DE60115321T2

DE60115321T2 - Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und Verfahren zu ihrer Steuerung

Info

Publication number: DE60115321T2
Application number: DE60115321T
Authority: DE
Inventors: Jun Minato-ku Takemura; Kazuyoshi Minato-ku Nakane; Shigeo Minato-ku Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: US6751948B2; JP4250856B2; DE60115321D1; KR20010107617A; JP2001336467A; EP1158150A3; KR100394842B1; EP1158150A2; US20020023431A1; EP1158150B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor und insbesondere ein Verfahren zur Erwärmung von Katalysatoren beim Kaltstart des direkteinspritzenden Verbrennungsmotors.
In den letzten Jahren wurde ein direkt einspritzender Verbrennungsmotor entwickelt, der Kraftstoff direkt in einen Brennraum einspritzt, um sowohl die Leistungsabgabe als auch den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Der Verbrennungsmotor soll in einem Abgaskanal angeordnete Katalysatoren schnell anspringen lassen bzw. aktivieren und die Menge von Schadstoffen, z. B. unverbrannter HC (Kohlenwasserstoffe), reduzieren, die in die Luft ausgestoßen wird.
Zum Beispiel verstellt ein Verbrennungsmotor mit Einlaßkanaleinspritzung gewöhnlich die Zündzeit nach spät auf einen Punkt nach einem oberen Totpunkt, um die Erwärmung der Katalysatoren zu beschleunigen. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dieses Verfahren auf den direkt einspritzenden Verbrennungsmotor anzuwenden. In diesem Fall wird die Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt bei einer Einlaßtakteinspritzung eingestellt, da der Verbrennungsmotor mit Einlaßkanaleinspritzung gewöhnlich eine gleichmäßige vorgemischte Verbrennung durchführt.
Allerdings wird dieser Verbrennungsmotor durch die Restgase infolge der Verringerung der Einlaßluft stark beeinflußt, wenn die Last auf den Motor hoch ist, z. B. im Leerlauf. Dadurch kann keine zufriedenstellende Verbrennungsreaktion in der vorgemischten Verbrennung durchgeführt werden, die durch die Einlaßtakteinspritzung bewirkt ist, und die Spätverstellung der Zündzeit gemäß 10(c) führt zu instabiler Verbrennung. Folglich erhöht sich gemäß 10(a) und 10(b) das Schwankungsverhältnis der Verbrennung, wodurch die freigesetzte Wärmemenge ungleichmäßig wird und ferner der Motor aussetzen (fehlzünden) kann. Durch das Aussetzen des Motors werden unverbrannte HC erzeugt, und die Abgasleistung wird beeinträchtigt.
Zur Einhaltung dieser Anforderung wurde ein Verfahren (im folgenden zweistufige Verbrennung genannt) entwickelt, bei dem eine Haupteinspritzung und eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung (im folgenden Zusatzeinspritzung genannt) durchgeführt werden, indem ein solcher Kennwert genutzt wird, daß der direkt einspritzende Verbrennungsmotor eine Kraftstoffeinspritzzeit frei einstellen kann. Bei diesem Verfahren wird der zusätzliche Kraftstoff verbrannt, um so die Temperatur von Abgasen durch die Wirkung einer Reaktion zu erhöhen, die sich aus einer durch die Haupteinspritzung bewirkten Hauptverbrennung ergibt. Dies trägt zum schnellen Anspringen bzw. Aktivieren der Katalysatoren bei.
Da die Verbrennungsreaktion des zusätzlichen Kraftstoffs eine bei niedriger Temperatur ablaufende Oxidationsreaktion ist, die langsam verläuft, wird aber ein Teil des bei der Zusatzeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs vor der Verbrennung im Brennraum in eine Abgasleitung abgegeben. Dadurch muß die Verbrennungsreaktion des Restkraftstoffs in der Abgasleitung fortgeführt werden, um die Erzeugung der unverbrannten HC zu reduzieren.
Zur Lösung dieses Problems offenbart die JP-A-11-294157 einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor, der Abgaskrümmer mit einem Kapazitäts- bzw. Aufnahmeraum zum Aufnehmen von Abgasen hat und den Restkraftstoff im Aufnahmeraum der Abgaskrümmer verbrennt, um die Erzeugung unverbrannter HC zu reduzieren und die Temperatur der Abgase zu steigern.
Obwohl das in der JP-A-11-294157 offenbarte Verfahren die schnelle Aktivierung der Katalysatoren und die Reduzierung der unverbrannten HC-Emission ermöglicht, ist eine Ausgabe des Motors verringert, da sie im Aufnahmeraum durch die Abgase zwischen Zylindern gestört wird. Daher ist dieses Verfahren für einen Motor ungeeignet, der eine hohe Ausgangsleistung haben muß.
Vorgeschlagen wurde ein weiteres Verfahren, das einen motornahen Katalysator in Abgaskrümmer so integriert, daß der motornahe Katalysator billig bereitgestellt werden kann. In diesem Fall ist es schwierig, einen ausreichenden Aufnahmeraum vor einem motornahen Katalysator zu gewährleisten. Daher erschwert es der Gebrauch der Abgaskrümmer, in die der motornahe Katalysator integriert ist, das in der JP-A-11-294157 offenbarte Verfahren anzuwenden.
Ferner wandelt sich bei der zweistufigen Verbrennung nahezu der gesamte Kraftstoff, der bei der Zusatzeinspritzung eingespritzt wird, in Wärme um und trägt somit kaum zur Motorausgabe bei. Folglich muß gemäß 11(a) der bei der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff erhöht werden, und der bei der Zusatzeinspritzung eingespritzte Kraftstoff muß entsprechend in einem solchen Zustand verringert werden, in dem die Last auf den Motor hoch ist (z. B. im Leerlauf des Motors mit einer Schaltposition eines Automatikgetriebes, die in einem D-Bereich eingestellt ist, oder während der Motor ein Nebenaggregat antreibt, z. B. eine Lichtmaschine und einen Luftkompressor). Die Verringerung des bei der Zusatzeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs macht es unmöglich, die Temperatur der Abgase zufriedenstellend zu erhöhen und die Aktivierung der Katalysatoren gemäß 11(b) zu beschleunigen, und beeinträchtigt auch die Abgasleistung, was 11(c) zeigt. Dies schränkt die Fahrbedingungen ein, die es der Zusatzeinspritzung ermöglichen, die Erwärmung der Katalysatoren zu beschleunigen.
Wie zuvor erwähnt, wird das Verfahren, bei dem die Katalysatoren erwärmt und aktiviert werden, indem die Zusatzeinspritzung sowie die Haupteinspritzung durchgeführt werden, durch die Form der Abgaskrümmer, die Fahrbedingungen u. ä. stark beeinflußt. Daher lassen sich die zufriedenstellenden Wirkungen möglicherweise nicht erreichen, was Folge der Form der Abgaskrümmer, der Fahrbedingungen u. ä. ist.
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor bereitzustellen, der Katalysatoren auf rationellere Weise prompt erwärmen und schnell anspringen lassen bzw. aktivieren kann. Diese Aufgabe kann durch die in den Ansprüchen festgelegten Merkmale gelöst werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor mit folgendem bereit: Katalysatoren zum Reinigen von Abgasen, wobei die Katalysatoren in einem Abgaskanal des Motors angeordnet sind; einer Steuervorrichtung zum Steuern des Motors, um die Katalysatoren zu erwärmen oder zu aktivieren, wenn die Katalysatoren erwärmt oder aktiviert werden müssen; wobei die Steuervorrichtung aufweist: ein erstes Steuerteil zum Steuern des Motors mit einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors, das auf einen Wert nahe einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, einer Zündzeit, die nach einem oberen Totpunkt eingestellt wird, und einer Kraftstoffeinspritzzeit, die in einem Verdichtungstakt eingestellt wird; und ein zweites Steuerteil zum Steuern des Motors mit einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors, das auf einen Wert nahe einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, mit einer Zündzeit, die auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt eingestellt wird, und einer Kraftstoffeinspritzzeit, die in einem Verdichtungstakt eingestellt wird, nachdem das erste Steuerteil den Motor steuert.
Das Wesen der Erfindung sowie weitere Aufgaben und Vorteile werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen gleiche Bezugszeichen in den Darstellungen durchweg gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen. Es zeigen:
1 eine Konzeptdarstellung des Aufbaus eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Funktionsblockdiagramm der Funktionen eines Hauptteils eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 ein Zeitdiagramm eines Steuerkennwerts in Relation zu einem direkteinspritzenden Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4(a) bis (c) Ablaufdiagramme zur Unterstützung der Erläuterung des Betriebs eines direkteinspritzenden Verbren nungsmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei 4(a) das Verfahren zum Einstellen der Einspritzzeit, 4(b) das Verfahren zum Einstellen der Zündzeit und 4(c) die zeitlichen Änderungen der Motordrehzahl zeigt;
5 ein Diagramm zum Vergleich der Abgastemperatur (a), des HC-Emissionsgewichts (b), der Hauptverbrennungsperiode (c), der Zündspätverstellungszeit (d) und des Schwankungsverhältnisses der Verbrennung (e) zwischen einer Verdichtungstakteinspritzung (strichpunktierte Linie) und einer Einlaßtakteinspritzung (durchgezogene Linie) bei verschiedenen Zündzeiten mit einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis;
6 ein Zeitdiagramm der zeitlichen Veränderungen des Zylinderdrucks (a), der Wärmefreisetzungsmenge (b) und des Zündsignals (c) in dem Fall, in dem die Zündzeit auf einen Punkt nach einem oberen Totpunkt bei einer Verdichtungstakteinspritzung eingestellt wird, die mit dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Leerlauf des Motors durchgeführt wird;
7 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Abgastemperatur (fette durchgezogene Linie), der HC-Emissionskonzentration (gestrichelte Linie), der Konzentration von CO und Rauch (strichpunktierte Linie) und dem Kraftstoffverbrauch (dünne durchgezogene Linie) in dem Fall, in dem das Kraftstoff/Luft-Verhältnis auf ein etwas mageres Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, wobei die Motordrehzahl und die Last konstant sind. Eine Linie mit abwechselnden langen und zwei kurzen Strichen bezeichnet einen Bereich, in dem eine stabile Verbrennung realisiert werden kann;
8 ein Diagramm zum Vergleich der Hauptverbrennungsperiode (a), der Zündspätverstellungszeit (b) und des Schwankungsverhältnisses der Verbrennung (c) zwischen einer Verdichtungstakteinspritzung (strichpunktierte Linie) und einer Einlaßtakteinspritzung (durchgezogene Linie) mit verschiedenen Kraftstoff/Luft-Verhältnissen unter der Bedingung, daß die Motordrehzahl und die Last konstant sind und die Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt eingestellt ist;
9(a) bis (g) Zeitdiagramme des Betriebs eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei 9(a) die zeitlichen Veränderungen der Katalysatortemperatur (strichpunktierte Linie), 9(b) die zeitlichen Veränderungen der CO-Konzentration vor Katalysatoren (durchgezogene Linie) und die zeitlichen Veränderungen der CO-Konzentration nach den Katalysatoren (strichpunktierte Linie), 9(c) die zeitlichen Veränderungen der HC-Konzentration vor den Katalysatoren (durchgezogene Linie) und die zeitlichen Veränderungen der HC-Konzentration nach den Katalysatoren (strichpunktierte Linie), 9(d) die zeitlichen Veränderungen des Kraftstoffverbrauchs, 9(e) die Einstellung der Zündperiode, 9(f) die Einstellung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und 9(g) die zeitlichen Veränderungen der Motordrehzahl zeigt;
10 ein Zeitdiagramm zur Unterstützung der Erläuterung des herkömmlichen Problems und zur Darstellung der zeitlichen Veränderungen des Zylinderdrucks (a), der Wärmefreisetzungsmenge (b) und des Zündsignals (c) in dem Fall, in dem die Zündzeit nach einem oberen Totpunkt bei einer Einlaßtakteinspritzung eingestellt wird, die mit einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis im Leerlauf des Motors durchgeführt wird; und
11 ein Diagramm zur Unterstützung der Erläuterung des herkömmlichen Problems und zur Darstellung der Veränderungen des Kraftstoffeinspritzvolumens bei einer Verdichtungstakteinspritzung (durchgezogene Linie), wobei eine zweistufige Verbrennung mit verschiedenen Nettodurchschnittsdrücken (Lasten) unter der Bedingung durchgeführt wird, daß die Motordrehzahl, die Last und das Luftüberschußverhältnis konstant sind, sowie die Veränderungen des Kraftstoffeinspritzvolumens (a), der Abgastemperatur (b) und der HC-Konzentration (c) vor Katalysatoren bei einer Expansionstakteinspritzung (strichpunktierte Linie).
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
1 bis 9 zeigen einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 1 ist der Aufbau des direkteinspritzenden Verbrennungsmotors gemäß dieser Ausführungsform skizziert.
Wie 1 zeigt, hat der direkteinspritzende Verbrennungsmotor (im folgenden auch Motor genannt) 1 ein Hochdruck-Einspritzventil (im folgenden Einspritzventil genannt) 7 an der oberen Seitenkante eines Brennraums 2, so daß der Kraftstoff direkt in den Brennraum 2 eingespritzt werden kann. Der Motor 1 kann den Kraftstoff in mindestens zwei Einspritzmodi einspritzen; einem Einlaßtakteinspritzmodus, bei dem der Kraftstoff in einem Einlaßtakt eingespritzt wird, um eine vorgemischte Verbrennung durchzuführen, und einem Verdichtungstakteinspritzmodus, bei dem der Kraftstoff in einem Verdichtungstakt eingespritzt wird, um eine Schichtladungsverbrennung durchzuführen. Der Motor 1 kann mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnis sowie einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis arbeiten. Während der Motor 1 mit dem mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnis arbeitet, kann ein Luftüberschußverhältnis beliebig eingestellt werden.
Eine Zündkerze 5 ist in der Mitte der Oberseite des Brennraums 2 vorgesehen, und ein Einlaßkanal 3 und ein Auslaßkanal 4 sind mit der Oberseite des Brennraums 2 verbunden. Der Einlaßkanal 3 ist mit einer Einlaßöffnung verbunden, die an einer relativ aufrecht stehenden Position im Hinblick auf den Brennraum 2 gebildet ist. Im Einlaßkanal 3 sind ein Luftfilter (nicht gezeigt) und eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe (im folgenden als ETV bezeichnet) 6 in dieser Reihenfolge von stromaufwärts vorgesehen. Ein Abgaskrümmer 9, der vom Brennraum 2 jedes Zylinders abgegebene Abgase zusammenfaßt, ist mit einer Abgasöffnung des Abgaskanals 4 verbunden. Mehrere Katalysatoren 8A bis 8C mit unterschiedlichen Funktionen sind im Abgaskrümmer 9 und stromabwärts davon vorgesehen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist ein als motornaher Katalysator dienender Dreiwegekatalysator 8C in einem Stück mit dem Abgaskrümmer 9 angeordnet, und ein NOx-Katalysator 8A sowie ein Dreiwegekatalysator 8B sind stromabwärts vom Abgas krümmer 9 angeordnet. Mit dieser Anordnung reinigt der motornahe Katalysator 8C, der nahe dem Motor 1 angeordnet ist und dadurch leicht erwärmt wird, die Abgase, während der NOx-Katalysator 8A und der Dreiwegekatalysator 8B z. B. nach dem Start des Motors 1 nicht ausreichend erwärmt werden, und der Dreiwegekatalysator 8B beseitigt CO, HC und NOx in den Abgasen mit dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis nach der Erwärmung. NOx, das während des Betriebs mit dem mageren Kraftstoff/Luft-Verhältnis erzeugt wird, wird durch den NOx-Katalysator 8A absorbiert, der in sauerstoffreicher Atmosphäre funktioniert. Das absorbierte NOx wird vom NOx-Katalysator 8A in reduzierter Atmosphäre abgegeben und wird durch den Dreiwegekatalysator 8B reduziert. Der NOx-Katalysator 8A ist nicht unbedingt ein Katalysator vom Absorptionstyp, sondern kann auch ein Katalysator vom selektiven Reduktionstyp sein, der NOx in der sauerstoffreichen Atmosphäre selektiv reduziert und beseitigt.
Eine Steuereinheit 20 und vielfältige Sensoren sind vorgesehen, um den Motor 1 zu steuern. Die Steuereinheit 20 ist als elektronische Steuereinheit (im folgenden ECU genannt) vorgesehen, die hauptsächlich folgendes aufweist: eine Eingabe-/Ausgabevorrichtung; Speichervorrichtungen (z. B. ROM, RAM und BURAM) zum Gebrauch beim Speichern eines Steuerprogramms, eines Steuerkennfelds usw.; eine Zentraleinheit (CPU) und einen Zeitgeberzähler (nicht gezeigt). Die Steuereinheit 20 stellt verschiedene Arten von Steuersignalen ein, um den Motor 1 in Übereinstimmung mit Informationen von den zuvor beschriebenen vielfältigen Sensoren zu steuern.
Im Motor 1 ist ein Drosselklappensensor 10 zum Detektieren des Winkels der ETV 6 an einer Position vorgesehen, an der die ETV 6 im Einlaßkanal 3 angeordnet ist. Außerdem ist der Motor 1 mit einem Kurbelwinkelsensor 13 zum Ausgeben von Signalen synchron zur Drehung einer Kurbelwelle versehen, die nicht dargestellt ist. Die ECU 20 schätzt eine Last auf den Motor 1 gemäß dem Drosselklappenwinkel, der durch den Drosselklappensensor 10 detektiert wird, und einer Motordrehzahl, die anhand einer Ausgabe vom Kurbelwinkelsensor 13 berechnet wird. Die ECU 20 steuert ein Kraftstoffeinspritzvolumen, eine Kraftstoffeinspritzzeit und eine Zündzeit gemäß einem Steuerkennfeld (nicht dargestellt), das vorab gespeichert ist, auf der Grundlage der Motordrehzahl und der geschätzten Motorlast.
Eine Lambdasonde bzw. ein O₂-Sensor 11, der die Sauerstoffkonzentration der Abgase detektiert, ist vor dem NOx-Katalysator 8A im Abgaskanal 4 vorgesehen. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors 1 kann gemäß einer Ausgabe vom O₂-Sensor 11 geschätzt werden. Die ECU 20 kann eine offene Steuerung zum Regulieren des Kraftstoffeinspritzvolumens gemäß dem Luftvolumen und eine O₂-Rückführungssteuerung zum Regulieren des Kraftstoffeinspritzvolumens gemäß der Ausgabe vom O₂-Sensor 11 durchführen. Ferner ist der Motor 1 mit einem Katalysatortemperatursensor 12 versehen, der die Temperatur des motornahen Katalysators 8C detektiert (Bettemperatur des motornahen Katalysators 8C). Außerdem ist ein Abgastemperatursensor 14, der die Abgastemperatur detektiert, neben dem O₂-Sensor 11 vor dem NOx-Katalysator 8A angeordnet.
Im folgenden wird ein Hauptteil des erfindungsgemäßen direkteinspritzenden Verbrennungsmotors beschrieben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Katalysatoren 8A bis 8C prompt zu erwärmen und schnell zu aktivieren, ohne die zweistufige Verbrennung durchzuführen, bei der eine Zusatzverbrennung sowie eine Hauptverbrennung zum Erwärmen und Aktivieren der Katalysatoren erfolgen.
2 ist ein Blockdiagramm der Funktionen des Hauptteils des erfindungsgemäßen direkteinspritzenden Verbrennungsmotors. Gemäß 2 besitzt die ECU 20 als ihre Funktionskomponenten ein Steuerstart-Bestimmungsteil 21, ein erstes Steuerteil 22, ein zweites Steuerteil 23, ein Steuermodusumschaltungs-Bestimmungsteil 24 und ein O₂-Sensoraktivierungs-Bestimmungsteil 25. Durch das Zusammenwirken der Funktionskomponenten 21 bis 25 wird die o. g. Aufgabe gelöst.
Das Steuerstart-Bestimmungsteil 21 hat eine Funktion zum Bestimmen, ob das Abarbeiten eines Steuerbetriebs zur Erwärmung und Aktivierung der Katalysatoren 8A bis 8C zu beginnen ist (durch das später beschriebene erste Steuerteil 22 oder zweite Steuerteil 23). Die Katalysatoren 8A bis 8C werden mindestens dann aktiviert, wenn sie die minimale Aktivierungstemperatur (Anspringtemperatur) erreichen. Werden die Katalysatoren 8A bis 8C nur in einem kleinen Grad aktiviert, können sie nicht effektiv funktionieren. Um die Erzeugung unverbrannter HC zu reduzieren, wird der Grad, in dem die Katalysatoren 8A bis 8C aktiviert werden, erhöht, so daß sie effektiv funktionieren können. Insbesondere muß der motornahe Katalysator 8C schnell aktiviert werden. Folglich bestimmt das Steuerstart-Bestimmungsteil 21 den Start der Durchführung des Steuerbetriebs zur Aktivierung des motornahen Katalysators 8C, wenn eine Katalysatortemperatur T_c geringer als eine vorbestimmte Temperatur (ausreichende Katalysatoraktivierungstemperatur) ist, bei der bestimmt wird, daß der motornahe Katalysator 8C ausreichend aktiviert ist. Die Temperatur des motornahen Katalysators 8C wird nicht unbedingt durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektiert. Beispielsweise kann die Temperatur des motornahen Katalysators 8C gemäß der Temperatur von Kühlwasser im Motor 1 und der durch einen Zeitgeber ab Start des Motors gemessenen Ablaufzeit geschätzt werden, oder die Temperatur des motornahen Katalysators 8C kann gemäß der durch den Abgastemperatursensor 14 detektierten Abgastemperatur geschätzt werden.
Vorzugsweise wird der erste Steuerbetrieb auf den zweiten Steuerbetrieb umgeschaltet, wenn die Katalysatortemperatur die erste vorbestimmte Temperatur (z. B. die minimale Katalysatoraktivierungstemperatur) überschreitet.
Das erste Steuerteil 22 und das zweite Steuerteil 23 sind die Funktionskomponenten, die das Kraftstoffeinspritzvolumen (Kraftstoff/Luft-Verhältnis), die Kraftstoffeinspritzzeit und die Zündzeit steuern. Bestimmt das Steuerstart-Bestimmungsteil 21, die Durchführung des Steuerbetriebs zum Erwärmen der Katalysatoren zu starten, stellt das erste Steuerteil 22 das Kraftstoff/Luft-Verhältnis, die Kraftstoffeinspritzzeit und die Zündzeit wie nachfolgend beschrieben ein, um so das Einspritzventil 7 und die Zündkerze 5 zu steuern. Ein Steuermodus, in dem das erste Steuerteil 22 den Steuerbetrieb durchführt, wird im folgenden als Katalysatorerwärmungsmodus bezeichnet.

1) Kraftstoff/Luft-Verhältnis: nahe dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis [stärker bevorzugt etwas magerer als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis (z. B. liegt das Luftüberschußverhältnis zwischen 1,0 und 1,2)]
2) Kraftstoffeinspritzzeit: im Verdichtungstakt
3) Zündzeit: nach einem oberen Totpunkt (d. h., in einem Expansionstakt von einem Punkt nahe einem oberen Totpunkt bis zu einem Punkt nach dem oberen Totpunkt)

In diesem durch das erste Steuerteil 22 abgearbeiteten Steuermodus wird die Abschlußzeit der Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise im Bereich von 70° vor OT (BTDC) bis 20° vor OT (BTDC) eingestellt, und die Zündzeit wird vorzugsweise im Bereich von einem Punkt nahe OT (TDC) bis etwa 20° nach OT (ATDC) eingestellt.
Im Katalysatorerwärmungsmodus wird die Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt eingestellt, um ein Intervall zwischen der Kraftstoffeinspritzzeit und der Zündzeit zu gewährleisten; gleichwohl kann die Kraftstoffeinspritzzeit früher liegen, um das Intervall zwischen der Kraftstoffeinspritzzeit und der Zündzeit zu gewährleisten.
Bestimmt das später beschriebene Steuermodusumschaltungs-Bestimmungsteil 24, den Steuermodus umzuschalten, arbeitet das zweite Steuerteil 23 anstelle des ersten Steuerteils 22. Das zweite Steuerteil 23 stellt die Kraftstoffeinspritzzeit und die Zündzeit wie nachfolgend beschrieben ein, um das Einspritzventil 7 und die Zündkerze 5 zu steuern. Ein Steuermodus, in dem das zweite Steuerteil 23 den Steuerbetrieb durchführt, wird im folgenden als katalytischer Reaktionsmodus bezeichnet.

1) Kraftstoff/Luft-Verhältnis: nahe dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis [stärker bevorzugt etwas magerer als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis (z. B. liegt das Luftüberschußverhältnis zwischen 1,0 und 1,2)]
2) Kraftstoffeinspritzzeit: im Verdichtungstakt (eine Einspritzabschlußzeit wird vor dem Start des Katalysatorerwärmungsmodus eingestellt)
3) Zündzeit: im Bereich von einem Punkt vor einem oberen Totpunkt bis zum oberen Totpunkt (d. h., im Expansionstakt von einem Punkt vor einem oberen Totpunkt bis zu einem Punkt nahe dem oberen Totpunkt)

In diesem durch das zweite Steuerteil 23 abgearbeiteten Steuermodus wird die Abschlußzeit der Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise im Bereich von 80° vor OT (BTDC) bis 40° vor OT (BTDC) eingestellt, und die Zündzeit wird vorzugsweise im Bereich von etwa 20° vor OT (BTDC) bis zu einem Punkt nahe OT (TDC) eingestellt. Wird die Zündzeit in dem durch das erste Steuerteil 22 abgearbeiteten Steuermodus auf einen Punkt nahe OT (TDC) eingestellt, so wird die Zündzeit in dem durch das zweite Steuerteil 23 abgearbeiteten Steuermodus vorzugsweise vom OT (TDC) so nach früh verstellt (dem durch das erste Steuerteil 22 durchgeführten Steuermodus), daß sie im Bereich von 20° vor OT (BTDC) bis 10° vor OT (BTDC) eingestellt ist. Das heißt, die Zündzeit des zweiten Steuerteils 23 wird um eine vorbestimmte Zeit gegenüber der Zündzeit des ersten Steuerteils 22 nach früh verstellt. Zum Beispiel wird die Zündzeit des zweiten Steuerteils 23 im Bereich von 20° vor OT (BTDC) bis 10° vor OT (BTDC) eingestellt. Ist ferner die Zündzeit in dem durch das erste Steuerteil 22 abgearbeiteten Steuermodus im Bereich von 5° nach OT (ATDC) bis 20° nach OT (ATDC) eingestellt, kann die Zündzeit in dem durch das zweite Steuerteil 23 durchgeführten Steuermodus im Bereich von 20° vor OT (BTDC) bis zu einem Punkt nahe OT (TDC) unter Berücksichtigung der Verbrennungsstabilität und der Konzentration der Abgasgehalte geeignet eingestellt werden. Im katalytischen Reaktionsmodus werden jedoch die Einspritzzeit und die Zündzeit nicht schrittweise gegenüber denen im Katalysatorerwärmungsmodus geändert, sondern durch Nachziehsteuerung gemäß 3(a) und 3(b) in jedem Schritt oder unter Verwendung des Zeitgebers allmählich geändert.
Durch das erste Steuerteil 22 und das zweite Steuerteil 23 erfolgt eine offene Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses (d. h. eine Steuerung des Kraftstoffeinspritzvolumens), bis das später beschriebene O₂-Sensoraktivierungs-Bestimmungsteil 25 bestimmt, daß der O₂-Sensor 11 aktiviert wurde. Wird der O₂-Sensor 11 als aktiviert bestimmt, führen das erste Steuerteil 22 und zweite Steuerteil 23 eine Rückführungssteuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses gemäß einem Ausgabewert des O₂-Sensors 11 durch.
Das Steuermodusumschaltungs-Bestimmungsteil 24 ist eine Funktionskomponente, die das Umschalten eines Gegenstands des Steuerbetriebs vom ersten Steuerteil 22 (Katalysatorerwärmungsmodus) auf das zweite Steuerteil 23 (katalytischer Reaktionsmodus) wie oben dargestellt bestimmt. Wird die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c gleich oder höher als eine minimale Temperatur (Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur) T_c1 (T_c0), bei der der motornahe Katalysator 8C als aktiviert bestimmt wird, bestimmt das Steuermodusumschaltungs-Bestimmungsteil 24, den Steuermodus vom Katalysatorerwärmungsmodus auf den katalytischen Reaktionsmodus umzuschalten. Wird die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c gleich oder höher als die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0, beendet das zweite Steuerteil 23 den Steuerbetrieb, so daß der normale Steuerbetrieb gemäß dem Steuerkennfeld beginnen kann. Die Temperatur des motornahen Katalysators 8C wird nicht unbedingt durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektiert. Ob der Steuermodus umgeschaltet werden sollte, kann z. B. durch Schätzen der Temperatur des motornahen Katalysators 8C gemäß der Temperatur des Kühlwassers im Motor 1 und der durch den Zeitgeber ab Start des Motors 1 gemessenen Ablaufzeit oder gemäß der durch den Abgastemperatursensor 14 detektierten Abgastemperatur bestimmt werden.
Das O₂-Sensoraktivierungs-Bestimmungsteil 25 ist eine Funktionskomponente, die bestimmt, ob der O₂-Sensor 11 auf die o. g. Weise aktiviert ist. Der O₂-Sensor 11 kann seine Funktion nicht ausüben oder die Rückführsteuerung nicht genau durchführen, wenn seine Temperatur eine vorbestimmte Temperatur (Aktivierungstemperatur) nicht übersteigt. Die Erfindung löst dieses Problem wie folgt: Das O₂-Sensoraktivierungs-Bestimmungsteil 25 bestimmt, ob der O₂-Sensor 11 aktiviert ist, und ermöglicht dem ersten Steuerteil 22 und zweiten Steuerteil 23 die Durchführung der Rückführungssteuerung nur dann, wenn dessen Temperatur ausreichend ist. Das O₂-Sensoraktivierungs-Bestimmungsteil 25 schätzt die Innentemperatur des O₂-Sensors 11 gemäß der durch den Abgastemperatursensor 14 detektierten Abgastemperatur und bestimmt den O₂-Sensor 11 als aktiv, wenn die Innentemperatur des O₂-Sensors 11 die Aktivierungstemperatur übersteigt.
4 ist ein Ablaufplan (Schritte S10 bis S120) eines Steuerverfahrens, das durch die ECU 20 (das Steuerstart-Bestimmungsteil 21, das erste Steuerteil 22, das zweite Steuerteil 23, das Steuermodusumschaltungs-Bestimmungsteil 24 und das O₂-Sensoraktivierungs-Bestimmungsteil 25) abgearbeitet wird. Dieses Steuerverfahren zielt auf eine Erwärmung des Katalysators kurz nach dem Start des Motors 1 ab.
Zuerst wird in einem Schritt S10 bestimmt, ob die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c kleiner als die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0 ist. Hat die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c bereits die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0 oder mehr erreicht, fährt das Verfahren mit einem Schritt S120 fort, um einen normalen Steuerbetrieb durchzuführen. Das heißt, der Motor 1 wird gemäß dem Kennfeld gesteuert, das vorab gespeichert ist.
Wird im Schritt S10 bestimmt, daß die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c kleiner als die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0 ist, fährt das Verfahren mit einem Schritt S20 fort, um den Katalysatorerwärmungsmodus abzuarbeiten. Insbesondere wird das Kraftstoff/Luft-Verhältnis auf einen Wert nahe dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt [stärker bevorzugt ein etwas mageres Kraftstoff/Luft-Verhältnis (z. B. liegt das Luftüberschußverhältnis zwischen 1,0 und 1,2)]. Die Kraftstoffeinspritzzeit wird so eingestellt, daß sie im Verdichtungstakt liegt, und die Zündzeit wird auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt eingestellt. In einem nächsten Schritt S30 wird gemäß der durch den Abgastemperatursensor 14 detektierten Abgastemperatur bestimmt, ob der O₂-Sensor 11 aktiviert ist. Ist der O₂-Sensor 11 nicht aktiviert, geht das Verfahren zu einem Schritt S40 über, um eine offene Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und eine Steuerung der Zündzeit durchzuführen. Ist der O₂-Sensor 11 aktiviert, fährt das Verfahren mit einem Schritt S50 fort, um eine Rückführungssteuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und eine Steuerung der Zündzeit durchzuführen.
In einem Schritt S60 wird bestimmt, ob die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c die vorbestimmte Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur T_c1 erreicht hat. Der Steuerbetrieb in den Schritten S20 bis S60, d. h. der Steuerbetrieb im Katalysatorerwärmungsmodus, wird wiederholt, bis die Katalysatortemperatur T_c die vorbestimmte Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur T_c1 erreicht. Erreicht die Katalysatortemperatur T_c die Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur T_c1, geht das Verfahren zu einem Schritt S70 über, um den Steuermodus vom Katalysatorerwärmungsmodus auf den katalytischen Reaktionsmodus umzuschalten.
Im Schritt S70 wird der katalytische Reaktionsmodus ab so gearbeitet, daß eine Nachziehsteuerung die Einspritzabschlußzeit früher als im Katalysatorerwärmungsmodus einstellt und die Zündzeit auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt ändert. Zur Änderung der Abschlußzeit der Kraftstoffeinspritzung und der Zündzeit im Katalysatorerwärmungsmodus auf die im katalytischen Reaktionsmodus wird die Nachziehsteuerung durchgeführt, um die Kraftstoffeinspritzzeit allmählich zu ändern und die Zündzeit allmählich zu ändern, was von der Änderung der Abschlußzeit der Kraftstoffeinspritzung gemäß 3(a) und 3(b) begleitet wird (oder synchron dazu erfolgt). In einem Schritt S80 wird gemäß der Abgastemperatur bestimmt, ob der O₂-Sensor 11 aktiviert ist oder nicht. Ist der O₂-Sensor 11 nicht aktiviert, fährt das Verfahren mit einem Schritt S90 fort, um eine offene Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und eine Steuerung der Zündzeit durchzuführen. Ist der O₂-Sensor 11 aktiviert, geht das Verfahren zu einem Schritt S100 über, um eine Rückführungssteuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses und eine Steuerung der Zündzeit durchzuführen.
In einem Schritt S110 wird bestimmt, ob die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0 erreicht hat oder nicht. Der Steuerbetrieb in den Schritten S70 bis S100, d. h. der Steuerbetrieb im katalytischen Reaktionsmodus, wird wiederholt, bis die Katalysatortemperatur T_c die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0 erreicht. Erreicht die Katalysatortemperatur T_c die ausreichende Aktivierungstemperatur T_c0, fährt das Verfahren mit einem Schritt 120 fort, um den katalytischen Reaktionsmodus aufzuheben, so daß der Motor 1 gemäß dem vorab gespeicherten Steuerkennfeld gesteuert werden kann.
Anhand von 5 bis 9 wird als nächstes der Betrieb des erfindungsgemäßen direkteinspritzenden Verbrennungsmotors beschrieben, der auf die o. g. Weise aufgebaut ist.
Zunächst wird der Betrieb als Ergebnis der Abarbeitung des Katalysatorerwärmungsmodus beschrieben.
Zur Aktivierung des motornahen Katalysators 8C kann man davon ausgehen, daß mit den Abgasen eine große Menge von CO und O₂ zum motornahen Katalysator 8C geführt wird, so daß die Wärme der katalytischen Reaktion zwischen CO und O₂ die Temperatur des motornahen Katalysators 8C anheben kann. Zur Auslösung der katalytischen Reaktion muß aber die Temperatur des motornahen Katalysators 8C die minimale Aktivierungstemperatur sein oder darüber liegen. Ist die Temperatur des motornahen Katalysators 8C geringer als die minimale Aktivierungstemperatur, muß seine Temperatur schnell gesteigert werden.
Im Katalysatorerwärmungsmodus wird der Kraftstoff im Verdichtungstakt eingespritzt, wobei der direkt aus dem Einspritzventil 7 eingespritzte Kraftstoff eine Ladungsschicht eines fetten Kraftstoffgemischs und eine Ladungsschicht eines mageren Kraftstoffgemischs lokal im Brennraum 2 bildet. Gemäß 5(c) und (d) verbrennt daher das Gemisch im Brennraum 2, das durch die Zündkerze 5 gezündet wird, mit einer extrem hohen Geschwindigkeit verglichen mit der vorgemischten Verbrennung, die durch Einspritzen des Kraftstoffs im Einlaßtakt durchgeführt wird (Schichtladungsverbrennung).
Da wie zuvor dargestellt das Gemisch mit einer höheren Geschwindigkeit bei der Verdichtungstakteinspritzung als bei der Einlaßtakteinspritzung verbrennt, ist der Brennzustand stabil, und der Motor 1 setzt auch dann nie aus, wenn die Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt nach spät verstellt wird, was 5(e) sowie 6(a) und (b) zeigen. Als Ergebnis läßt sich die Konzentration der unverbrannten HC-Emission so steuern, daß sie geringer als bei der Einlaßtakteinspritzung gemäß 5(b) ist. Die Spätverstellung der Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt führt zu einer so extremen Nachverbrennung, daß die Wärme weiterhin freigesetzt wird, bis ein Auslaßventil geöffnet wird, was 6(a) und 6(b) zeigen. Folglich steigt die Abgastemperatur wie im Fall der Einlaßtakteinspritzung (etwa 700°C).
Daher verhindert die Durchführung des Katalysatorerwärmungsmodus die Erzeugung der unverbrannten HC und ermöglicht die Zufuhr der Abgase mit hoher Temperatur zum motornahen Katalysator 8C, so daß die Temperatur des motornahen Katalysators 8C schnell auf die minimale Aktivierungstemperatur steigen kann (siehe 9(a) und 9(c)).
Im übrigen bewirkt die Verdichtungstakteinspritzung, daß sich das fette Kraftstoffgemisch wie zuvor dargestellt lokal bildet und dadurch die Konzentration der Rauch- und CO-Emission, wenn das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis liegt. Im Katalysatorerwärmungsmodus wird aber ein ausreichendes Intervall zwischen der Kraftstoffeinspritzung und der Zündung gewährleistet, indem die Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt nach spät verstellt wird, was die Mischung des eingespritzten Kraftstoffs und der Luft erleichtert. Daher wird die Konzentration der Rauch- und CO-Emission so gesteuert, daß sie gemäß 7 und 9(b) gering ist.
Der Katalysatorerwärmungsmodus wird durch die offene Steuerung abgearbeitet, bis der O₂-Sensor 11 aktiviert ist. Somit wird gemäß 8 der Verbrennungszustand nie wie im Fall der vorgemischten Verbrennung beeinträchtigt, auch wenn sich das Kraftstoff/Luft-Verhältnis stark zu einem mageren Verhältnis verschiebt, da die Schichtladungsverbrennung auf der Grundlage der Verdichtungstakteinspritzung weniger empfindlich auf die Änderung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses als die vorgemischte Verbrennung reagiert.
Weiterhin ist der maximale Verbrennungsdruck als Darstellung einer Motoraustrittskraft niedriger als der Verdichtungsdruck, und die Änderung des Zylinderdrucks ist gemäß 6(a) gering wie im Fall, in dem der Motor 1 kurz nach dem Start leerläuft. Damit verringern sich die Schwingungen des Motors 1.
Im folgenden wird der Betrieb als Ergebnis der Durchführung des katalytischen Reaktionsmodus beschrieben.
Wie zuvor dargestellt, ermöglicht die Abarbeitung des Katalysatorerwärmungsmodus, daß die Temperatur des motornahen Katalysators 8C schnell auf die minimale Aktivierungstemperatur steigt. Im Katalysatorerwärmungsmodus kann aber der sparsame Kraftstoffverbrauch nicht immer wie erwünscht sein, da sich eine große Kraftstoffmenge in Wärme umwandelt, ohne zur Motorausgabe beizutragen, obwohl die Abgastemperatur erhöht werden kann. Zur Behebung dieses Problems wird die Zündzeit von einem Punkt nach dem oberen Totpunkt auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt durch die Nachziehsteuerung im katalytischen Reaktionsmodus gemäß 9(e) nach früh verstellt, so daß der Kraftstoffverbrauch gemäß 7 und 9(d) verbessert werden kann.
Diese Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs senkt die Abgastemperatur gemäß 7 und 9(a). Die Konzentration der unverbrannten HC-Emission steigt mit abnehmender Abgastemperatur gemäß 7 und 9(c). Infolge der Kennwerte der Schichtladungsverbrennung mischen sich der eingespritzte Kraftstoff und die Luft nicht mehr, wenn sich die Zündzeit stark der Kraftstoffeinspritzzeit nähert. Dies erhöht die Konzentration der CO-Emission gemäß 7 und 9(b).
Gleichwohl hat die Temperatur des motornahen Katalysators 8C bereits die minimale Aktivierungstemperatur (Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur) infolge der Durchführung des Katalysatorerwärmungsmodus erreicht, wodurch die katalytische Reaktion zwischen CO und O₂ an den Katalysatoren auftritt und die Wärme der Reaktion die Katalysatortemperatur gemäß 9(a) weiter erhöht. Der Anstieg der Katalysatortemperatur beschleunigt die Aktivierung des motornahen Katalysators 8C. Auch wenn daher die Konzentration der CO- und HC-Emission vom Motor 1 wie angegeben steigt, kann die Konzentration der CO- und HC-Emission auf einen extrem geringen Wert gemäß 9(b) und 9(c) reduziert werden.
Wie zuvor dargestellt, kann der direkteinspritzende Verbrennungsmotor der Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielen: Die stabile Nachverbrennung und die hohe Abgastemperatur werden durch Einspritzen des Kraftstoffs im Verdichtungstakt mit dem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis und Einstellen der Zündzeit auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt erreicht. Dadurch ist es möglich, den motornahen Katalysator 8C rationell zu erwärmen, während die Emission der unverbrannten HC unterdrückt wird.
Erreicht außerdem die Temperatur des motornahen Katalysators 8C die Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur, wird die Zündzeit auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt geändert, so daß CO und CO₂ in den Abgasen gemeinsam vorliegen und am motornahen Katalysator 8C reagieren können. Die Wärme der Reaktion erwärmt den motornahen Katalysator 8C weiter und beschleunigt die Aktivierung des motornahen Katalysators 8C, während der Kraftstoffverbrauch nicht beeinträchtigt wird.
Gemäß dem direkteinspritzenden Verbrennungsmotor der Erfindung können die o. g. Wirkungen zudem erreicht werden, ohne von der Form der Abgaskrümmer oder den Fahrbedingungen abhängig zu sein. Zusätzlich sollten auch die Kosten nie steigen, da es unnötig ist, Zusatzvorrichtungen zu verwenden, z. B. eine Sekundärluftanlage.
Die vorstehende Beschreibung betrifft eine Ausführungsform des direkteinspritzenden Verbrennungsmotors. Gemäß dieser Ausführungsform ist z. B. der motornahe Katalysator (Dreiwegekatalysator) 8C nahe dem Motor 1 vorgesehen, wobei aber der motornahe Katalysator 8C natürlich auch entfallen kann. Entfällt der motornahe Katalysator 8C, werden der NOx-Katalysator 8A und der Dreiwegekatalysator 8B, die stromabwärts im Abgaskanal vorgesehen sind, statt des motornahen Katalysators 8C erwärmt und schnell aktiviert. Außerdem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Katalysatoren zu erwärmen und schnell zu aktivieren, wobei die Arten und die Anzahl von Katalysatoren keiner Einschränkung unterliegen. Gemäß der zuvor dargestellten Ausführungsform wird die Zeit zum Umschalten des Steuermodus vom Katalysatorerwärmungsmodus auf den katalytischen Reaktionsmodus in Abhängigkeit davon bestimmt, ob die durch den Katalysatortemperatursensor 12 detektierte Katalysatortemperatur T_c die Katalysatoraktivierungs-Bestimmungstemperatur T_c1 erreicht hat, kann aber auch gemäß der durch den Zeitgeber gemessenen abgelaufenen Zeit bestimmt werden. Insbesondere beginnt nach dem Start des Motors 1 ein Zeitgeber für den Eintritt in den Katalysatorerwärmungsmodus, die Ablaufzeit zu messen (Zeitgeber EIN), und der Katalysatorerwärmungsmodus wird gestartet. Mißt der Zeitgeber eine vorbestimmte Ablaufzeit t1, wird der Katalysatorerwärmungsmodus beendet (Zeitgeber AUS). Ist der Katalysatorerwärmungsmodus beendet, beginnt ein Zeitgeber für den Eintritt in den katalytischen Reaktionsmodus eine Messung der Ablaufzeit (Zeitgeber EIN), und der katalytische Reaktionsmodus wird gestartet. Erreicht der Zeitgeber eine vorbestimmte Ablaufzeit t2, wird der katalytische Reaktionsmodus beendet (Zeitgeber AUS), um den normalen Steuerbetrieb durchzuführen. Optimalwerte werden für die vorbestimmten Ablaufzeiten t1 und t2 durch Experimente usw. vorab ermittelt. Alternativ kann die Temperatur des Kühlwassers usw. vorab in einem Kennfeld gespeichert werden, so daß die vorbestimmten Ablaufzeiten t1 und t2 gemäß der Temperatur des Kühlwassers bestimmt werden können, wenn der Motor gestartet wird.
In der vorstehenden Ausführungsform ist die Erfindung auf die Erwärmung der Katalysatoren nach dem Start des Motors angewendet, wobei aber die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Bleibt der Motor z. B. lange Zeit im Leerlauf, nachdem die Katalysatoren aktiviert sind, fällt die Temperatur der Abgase, was die Katalysatoren deaktiviert. Die Erfindung kann auf diese Art von Situation angewendet werden, in der die Katalysatoren deaktiviert sind und wieder erwärmt werden müssen. Wird z. B. die Temperatur der aktivierten Katalysatoren gleich oder kleiner als die Katalysatoraktivierungs-Bestim mungstemperatur T_c1, kann das zweite Steuerteil 23 gesteuert werden, um den Steuerbetrieb durchzuführen. Wird ferner die Temperatur des Katalysators, der aktiviert wurde, nicht größer als eine vorbestimmte HC- oder NO-Aktivierungstemperatur, obwohl sie nicht kleiner als eine vorbestimmte CO-Aktivierungstemperatur ist, wird die zweite Steuerung 23 gesteuert, um den Steuerbetrieb durchzuführen. Wird die Katalysatortemperatur gleich oder kleiner als die CO-Aktivierungstemperatur (in diesem Fall kann nicht erwartet werden, daß der Katalysator durch CO-Oxidation erwärmt wird), führt das zweite Steuerteil 23 den Steuerbetrieb durch, nachdem das erste Steuerteil 22 den Steuerbetrieb durchführt.
In der o. g. Ausführungsform werden die Kraftstoff/Luft-Verhältnisse des ersten Steuerteils 22 und zweiten Steuerteils 23 auf das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis oder das etwas magere Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt, das etwas magerer als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis ist, wobei aber die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise können die Kraftstoff/Luft-Verhältnisse des ersten Steuerteils 22 und zweiten Steuerteils 23 etwas fetter als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis sein. Alternativ kann das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des ersten Steuerteils 22 auf ein etwas fetteres Kraftstoff/Luft-Verhältnis als das stöchiometrische Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt werden, um die Erwärmung der Katalysatoren zu beschleunigen, und das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des zweiten Steuerteils 23 kann dann auf das etwas magere Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt werden, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Claims

Direkteinspritzender Verbrennungsmotor mit: Katalysatoren zum Reinigen von Abgasen, wobei die Katalysatoren in einem Abgaskanal des Motors angeordnet sind; einer Steuervorrichtung zum Steuern des Motors, um die Katalysatoren zu erwärmen oder zu aktivieren, wenn die Katalysatoren erwärmt oder aktiviert werden müssen; wobei die Steuervorrichtung aufweist: ein erstes Steuerteil zum Steuern des Motors mit einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors, das auf einen Wert nahe einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, einer Zündzeit, die in einem Bereich von einem Punkt nahe einem oberen Totpunkt bis zu einem Punkt nach dem oberen Totpunkt eingestellt wird, und einer Kraftstoffeinspritzzeit, die in einem Verdichtungstakt eingestellt wird; und ein zweites Steuerteil zum Steuern des Motors mit einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors, das auf einen Wert nahe einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, mit einer Zündzeit, die in einem Bereich von einem Punkt vor dem oberen Totpunkt bis zu einem Punkt nahe dem oberen Totpunkt eingestellt wird, und einer Kraftstoffeinspritzzeit, die in einem Verdichtungstakt eingestellt wird, nachdem das erste Steuerteil den Motor steuert.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei: die Steuervorrichtung einen Steuerbetrieb von einem durch das erste Steuerteil durchgeführten Steuerbetrieb auf einen durch das zweite Steuerteil durchgeführten Steuerbetrieb umschaltet, wenn eine Temperatur der Ka talysatoren eine erste vorbestimmte Temperatur übersteigt oder wenn das erste Steuerteil den Steuerbetrieb bereits für eine erste vorbestimmte Zeitperiode durchgeführt hat.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei: beim Umschalten des Steuerbetriebs von dem durch das erste Steuerteil durchgeführten Steuerbetrieb auf den durch das zweite Steuerteil durchgeführten Steuerbetrieb die Steuervorrichtung eine Zündzeit von einer Zündzeit, die auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt durch das erste Steuerteil eingestellt wird, auf eine Zündzeit allmählich ändert, die auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt durch das zweite Steuerteil eingestellt wird.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: beim Umschalten des Steuerbetriebs von dem durch das erste Steuerteil durchgeführten Steuerbetrieb auf den durch das zweite Steuerteil durchgeführten Steuerbetrieb die Steuervorrichtung die Zündzeit von einer ersten Zündzeit, die auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt durch das erste Steuerteil eingestellt wird, auf eine zweite Zündzeit allmählich ändert, die auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt durch das zweite Steuerteil eingestellt wird, und außerdem die Zündzeit zusammen mit der Änderung der Kraftstoffeinspritzzeit allmählich ändert.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Steuervorrichtung bewirkt, daß das zweite Steuerteil den Steuerbetrieb beendet, wenn eine Temperatur der Katalysatoren eine zweite vorbestimmte Temperatur übersteigt, die höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist, oder wenn das zweite Steuerteil den Motor bereits für eine zweite vorbestimmte Zeitperiode gesteuert hat.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die Steuervorrichtung bewirkt, daß eine zweite Kraftstoffeinspritzabschlußzeit, die durch das zweite Steuerteil eingestellt wird, früher als eine erste Kraftstoffeinspritzabschlußzeit liegt, die durch das erste Steuerteil eingestellt wird.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei: die Steuervorrichtung bewirkt, daß eine Zündzeit des zweiten Steuerteils von einer durch das erste Steuerteil eingestellten Zündzeit nach früh verstellt wird.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: beim Aktivieren eines Sauerstoffsensors zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in Abgasen, während das erste Steuerteil oder das zweite Steuerteil einen Steuerbetrieb durchführt, die Steuervorrichtung eine Rückführungssteuerung eines Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Motors gemäß einer Ausgabe vom Sauerstoffsensor durchführt.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: die Steuervorrichtung eine offene Steuerung eines Kraftstoff/Luft-Verhältnisses des Motors durchführt, bis ein Sauerstoffsensor zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in Abgasen als aktiviert bestimmt wird, während das erste Steuerteil oder das zweite Steuerteil einen Steuerbetrieb durchführt.
Direkteinspritzender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die Steuervorrichtung bewirkt, daß das erste Steuerteil und das zweite Steuerteil einen Steuerbetrieb durchführen, wenn die Katalysatoren erwärmt oder aktiviert werden müssen und eine Last auf den Motor hoch ist.
Verfahren zum Steuern eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors, der Katalysatoren zum Reinigen von Abgasen aufweist, wobei die Katalysatoren in einem Abgaskanal des Motors angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen, ob die Katalysatoren erwärmt oder aktiviert werden müssen; bei Bestimmung, daß die Katalysatoren erwärmt oder aktiviert werden müssen, erfolgendes Steuern des Motors, um die Katalysatoren mit einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors, das auf einen Wert nahe einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, einer Zündzeit, die in einem Bereich von einem Punkt nahe einem oberen Totpunkt bis zu einem Punkt nach dem oberen Totpunkt eingestellt wird, und einer Kraftstoffeinspritzzeit, die in einem Verdichtungstakt eingestellt wird, zu erwärmen; und nach Erwärmung der Katalysatoren erfolgendes Steuern des Motors, um eine katalytische Reaktion der Katalysatoren mit einem Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors, das auf einen Wert nahe einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis eingestellt wird, einer Zündzeit, die in einem Bereich von einem Punkt vor dem oberen Totpunkt bis zu einem Punkt nahe dem oberen Totpunkt eingestellt wird, und einer Kraftstoffeinspritzzeit, die in einem Verdichtungstakt eingestellt wird, zu beschleunigen.
Verfahren zum Steuern eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors nach Anspruch 11, mit: Bestimmen, ob eine Temperatur der Katalysatoren eine erste vorbestimmte Temperatur übersteigt oder ob die Katalysatoren bereits für eine erste vorbestimmte Zeitperiode erwärmt wurden; und Umschalten eines Steuerbetriebs von einem Steuerbetrieb zum Erwärmen der Katalysatoren auf einen Steuerbetrieb zum Beschleunigen der katalytischen Reaktion, wenn die Temperatur der Katalysatoren die erste vorbestimmte Temperatur übersteigt oder wenn die Katalysatoren bereits für die erste vorbestimmte Zeitperiode erwärmt wurden.
Verfahren zum Steuern eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors nach Anspruch 11 oder 12, wobei: beim Umschalten eines Steuerbetriebs von einem Steuerbetrieb zum Erwärmen der Katalysatoren auf einen Steuerbetrieb zum Beschleunigen der katalytischen Reaktion eine Zündzeit von einer Zündperiode, die auf einen Punkt nach dem oberen Totpunkt im Steuerbetrieb zum Erwärmen der Katalysatoren eingestellt wird, auf eine Zündperiode, die auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt im Steuerbetrieb zum Beschleunigen der katalytischen Reaktion eingestellt wird, allmählich geändert wird.
Verfahren zum Steuern eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit: Bestimmen, ob eine Temperatur der Katalysatoren eine zweite vorbestimmte Temperatur übersteigt, die höher als die erste vorbestimmte Temperatur ist, oder ob die katalytische Reaktion bereits für eine zweite vorbestimmte Zeitperiode durchgeführt wurde; und Beenden eines Steuerbetriebs zum Beschleunigen der katalytischen Reaktion, wenn die Temperatur der Katalysatoren die zweite vorbestimmte Temperatur übersteigt oder wenn die katalytische Reaktion bereits für die zweite vorbestimmte Zeitperiode durchgeführt wurde.
Verfahren zum Steuern eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei: beim Aktivieren eines Sauerstoffsensors zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in Abgasen während eines Steuerbetriebs zum Erwärmen der Katalysatoren oder Beschleunigen der katalytischen Reaktion ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors gemäß einer Ausgabe vom Sauerstoffsensor einer Rückführungssteuerung unterzogen wird; und das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Motors einer offenen Steuerung unterzogen wird, bis der Sauerstoffsensor aktiviert wird.