich (II) dieses Modus einer gleichmäßigen Verbrennung werden die Kraftstoffeinspritzmenge, die Drosselklappenöffnung und dergleichen so gesteuert, daß das Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis hat (L/K = 14,7) (wird nachfolgend als stöchiometrischer Modus bezeichnet). Im Verbrennungsbereich (III) mit hoher Last oder hoher Drehzahl wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so gesteuert, daß es etwas fetter ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (z. B. L/K = 13 bis 14), um eine hohe Leistung zu erhalten (wird nachfolgend als Anreicherungsmodus bezeichnet).
In dem schraffierten Bereich des in 4 gezeigten Steuerkennfeldes ist das Abgasrückführungsventil 27 geöffnet, um einen Teil des Abgases über den Abgasrückführungsweg 26 zu dem Ansaugweg 10 zurückzuführen. Infolgedessen erhöht sich die Wärmekapazität des Brennraums 4, und die Erzeugung von NOx bei der Verbrennung kann unterdrückt werden. Während der Motor kalt ist, sind dagegen alle Verbrennungsbereiche des Motors so eingestellt, daß es Bereiche einer gleichmäßigen Verbrennung sind, um eine hohe Stabilität der Verbrennung sicherzustellen, wenngleich dies hier nicht dargestellt ist.
[Steuerung der Kraftstoffeinspritzung zum Auffrischen des Katalysators]
Wie oben beschrieben läuft der Motor 1 bei dieser Ausführungsform durch schichtweise Verbrennung im Niedriglastbereich, um die Kraftstoffeinsparung stark zu verbessern, und verwendet den Katalysator 25 vom sogenannten Adsorptions/Desoxidations-Typ, um NOx im Abgas in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff entfernen zu können, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis sehr mager ist wie das bei einer schichtweisen Verbrennung. Um eine hohe Reinigungsleistung des Katalysators 25 stabil zu erreichen, wird dann, wenn die adsorbierte NOx-Menge des Katalysators 25 etwas groß wird, das adsorbierte NOx freigesetzt, um die Desoxidation/Reinigung (Auffrischung des Katalysators) vorzunehmen.
Um den Katalysator 25 aufzufrischen, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 dahingehend gesteuert, daß es um das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis herum liegt, um wie bei der herkömmlichen Vorrichtung die Sauerstoffkonzentration im Abgas herabzusetzen. Als kennzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung wird dabei die Kraftstoffeinspritzung durch das Einspritzventil 7 in zwei Einspritzungen unterteilt, um eine schwach geschichtete Verbrennung zu erreichen, wodurch die CO-Konzentration im Abgas stark erhöht wird und ein AGR-Verhältnis (Abgasrückführungsverhältnis) wesentlich höher eingestellt wird als bei der herkömmlichen Vorrichtung (nachfolgend als starke Abgasrückführung bezeichnet), um die Erzeugung von NOx bei der Verbrennung hinreichend zu unterdrücken. Durch die Synergie einer schwach geschichteten Verbrennung und der Abgasrückführung wird die Auffrischung des Katalysators 25 unterstützt.
Der Verarbeitungsablauf zur Auffrischung des Katalysators 25 wird anhand der in 6 bis 8 dargestellten Flußdiagramme näher beschrieben.
Wie in dem Flußdiagramm in 6 gezeigt, werden in Schritt SA1 nach Beginn des Ablaufs verschiedene Sensorsignale von dem Luftmengensensor 12, dem Sauerstoffsensor 24, dem Wassertemperatursensor 30, dem Motordrehzahlsensor 33, dem Fahrpedalöffnungssensor 34 und dergleichen empfangen, und aus dem Speicher der ECU 40 werden verschiedene Daten eingegeben. In Schritt SA2 wird ein Wert Tmager eines Zählers für magere Verbrennungen zum Akkumulieren der Zeit geladen, in der der Motor 1 im Modus der schichtweisen Verbrennung läuft, und es wird geprüft, ob der akkumulierte Wert kleiner ist als ein erster eingestellter Wert T1. Da der erste eingestellte Wert T1 entsprechend der Zeit eingestellt ist, bis die adsorbierte NOx-Menge des Katalysators 25 infolge der mageren Verbrennung des Motors 1 zu groß wird und die Adsorptionsleistung des Katalysators 25 abfällt, wird dann, wenn in Schritt SA2 NEIN festgestellt wird, bestimmt, daß der Zeitpunkt der Freisetzung von NOx (NOx-Freisetzungsperiode) aus dem Katalysator 25 erreicht wurde, und der Ablauf geht weiter zu Schritt SA13; wenn in Schritt SA2 JA festgestellt wird, geht der Ablauf weiter zu Schritt SA3.
In Schritt SA3 wird wiederum ein Wert Tfett eines Zählers für fette Verbrennungen zum Akkumulieren der Verbrennungszeit in der NOx-Freisetzungsperiode und der Zeit, in der der Motor 1 im stöchiometrischen Modus oder im Anreicherungsmodus läuft, geladen, und es wird geprüft, ob der geladene Wert kleiner ist als ein zweiter eingestellter Wert T2. Wenn in Schritt SA3 JA festgestellt wird, bedeutet dies, daß NOx nicht genügend aus dem Katalysator 25 freigesetzt wird. In diesem Fall geht der Ablauf weiter zu Schritt SA6. Wenn dagegen in Schritt SA3 NEIN festgestellt wird, dann wird bestimmt, daß der Katalysator 25 NOx genügend freigesetzt hat, und der Ablauf geht weiter zu Schritt SA4, um ein Flag F für "erzwungenermaßen fett" (F = 0) abzuschalten. Das Flag F für "erzwungenermaßen fett" zeigt an, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 zwangsweise auf das Flag um das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis herum geändert wird, um den Katalysator 25 während der NOx-Freisetzungsperiode aufzufrischen. Anschließend wird der Zähler für fette Verbrennungen in Schritt SA5 zurückgesetzt (Tfett = 0), und der Ablauf geht weiter zu Schritt SA6.
Nach Schritt SA3 oder SA5 wird in Schritt SA6 geprüft, ob das Flag F für "erzwungenermaßen fett" AUS ist. Wenn das Flag F EIN ist (F = 1), d. h. in Schritt SA6 heißt es NEIN, wird festgestellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde, und der Ablauf geht weiter zu Schritt SA15 (wird später beschrieben); wenn das Flag F AUS ist (F = 0), d. h. in Schritt SA6 heißt es JA, wird festgestellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode noch nicht erreicht ist, und der Ablauf geht weiter zu Schritt SA7. Der aktuelle Verbrennungszustand des Motors 1 wird in Schritt SA7 anhand des Lastzustands, der Motordrehzahl und ähnlicher Parameter des Motors 1 ermittelt, und es wird dann in Schritt SA8 geprüft, ob der aktuelle Verbrennungszustand des Motors 1 in den Bereich (1) fällt.
Wenn es in Schritt SA8 JA heißt, geht der Ablauf weiter zu Schritt SA9, um den Motor 1 im Modus der schichtweisen Verbrennung zu betreiben. In Schritt SA10 wird der Wert Tmager des Zählers für magere Verbrennungen hochgezählt, und der Ablauf kehrt dann zurück. Wenn es dagegen in Schritt SA8 NEIN heißt, geht der Ablauf weiter zu Schritt SA11, um den Motor 1 im stöchiometrischen Modus oder im Anreicherungsmodus (λ ≤ 1) entsprechend dem Lastzustand, der Motordrehzahl und dergleichen des Motors 1 zu betreiben. Anschließend wird in Schritt SA12 der Wert Tfett des Zählers für fette Verbrennungen hochgezählt, und der Ablauf kehrt dann zurück.
Das heißt, wenn die NOx-Freisetzungsperiode zum Auffrischen des Katalysators 25 nicht erreicht ist, läuft der Motor 1 in einem der Verbrennungsmodi entsprechend seinem Verbrennungszustand, und wenn der Motor im Modus der schichtweisen Verbrennung läuft, akkumuliert der Zähler für magere Verbrennungen diese Zeit; wenn der Motor im stöchiometrischen Modus oder im Anreicherungsmodus läuft, akkumuliert der Zähler für fette Verbrennungen diese Zeit.
Wenn dagegen in Schritt SA2 festgestellt wird, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde, und der Ablauf zu Schritt SA13 weitergeht, wird das Flag F für "erzwungenermaßen fett" eingeschaltet (F = 1) und der Wert Tmager des Zählers für magere Verbrennungen wird in Schritt SA14 zurückgesetzt (Tmager = 0). In Schritt SA15 bis SA17 erfolgt die Steuerung zum Auffrischen des Katalysators 25. Das heißt, in Schritt SA15 werden ginjp und ginjd, die Kraftstoffmengen für die vorausgehende und die nachfolgende Einspritzung, die dahingehend korrigiert werden, daß sie größer sind als die normale Menge, eingestellt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 so zu steuern, daß es etwas magerer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (1 ≤ λ ≤ 1,1), und ihre Einspritzzeiten thtinjp und thtinjd werden eingestellt.
Insbesondere wird die gesamte Einspritzmenge der vorausgehenden und der nachfolgenden Einspritzung anhand einer Ansaugfüllmenge berechnet, die sich aus den Ausgangswerten des Luftmengensensors 12 und dergleichen und aus einem Zielwert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (Referenzwert: L/K = 15 bis 16) errechnet, und wird entsprechend einem vorbestimmten Teilungsverhältnis in vorausgehende und nachfolgende Einspritzmengen unterteilt, und die Einspritzimpulsbreiten entsprechend den unterteilten Einspritzmengen ginjp und ginjd werden anhand der Durchsatzmerkmale des Einspritzventils 7 eingestellt. Es sei angemerkt, daß das Teilungsverhältnis der Kraftstoffeinspritzmenge aus einem Kennfeld ausgelesen wird, da ein optimaler Wert entsprechend dem Verbrennungszustand des Motors 1 versuchsweise im voraus eingestellt wird und in dem Speicher der ECU 40 als Kennfeld elektronisch gespeichert wird.
Das Teilungsverhältnis der Kraftstoffeinspritzmenge wird so eingestellt, daß die nachfolgende Einspritzmenge ginjd in den Bereich von 20 bis 80% der Gesamteinspritzmenge fällt. Wenn die nachfolgende Einspritzmenge ginjd kleiner ist als 20% der Gesamteinspritzmenge, wird es, wie z. B. in 9 gezeigt, schwierig, ein übermäßig angereichertes Luft/Kraftstoff-Gemisch mit einer hohen Zündfähigkeit um die Zündkerze 6 herum durch die nachfolgende Einspritzung zu bilden, was zu einer schlechten Brennbarkeit führt (Anstiege im Schwankungsfaktor n und im Kraftstoffverbrauchsfaktor sind in 9 dargestellt). Wenn dagegen die nachfolgende Einspritzmenge ginjd größer ist als 80% der Gesamteinspritzmenge, wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze herum zu fett, was zu einer schlechten Zündfähigkeit führt, und das umgebende magere Luft/Kraftstoff-Gemisch wird zu mager, was eine gleichmäßige Flammenausbreitung stört. Auch in diesem Fall leidet die Brennbarkeit.
Der Zeitpunkt der vorausgehenden Einspritzung und der nachfolgenden Einspritzung werden ebenfalls entsprechend dem Verbrennungszustand des Motors 1 als Kennfeld im voraus eingestellt. Insbesondere wird gemäß 5C der Zeitpunkt der nachfolgenden Einspritzung so eingestellt, daß er in einen schmalen Bereich nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes jedes Zylinders und vor dem Zündzeitpunkt fällt, während der Zeitpunkt der vorausgehenden Einspritzung auf die Seite des Voreilwinkels eingestellt wird, wenn der Lastzustand des Motors 1 höher ist, oder auf die Seite des Nacheilwinkels, wenn der Lastzustand niedriger ist und die Kraftstoffeinspritzmenge kleiner ist, und zwar innerhalb eines breiten Bereichs von der Anfangsperiode des Ansaughubes jedes Zylinders bis zu der des Verdichtungshubes.
In Schritt SA16 wird die Ziel-Einspritzmenge anhand der in Schritt SA15 eingestellten vorausgehenden und nachfolgenden Einspritzmengen ginjp und ginjd geändert, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 in regelmäßigen Abständen im Bereich von λ = 1 bis 1,1 zwischen der fetten und der ma geren Seite zu ändern (Dither-Steuerung). In Schritt SA17 wird die geteilte Kraftstoffeinspritzung ausgeführt. Infolgedessen wird in einem schwach geschichteten Zustand in dem Brennraum 4 ein Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrannt, das im Durchschnitt etwas magerer ist als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Dabei kann die Drosselklappe 13 leicht geschlossen sein, um Schwankungen in der Motorleistung zu verringern.
7 ist ein Flußdiagramm, in dem der Ablauf der Dither-Steuerung in Schritt SA16 näher dargestellt ist. Gemäß 7 wird in Schritt SB1 ein Dither-Zeitwert Tm (Anfangswert = 0) zum Zählen der Schwankungsperiode der Kraftstoffeinspritzmenge inkrementiert (Tm = Tm + 1) und mit einem Schwellenwert Tm1 verglichen, der in Schritt SB2 entsprechend der halben Schwankungsperiode eingestellt wird. Während Tm < Tm1 (NEIN in Schritt SB2), geht der Ablauf weiter zu Schritt SB3, und die Konstanten α und β werden jeweils zu den vorausgehenden und nachfolgenden Einspritzmengen ginjp und ginjd addiert. Danach kehrt der Ablauf zurück zur Hauptroutine.
Wenn dagegen Tm ≥ Tm1 (JA in Schritt SB2), geht der Ablauf weiter zu Schritt SB4, und der Dither-Zeitwert Tm wird wiederum mit einem Schwellenwert Tm2 verglichen, der entsprechend der Schwankungsperiode eingestellt wird. Während Tm < Tm2 (NEIN in Schritt SB4), geht der Ablauf weiter zu Schritt SB5, um die Konstanten α und β von den vorausgehenden und nachfolgenden Einspritzmengen ginjp und ginjd aus herabzusetzen; wenn Tm ≥ Tm2, geht der Ablauf weiter zu Schritt SB6, um den Dither-Zeitwert Tm (Tm = 0) zurückzusetzen, und der Ablauf kehrt dann zurück zur Hauptroutine. Jedesmal wenn sich bei dieser Steuerung der Dither-Zeitwert Tm um Tm1 ändert, da sich die von dem Einspritzventil 7 gelieferte Einspritzmenge beim Ansaughub abwechselnd nach ginjp + α und nach ginjp – α ändert und sich auch die Einspritzmenge beim Verdichtungshub abwechselnd nach ginjd + β und nach ginjd – β ändert, ändert sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 in regelmäßigen Abständen in Bezug auf den Zielwert nach fett oder nach mager in dem Bereich L/K = 15 bis 16, und die Konzentrationen von CO, KW, O₂ und dergleichen im Abgas schwanken dementsprechend.
In dem auf Schritt SA17 folgenden Schritt SA18 wird das Öffnen des Abgasrückführungsventils 27 gesteuert, um eine starke Abgasrückführung zu erreichen, und der Ablauf geht weiter zu dem oben erwähnten Schritt SA12, um den Wert Tfett des Zählers für fette Verbrennungen hochzuzählen. Danach kehrt der Ablauf zurück.
Der Verarbeitungsablauf der AGR-Steuerung wird nachfolgend anhand des in 8 dargestellten Flußdiagramms näher erläutert. Nach Beginn des Ablaufs werden in Schritt SC1 verschiedene Sensorsignale von dem Luftmengensensor 12, dem Motordrehzahlsensor 33 und dergleichen empfangen, und von dem Speicher der ECU 40 werden verschiedene Daten empfangen. In Schritt SC2 wird ein Ziel-AGR-Verhältnis entsprechend dem Verbrennungszustand des Motors 1 berechnet, und eine Öffnung des Abgasrückführungsventils 27, mit der das errechnete Ziel-AGR-Verhältnis erreicht werden kann, wird als grundlegende Steuergröße AGRb eingestellt. Es sei angemerkt, daß das Ziel-AGR-Verhältnis im voraus entsprechend der Ansaugfüllmenge oder Motordrehzahl durch Prüfstandtests eingestellt und als Kennfeld in dem Speicher der ECU 40 gespeichert wird.
In Schritt SC3 wird dann geprüft, ob eine starke Abgasrückführung einzustellen ist (siehe Schritt SA17 in 6). Wenn es in Schritt SC3 JA heißt, geht der Ablauf weiter zu Schritt SC4, um einen Korrekturwert AGRc zum Korrigieren der Öffnung des Abgasrückführungsventils 27 zu berechnen. Insbesondere wird die Zielöffnung des Abgasrückführungsventils 27, mit der ein AGR-Verhältnis um die 40% eingestellt werden kann, anhand des Ausgangs des Luftmengensensors, der Motordrehzahl und dergleichen berechnet, und es wird ein Korrekturwert AGRc berechnet, der die aktuelle Öffnung des Abgasrückführungsventils 27, die aus dem von dem Hubsensor 28 ausgegebenen Signal berechnet werden kann, zu der Zielöffnung vergrößert. Wenn es dagegen in Schritt SC3 NEIN heißt, geht der Ablauf weiter zu Schritt SC5, um den Nullkorrekturwert AGRc (AGRc = 0) einzustellen.
Im Anschluß an Schritt SC4 oder SC5 werden die grundlegende Steuergröße AGRb und der Korrekturwert AGRc zueinander addiert, um in Schritt SC6 eine endgültige Steuergröße AGRt zu erhalten, und in Schritt SC7 wird ein Steuersignal an das Abgasrückführungsventil 27 abgesetzt, um das Abgasrückführungsventil 27 anzusteuern. Danach kehrt der Ablauf zurück zur Hauptroutine. Das heißt, nach dem Auffrischen des Katalysators 25 wird die Öffnung des Abgasrückführungsventils 27 korrigiert, um den Zustand mit starker Abgasrückführung mit einem AGR-Verhältnis um die 40% zu erreichen, was wesentlich höher ist als bei der herkömmlichen Vorrichtung.
Mit den in dem Flußdiagramm in 6 gezeigten Schritten SA2 bis SA6 wird die Ermittlungseinrichtung 40a gebildet, die eine vorbestimmte NOx-Freisetzungsperiode ermittelt, in der NOx aus dem Katalysator 25 freigesetzt werden soll.
Mit den Schritten SA15 bis SA17 wird die Einrichtung 40b zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gebildet, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 dahingehend steuert, daß es in den Bereich von 1 ≤ Luftüberschußverhältnis λ ≤ 1,1 fällt, wenn die Ermittlungseinrichtung 40a feststellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde. Die Einrichtung 40b zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vergrößert/verkleinert zwangsweise die durch das Einspritzventil 7 eingespritzte Kraftstoffmenge mittels Dither-Steuerung, wie in dem Flußdiagramm in 7 dargestellt, um in regelmäßigen Abständen das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 zwischen fett und mager zu ändern.
Ferner wird in Schritt SA15 die Einrichtung 40c zum Steuern des Einspritzzeitpunkts gebildet, um das Einspritzventil 7 dahingehend zu steuern, daß Kraftstoff in zwei Einspritzvorgängen, nämlich einer vorausgehenden Einspritzung, die in den Bereich von dem Ansaughub bis zur Anfangsperiode des Verdichtungshubes jedes Zylinders fällt, und einer nachfolgenden Einspritzung nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes und vor dem Zündzeitpunkt, portionsweise eingespritzt wird. Die Einrichtung 40c zum Steuern des Einspritzzeitpunkts setzt den Zeitpunkt der vorausgehenden Einspritzung in die Anfangsperiode des Ansaughubes, wenn der Lastzustand des Motors 1 hoch ist, oder setzt ihn in die Anfangsperiode des Verdichtungshubes, wenn der Lastzustand niedrig ist.
Die jeweiligen Schritte in dem Flußdiagramm in 8 bilden die Einrichtung 40d zum Steuern der Abgasrückführung, um Abgas zurückzuführen, wenn der Motor 1 im Modus einer schichtweisen Verbrennung läuft, und um mit der Rückführung von Abgas fortzufahren und das Öffnen des Abgasrückführungsventils 27 zu steuern, um den Zustand einer starken Abgasrückführung zu erreichen, wenn die Ermittlungseinrichtung 40a in diesem Zustand feststellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde.
[Wirkung dieser Ausführungsform]
Die Wirkungen dieser Ausführungsform werden nachfolgend erläutert.
Der Motor 1 dieser Ausführungsform läuft im Modus der schichtweisen Verbrennung zum Zweck einer gleichmäßigen Verbrennung im Niedriglastbereich, und NOx im Abgas wird dabei in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff durch den Katalysator 25 adsorbiert und entfernt. Wenn der akkumulierte Wert Tmager der Zeit mit magerer Verbrennung den ersten eingestellten Wert T1 überschritten hat, wird das Flag F für "erzwungenermaßen fett" eingeschaltet (F = 1), und es erfolgt die Steuerung zum Freisetzen von NOx, wie in Schritt SA15 bis SA17 in dem Flußdiagramm von 6 dargestellt.
Insbesondere wird die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge nach oben korrigiert, und die Ansaugluftmenge wird durch entsprechende Steuerung der Drosselklappe 13 und der AGR-Steuerung herabgesetzt, womit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 dahingehend gesteuert wird, daß es in den Bereich von λ = 1 bis 1,1 fällt.
Gleichzeitig wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum 4 des Motors 1 durch die geteilte Einspritzung von Kraftstoff schwach geschichtet. Insbesondere wird zuvor durch das Einspritzventil 7 eingespritzter Kraftstoff gleichmäßig verteilt, um ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch zu bilden, während nachfolgend eingespritzter Kraftstoff ein übermäßig angereichertes Luft/Kraftstoff Gemisch um die Zündkerze 6 herum bildet, und eine in diesem übermäßig angereicherten Luft/Kraftstoff-Gemisch gezündete Flamme breitet sich auf das umgebende magere Luft/Kraftstoff-Gemisch aus.
Bei dieser schwach geschichteten Verbrennung hat das übermäßig angereicherte Luft/Kraftstoff-Gemisch eine sehr hohe Zündfähigkeit und danach auch eine sehr hohe anfängliche Brenngeschwindigkeit, und die Stabilität der Verbrennung ist stark verbessert. Nach Untersuchung dieser Tatsache im Hinblick auf das Massenverbrennungsverhältnis eines Luft/Kraftstoff-Gemisches nach der z. B. in 10 gezeigten Zündung im Falle der durch die durchgehende Linie in 10 angedeuteten geteilten Einspritzung schreitet die Verbrennung in ihrem frühen Stadium viel schneller voran als die durch die gestrichelte Linie angedeutete kombinierte (ungeteilte) Einspritzung beim Ansaughub, und daraus geht hervor, daß die Stabilität der Verbrennung sehr hoch wird. Außerdem ist in 10 das Massen verbrennungsverhältnis der geteilten Einspritzung kleiner als das der kombinierten Einspritzung beim Ansaughub nach der mittleren Periode des Verbrennungshubes, und daraus geht hervor, daß das umgebende magere Luft/Kraftstoff-Gemisch langsam verbrannt wird.
Wie oben beschrieben, hat das übermäßig angereicherte Luft/Kraftstoff-Gemisch bei der schwach geschichteten Verbrennung eine hohe Brenngeschwindigkeit, und es entsteht leicht CO infolge eines örtlichen Sauerstoffmangels. Da außerdem das magere Luft/Kraftstoff-Gemisch langsam verbrannt wird, wird etwas Kraftstoff ausgestoßen, bevor er verbrannt ist, und die CO-Konzentration in diesem Abgas steigt weiter an. Da ferner die Anzahl von Malen des Öffnens des Kraftstoffeinspritzventils pro Verbrennungstakt zunimmt, wird der Anteil dicker Kraftstofftröpfchen, die in einem frühen Stadium der Ventilöffnung eingespritzt werden, hoch, und dies begünstigt ebenfalls die Erzeugung von CO. Das heißt, eine schwach geschichtete Verbrennung kann die CO-Konzentration im Abgas stark erhöhen im Vergleich zu der bei einer gleichmäßigen Verbrennung, bei der Kraftstoff nicht portionsweise eingespritzt wird.
Gleichzeitig mit der Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Steuerung der geteilten Kraftstoffeinspritzung wird das Öffnen des Abgasrückführungsventils 27 im Sinne einer starken Abgasrückführung gesteuert. Das heißt, unter Ausnutzung der Tatsache, daß sich die Stabilität der Verbrennung infolge einer schwach geschichteten Verbrennung verbessert, wird eine große Menge Abgas zurückgeführt, damit das AGR-Verhältnis (z. B. um 40%) wesentlich höher wird als bei der herkömmlichen Vorrichtung. Da die Wärmekapazität des Brennraums 4 zunimmt und die maximale Verbrennungstemperatur entsprechend unterdrückt wird, kann in diesem Zustand der starken Abgasrückführung die Erzeugung von NOx hinreichend unterdrückt werden. Außerdem wird bei dieser Ausführungsform das Abgasrückführungsventil 27 geöffnet, um Abgas zurückzuführen, wenn der Motor 1 im Modus der schichtweisen Verbrennung läuft. Wenn die NOx-Freisetzungsperiode in diesem Zustand erreicht ist, kann daher die zurückzuführende Menge an Abgas nur durch Vergrößern der Öffnung des Abgasrückführungsventils 27 vergrößert werden, während mit der Rückführung von Abgas fortgefahren wird. Selbst wenn die Abgasrückführungseinrichtung eine große Ansprechverzögerung hat, kann deshalb ihr nachteiliger Einfluß vermieden werden.
Eine Kombination aus geteilter Kraftstoffeinspritzung und starker Abgasrückführung wird nachfolgend anhand von 11 näher beschrieben. 11 zeigt eine Änderung in der Wärmeerzeugung bei der Verbrennung als Funktion einer Änderung im Kurbelwinkel nach der Zündung, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 dahingehend gesteuert wird, daß es dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis im wesentlichen gleich ist, indem Kraftstoff beim Ansaughub nicht portionsweise durch das Einspritzventil 7 eingespritzt wird. Wie durch die gedachte Linie in 11 angedeutet, schreitet die Verbrennung bei einer starken Abgasrückführung, wo eine große Menge Abgas zurückgeführt wird, sehr langsam voran, und diese langsame Verbrennung hält bis zur mittleren Periode des Entspannungshubes an, verglichen mit einem Zustand (ohne AGR), in dem kein Abgas zurückgeführt wird, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet. Da eine solche langsame Verbrennung den Kraftstoffverbrauch infolge eines Abfalls im mechanischen Wirkungsgrad erheblich beeinträchtigt und es höchstwahrscheinlich zu einer Fehlzündung kommt, kann dieser Verbrennungszustand in der Praxis nicht verwendet werden.
Wenn dagegen eine starke Abgasrückführung mit Hilfe geteilter Einspritzungen mit einer schwach geschichteten Verbrennung von Kraftstoff kombiniert wird, zeigt die Wärmeerzeugung Änderungsmerkmale, die praktisch bevorzugt werden, wie durch die durchgehende Linie in 11 angedeutet. Wenn insbesondere eine starke Abgasrückführung mit Hilfe geteilter Einspritzungen mit einer schwach geschichteten Verbrennung kombiniert wird, kann eine starke Abgasrückführung, die eine große Menge Abgas zurückführen kann, ohne Beeinträchtigung der Kraftstoffeinsparung realisiert werden.
Durch Kombination von schwach geschichteter Verbrennung und starker Abgasrückführung wird das Konzentrationsverhältnis CO/NOx im Abgas, wie oben beschrieben, sehr hoch, da sich die CO-Konzentration im Abgas sehr stark verbessern kann und die NOx-Konzentration infolge ihrer Synergie hinreichend desoxidiert werden kann, womit die Auffrischung des Katalysators 25 hinreichend unterstützt wird.
Es gibt verschiedene Theorien bezüglich des Mechanismus der NOx-Adsorption und Desoxidation/Reinigung in dem Katalysator 25, und diese Theorien lauten grob gesagt wie folgt: In Abgas in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauer stoff reagieren gemäß 12A insbesondere NO und O₂ auf Platin (Pt) als Wirkstoff des Katalysators 25, um NO₂ zu erzeugen, und etwas NO₂ wird auf Platin (Pt) weiter oxidiert und wird von Barium (Ba) adsorbiert, das als Adsorptionsmittel in Form von Bariumnitrat (Ba(NO₃)₂) als Nitrat dient. Das heißt: BaCO₃ + NO₂ → Ba(NO₃)₂ + CO₂↑ (1)
Wenn dagegen die Sauerstoffkonzentration im Abgas abnimmt, läuft die Reaktion in einer der obigen Reaktion entgegengesetzten Richtung ab. Gemäß 12B wird Bariumnitrat (Ba(NO₃)₂) durch zugeführtes CO ersetzt, so daß Bariumcarbonat (BaCO₃) und Stickoxid entsteht. Das heißt: Ba(NO₃)₂ + CO → BaCO₃ + NO₂↑ (2)
Dann reagiert NO₂ mit KW, CO und dergleichen auf Platin (Pt) und wird desoxidiert und gereinigt. Das heißt: NO₂ + KW + CO → N₂ + H₂O + CO₂↑ (3)
Da NOx aus dem Katalysator 25 freigesetzt und desoxidiert und gereinigt wird, kann der Katalysator 25 nun wieder genügend NOx im Abgas adsorbieren (Auffrischung des Katalysators).
Wenn bei solchen Mechanismen der NOx-Adsorption und Desoxidation/Reinigung die Konzentration von Bestandteilen des Desoxidationsmittels wie zum Beispiel KW und CO bei abnehmender Sauerstoffkonzentration im Abgas hoch ist, werden die NOx-Freisetzung aus dem Katalysator 25 und seine Desoxidation/Reinigung unterstützt. Da aber KW und CO im Abgas auch mit dem im Abgas enthaltenen NOx reagieren, werden KW und CO durch diese Reaktion mit NOx verbraucht, wenn die NOx-Emission bei der Verbrennung von Kraftstoff groß ist, und NO₂ auf Platin (Pt) in der Katalysatorschicht kann nicht genügend desoxidiert werden. Das heißt, wenn die NOx-Konzentration im Abgas hoch ist, schreiten die durch die obigen Formeln (2) und (3) angegebenen Reaktionen nicht genügend voran, so daß die Auffrischung des Katalysators 25 gestört ist.
Das heißt, um den Katalysator 25 aufzufrischen, ist es sehr wichtig, die NOx-Konzentration herabzusetzen und außerdem die KW- und CO-Konzentration im Abgas zu erhöhen. Mit anderen Worten, die Auffrischung des Katalysators 25 kann durch Erhöhen des Konzentrationsverhältnisses CO/NOx der CO-Konzentration zur NOx-Konzentration im Abgas hinreichend unterstützt werden.
13 zeigt Änderungen in der ausgestoßenen NOx-Konzentration auf der stromabwärtigen Seite des Katalysators, wenn der Motor 1 für eine Weile im Modus der schichtweisen Verbrennung läuft und sein Verbrennungsmodus in den stöchiometrischen Modus umgeschaltet wird. Wenn der Motor 1 von dem Modus der schichtweisen Verbrennung in den stöchiometrischen Modus umgeschaltet wird, wird gemäß 13 das in dem Katalysator 25 gespeicherte NOx freigesetzt, und die NOx-Konzentration steigt vorübergehend abrupt an. Da das freigesetzte NOx durch einen Dreiwegeefftekt des Katalysators 25 desoxidiert und abgebaut wird, während die Sauerstoffkonzentration im Abgas niedrig ist, nimmt die NOx-Konzentration danach allmählich ab. Da das Verhältnis CO/NOx im Abgas vor der Abgasrückführung niedrig ist, nimmt die NOx-Konzentration dabei langsam ab, wie durch die gedachte Linie in 13 angedeutet. Da aber das Verhältnis CO/NOx im Abgas bei der durch die durchgehende Linie in 13 angedeuteten starken Abgasrückführung hoch ist, wird die Desoxidation bzw. der Abbau von NOx unterstützt, und die NOx-Konzentration nimmt rasch ab, wie durch die durchgehende Linie in 13 angedeutet. Infolgedessen wird die NOx-Freisetzung aus dem Katalysator 25 unterstützt.
Wenn also gemäß der Steuervorrichtung A für einen Motor dieser Ausführungsform der in den Abgasweg 22 eingesetzte NOx-adsorbierende Katalysator 25 aufgefrischt wird, indem adsorbiertes NOx daraus freigesetzt wird, wird eine schwach geschichtete Verbrennung erreicht durch Aufteilen der Kraftstoffeinspritzung, wird eine starke Abgasrückführung zur Rückführung einer großen Menge Abgas eingestellt, und wird das Konzentrationsverhältnis CO/NOx im Abgas durch ihre synergetische Wirkung stark erhöht. Daher kann die Freisetzung von NOx aus dem Katalysator 25 und die Desoxidation/Reinigung genügend unterstützt werden.
Da bei dieser Ausführungsform außerdem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 in regelmäßigen Abständen durch Dither-Steuerung der Kraftstoffeinspritzmenge nach fett und nach mager geändert wird, um die Konzentra tionen von CO, KW, O₂ und dergleichen im Abgas zu verändern, können ihre Einflüsse auf den Katalysator 25 verstärkt werden, und die Auffrischung des Katalysators kann weiter unterstützt werden.
Da die Auffrischung des Katalysators 25 genügend unterstützt werden kann, kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 dahingehend gesteuert werden, daß es magerer ist als bei der herkömmlichen Vorrichtung, so daß ein Anstieg im Kraftstoffverbrauch minimiert wird, während gleichzeitig ein zusätzlicher Kraftstoffverbrauch unterdrückt wird.
[Weitere Ausführungsformen]
Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt ist und verschiedene andere Ausführungsformen umfaßt. Das heißt, wenn bei der obigen Ausführungsform der akkumulierte Wert Tmager der Zeit der mageren Verbrennung des Motors 1 den ersten eingestellten Wert T1 überschritten hat, dann wird festgestellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die adsorbierte NOx-Menge des Katalysators 25 anhand der von dem Fahrzeug nach der vorhergehenden NOx-Freisetzungsperiode zurückgelegten Strecke und anhand der in diesem Intervall insgesamt verbrauchten Kraftstoffmenge geschätzt werden, und die NOx-Freisetzungsperiode kann anhand des Ergebnisses der Schätzung ermittelt werden.
Nach Freisetzung von NOx aus dem Katalysator 25 wird bei der obigen Ausführungsform das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 des Motors 1 in regelmäßigen Abständen durch Dither-Steuerung verändert (Vorwärtsregelung). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche spezifische Steuerung beschränkt. Zum Beispiel kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einer Regelung mit Rückführung unterzogen werden, um es auf Grund des Signals von dem Sauerstoffsensor in regelmäßigen Abständen nach fett und nach mager zu ändern.
Bei der obigen Ausführungsform läuft der Motor 1 im Modus der schichtweisen Verbrennung im Niedriglastbereich. Der Motor 1 kann jedoch ein Magermotor sein, der Kraftstoff nicht im Modus der schichtweisen Verbrennung verbrennt. Das heißt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums 4 muß im Niedriglastbereich nur so eingestellt sein, daß es einem Luftüberschußverhältnis λ ≥ 1,3 genügt.
Es versteht sich, daß die Erfindung abgesehen von der Definition in den beigefügten Ansprüchen nicht auf ihre spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims

Steuervorrichtung für einen Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, wobei die Steuervorrichtung folgendes umfaßt: ein Kraftstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen und Zuführen von Kraftstoff in einen Brennraum in jedem Zylinder eines Motors; und einen NOx-adsorbierenden Katalysator, der in einen mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Abgasweg eingesetzt ist, NOx in einer Atmosphäre von überschüssigem Sauerstoff mit einer hohen Sauerstoffkonzentration in dem Abgas adsorbiert und das adsorbierte NOx freisetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration abnimmt, und wobei die Steuervorrichtung ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums dahingehend steuert, daß es bei einem Luftüberschußverhältnis λ ≥ 1,3 mager bleibt, wenn der Motor in einen Niedriglastbereich fällt, nachdem der NOx-adsorbierende Katalysator erwärmt wurde; eine Abgasrückführungseinrichtung, die einen Teil des Abgases von dem Abgasweg zu einem Ansaugsystem des Motors zurückführt; eine Ermittlungseinrichtung, die feststellt, ob ein Zeitpunkt der Freisetzung von NOx aus dem NOx-adsorbierenden Katalysator erreicht ist; eine Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts, die das Kraftstoffeinspritzventil dahingehend steuert, daß es Kraftstoff in zwei Einspritzvorgängen, nämlich einer vorausgehenden Einspritzung, die in einen Bereich von einem Ansaughub bis zu einer Anfangsperiode eines Verdichtungshubes des Zylinders fällt, und einer nachfolgenden Einspritzung, die nach einer mittleren Periode des Verdichtungshubes und vor einer Zündperiode eingestellt ist, portionsweise einspritzt, wenn die Ermittlungseinrichtung feststellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde; und eine Einrichtung zum Steuern der Abgasrückführung, die die Abgasrückführungseinrichtung dahingehend steuert, daß sie eine vorbestimmte Menge Abgas zurückführt, wenn die Ermittlungseinrichtung feststellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung folgendes umfaßt: eine Einrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraumes in einen Bereich von 1 < λ ≤ 1,1 steuert und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums in regelmäßigen Abständen nach fett und nach mager in Bezug auf einen Referenzwert ändert, wobei der Referenzwert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses so eingestellt ist, daß er in einen Bereich von L/K = 15 bis 16 fällt, wenn die Ermittlungseinrichtung feststellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung anhand einer Zeit, in der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Brennraums des Motors mager bleibt, feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoffeinspritzmenge der nachfolgenden Einspritzung in einen Bereich von um die 20% bis um die 80% einer Gesamteinspritzmenge vorausgehender und nachfolgender Einspritzmengen fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts so steuert, daß die vorausgehende Einspritzung in einer Anfangsperiode des Ansaughubes des Zylinders beginnt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts so steuert, daß die vorausgehende Einspritzung in einer Anfangsperiode des Verdichtungshubes des Zylinders beginnt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts das Kraftstoffeinspritzventil so steuert, daß es Kraftstoff nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes nicht portionsweise einspritzt, um eine schichtweise Verbrennung zu erreichen, wenn der Motor in den Niedriglastbereich fällt und der NOx-Freisetzungszeitpunkt nicht erreicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Einspritzzeitpunkts so steuert, daß Kraftstoff zusätzlich zu der nach der mittleren Periode des Verdichtungshubes des Zylinders vorgenommenen Einspritzung bei dem Ansaughub eingespritzt wird, wenn die Ermittlungseinrichtung feststellt, daß die NOx-Freisetzungsperiode erreicht wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern der Abgasrückführung die Abgasrückführungseinrichtung dahingehend steuert, daß sie Abgas zurückführt, wenn der Motor in dem Zustand mit schichtweiser Verbrennung läuft, und daß Abgas weiterhin zurückgeführt wird, wenn die Ermittlungseinrichtung in diesem Zustand feststellt, daß der NOx-Freisetzungszeitpunkt erreicht wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern der Abgasrückführung die Abgasrückführungseinrichtung dahingehend steuert, daß sie Abgas zu dem Ansaugsystem zurückführt, um ein Rückführungsverhältnis von nicht weniger als 30% zu erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern der Abgasrückführung die Abgasrückführungseinrichtung dahingehend steuert, daß sie Abgas zu dem Ansaugsystem zurückführt, um ein Rückführungsverhältnis von nicht weniger als 30% zu erreichen, und das Rückführungsverhältnis von Abgas gegeben ist durch: (Kohlendioxidkonzentration im Ansaugweg – Kohlendioxidkonzentration in der Luft)/(Kohlendioxidkonzentration im Abgasweg – Kohlendioxidkonzentration im Ansaugweg).