DE69622765T2 - Dieselmotor - Google Patents

Dieselmotor

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Kiyohiro Shimokawa
Takashi Suzuki
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG (Gebiet der Erfindung)
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dieselmotor und insbesondere betrifft sie einen Dieselmotor, welcher den Kraftstoffverbrauch verbessern kann bei gleichzeitiger Reduktion der Emission von NOx und vom schwarzen Rauch bzw. Qualm.
    • (Stand der Technik)
  • Um die Emission von NOx von Dieselmotoren zu reduzieren, ist es wirkungsvoll eine "Zeitgabeverzögerung" auszuführen, bei der eine Erzeugung von NOx unterdrückt wird durch Verzögern der Zeitgabe der Kraftstoffeinspritzung und, um die Emission von schwarzem Rauch zu reduzieren, ist es wirkungsvoll den Druck der Kraftstoffeinspritzung zu erhöhen oder eine Verbrennungskammer des Wiedereintrittstyps zu verwenden.
  • Jedoch bewirkt die Einspritz-Zeitgabeverzögerung für die NOx-Reduktion die Möglichkeit einer Erhöhung der Emission von schwarzem Rauch und eine Verschlechterung des Kraftstoffsverbrauchs. Im Fall einer Hochdruckeinspritzung kann die Emission vom schwarzem Rauch reduziert werden, da die Atomisierung des Kraftstoffs verstärkt werden kann. Jedoch wird in diesem Fall, da die Verbrennungstemperatur erhöht ist, die Erzeugung von NOx ebenfalls erhöht. Somit wurde es als sehr schwierig betrachtet, die Kraftstoffverbrennung durch Reduzieren der Emission von schwarzem Rauch zu reduzieren, während gleichzeitig die Erzeugung von NOx bei Dieselmotoren unterdrückt wird. Vor einiger Zeit wurde ein Dieselmotor des Typs mit Vor-Gemisch-Kompressionszündung vorgeschlagen als ein Mittel zur Lösung der obigen Probleme. In einem derartigen Dieselmotor des Typs mit Vor-Gemisch-Kompressionszündung wird Kohlenwasserstoff- Kraftstoff in einen Zylinder in dem frühen Stadium eines Kompressionshubs eingespritzt, verdunstet der eingespritzte Kraftstoff und mischt sich mit Luft im Kompressionshub, um ein homogenes Gemisch zu ergeben, und das Gemisch zündet automatisch am Ende des Kompressionshubs. Durch dieses Verbrennungsverfahren, wie es bei Mager-Verbrennungs-Funkenzündungsmotoren stattfindet, kann die Emission von schwarzem Rauch verhindert werden, während die Erzeugung von NOx unterdrückt wird durch Bilden eines homogenen Magergemisches und durch Minimieren der Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs.
  • Jedoch kann bei derartigen Dieselmotoren des Typs mit Vor-Gemisch- Kompressionszündung, bei welchen der Kraftstoff in dem Anfangsteil des Kompressionshubs injiziert wird, selbst mit speziellem Kraftstoff, der eine spezielle Verbrennungseigenschaft aufweist, und/oder mit einer speziellen Kraftstoffeinspritzvorrichtung, der Motor nur in einem begrenzten Last/Geschwindigkeitsbereich betrieben werden. Daher konnte in der Vergangenheit der Dieselmotor des Typs mit Vor-Gemisch-Kompressions-Zündung nicht auf Kraftfahrzeugmotoren angewandt werden, die in einem breiteren Last/Geschwindigkeitsbereich betrieben werden müssen.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG (Probleme, welche die Erfindung löst)
  • Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die obengenannten herkömmlichen Nachteile zu beseitigen und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Dieselmotor bereitzustellen, der den Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitiger Reduktion der Emission von NOx und schwarzem Rauch verbessern kann.
    • (Mittel zum Lösen der Probleme)
  • Um die obige Aufgabe zu lösen wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Dieselmotor bereitgestellt, der eine Einspritzvorrichtung aufweist zum Bewirken einer Vorab-Einspritzung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder des Motors während einer Periode von dem Anfangsteil eines Einlasshubs bis zu dem Mittelteil eines Kompressionshubs und einer Haupteinspritzung zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer in der Nähe des oberen Todpunktes der Kompression und einen Kontroller zum Steuern der Einspritzvorrichtung entsprechend mit einem Betriebszustand des Motors.
  • Des Weiteren kann bei der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von schwarzem Rauch effektiver unterdrückt werden durch Bewirken der Haupteinspritzung mehrere Male während einer Periode von dem Ende des Kompressionshubs zu dem Anfangsteil des Expansionshubs.
  • Der Dieselmotor der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren ein Ansaugluft- Temperatureinstellmittel aufweisen zum variablen Steuern der Temperatur von Ansaugluft in Übereinstimmung mit der Betriebsbedingung des Motors. Wenn ein Ansaugluft-Temperatureinstellmittel vorgesehen ist, kann eine stabilere Verbrennung auch in einem Bereich niedriger Last erreicht werden. Ferner kann das Ansaugluft-Temperatureinstellmittel gebildet sein durch eine Abgasrezirkulationsvorrichtung für ein variables Steuern einer Durchflussrate von Abgas, das von einer Abgasleitung zu einer Einlassleitung oder Wärmetauscher zurückzirkuliert wird zum Bewirken eines Wärmeaustausches zwischen der Ansaugluft und dem Abgas, welches durch eine Abgasleitung strömt.
  • Des Weiteren kann bei der vorliegenden Erfindung, selbst wenn eine Einspritzdüse des herkömmlichen Lochtyps verwendet wird, die beabsichtigte Aufgabe gelöst werden.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine schematische Konstruktionsansicht eines Dieselmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Öffnungs-/Schließmerkmal einer Einspritzdüse von Fig. 1 zeigt.
  • Fig. 3 ist eine Graphik, welche Beziehungen zwischen dem Rauchemission/Kraftstoffverbrauch-Verhältnis und der NOx-Konzentration in Verbindung mit der Verbrennung basierend auf den Einspritzmerkmalen, die in Fig. 2 gezeigt sind, zeigt, und die herkömmliche Verbrennung (Stand der Technik).
  • Fig. 4 ist eine schematische Veranschaulichung, welche eine Ausführungsform eines Ansaugluft-Temperatureinstellmittels zeigt.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung wird nun in Verbindung mit Ausführungsformen davon erläutert mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Fig. 1 ist eine schematische Konstruktionsansicht eines Dieselmotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist vorgesehen eine Versorgungspumpe 5, zu welcher Kraftstoff von einem Kraftstofftank 1 durch einen Vorfilter 2 zugeführt wird, eine Zufuhrpumpe 3 und ein Kraftstofffilter 4. Ein Auslassanschluss der Versorgungspumpe 5 ist mit einem Common Rail 7 verbunden und über ein Rückschlagventil 6. Eine Einspritzdüse 8, die in einer Verbrennungskammer des Motors vorgesehen ist, ist mit dem Common Rail 7 über einen Durchflussbegrenzer 9 verbunden, wodurch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Akkumulatortyps gebildet wird.
  • Das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein elektromagnetisches Überlaufventil, um den Druck des Common Rails 7 auf einem vorbestimmten Wert zu halten, 11 bezeichnet ein Entlastungsventil, 12 bezeichnet einen Druckbegrenzer um einen übermäßigen Anstieg des Kraftstoffdrucks im Common Rail 7 zu verhindern, und 13 bezeichnet ein elektromagnetisches Dreiwegeventil, das mit der Einspritzdüse 8 verknüpft ist. Signale, die von einem Motordrehsensor 15 emittiert werden, der mit einer Kurbelwelle 14 des Motors verknüpft ist, von einem Motorphasensensor 16, von einem Beschleunigerpositionssensor 17 und von einem Drucksensor 18, der mit dem Common Rail 7 verknüpft ist, werden in einen Kontroller 19 eingegeben. Des Weiteren werden andere Steuerungsinformationsdaten, wie beispielsweise Temperaturinformationen und/oder atmosphärischer Druck-Information ebenfalls in den Kontroller eingegeben.
  • Der Kontroller gibt Steuerungssignale an das elektromagnetische Überlaufventil 10 aus und das elektromagnetische Dreiwegeventil 13 in Übereinstimmung mit den verschiedenen Steuerungsinformationsdaten D, wodurch der Betrieb der Versorgungspumpe 5 gesteuert wird und die optimale Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs von der Einspritzdüse 8 in die Verbrennungskammer gesteuert wird.
  • Der Kontroller 19 kann die Betriebsbedingung des Motors auf der Grundlage der Signale beurteilen, die von dem Motordrehsensor 15 und dem Beschleunigerpositionssensor 17 ausgesandt werden. Wenn ein Vorab-Einspritzsignal von dem Kontroller 19 ausgesandt wird, wird eine Vorab-Einspritzung während einer Periode von dem Beginn eines Einlasshubs zu dem Mittelteil eines Kompressionshubs bewirkt. Andererseits, wenn ein Hauptinjektions-Signal von dem Kontroller 19 ausgesandt wird, wird eine Hauptinjektion in der Nähe des oberen Todpunktes des Kompressionshubs bewirkt.
  • Insbesondere wurden als Versuche die oben genannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung des Akkumulatortyps und eine Kraftstoffeinspritzdüse des üblichen Lochtyps auf einen Einzylinderdieselmotor des Direkteinspritztyps montiert, der einen Hubraum von 2000 ccm aufwies, und es wurde Dieselkraftstoff mit 55 Cetan verwendet, der in Japan üblich ist. Und es wurde eine Menge des Kraftstoffs entsprechend 50% der gesamten Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs von der Einspritzdüse in den Zylinder in dem Anfangsteil des Einlasshubs in Antwort auf das Vorab-Einspritzsignal, das von dem Kontroller 19 emittiert wurde, eingespritzt, und dann wurden die restlichen 50% Kraftstoff in der Nähe des oberen Todpunktes des Kompressionshubs (in den Zylinder) eingespritzt in Antwort auf das Haupteinspritzsignal, das von dem Kontroller 19 emittiert wurde. Ein Öffnungs-/Schließmerkmal der Einspritzdüse ist in einem Abschnitt "a" von Fig. 2 gezeigt.
  • Auf diese Weise, wenn die Menge des Kraftstoffs, welche 50% der gesamten Kraftstoffmenge entspricht, in der Vorab-Einspritzung eingespritzt wurde, und die restlichen 50% Kraftstoff als die Haupteinspritzung in der Nähe des oberen Todpunktes des Kompressionshubs eingespritzt wurden, wurde der Kraftstoff, der als die Vorab-Einspritzung eingespritzt wurde, durch Strömung und Turbulenz der Ansaugluft beeinflusst, so dass der Kraftstoff innerhalb des Zylinders weit verteilt wurde und in geeigneter Weise mit Luft gemischt wurde. Danach, mit fortschreitendem Kompressionshub, wurde die Temperatur der Ansaugluft erhöht und die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes wurde gefördert und es wurde ein Magergemisch mit einem Äquivalenzverhältnis von kleiner als eins (1) gebildet.
  • Da das Magergemisch, das auf diese Weise gebildet wird, überschüssigen Sauerstoff und Stickstoff beinhaltet, wurde kein Ruß erzeugt und, da die Wärmekapazität groß ist, ist die Temperaturerhöhung auf Grund der Zündung und der Kompression des Kraftstoffs gering, wobei die Bildung von NOx unterdrückt werden kann.
  • Wenn der restliche Kraftstoff auf der Grundlage des Haupteinspritzsignals eingespritzt wurde, das von dem Kontroller 19 emittiert wird, wurde die Zündung und Verbrennung des Haupt-eingespritzten Kraftstoffs bewirkt.
  • Da das Abgas, das durch die Verbrennung des Magergemisches erzeugt wurde, in dem Zylinder verblieb, um einen internen EGR-Effekt hervorzurufen, konnte die Erzeugung von NOx bei der Verbrennung des Haupt-eingespritzten Kraftstoffes in positiverer Weise unterdrückt werden. Falls die Möglichkeit besteht, dass ein Teil des Magergemisches nicht verbrannt wird, nachdem der Haupt-eingespritzte Kraftstoff verbrannt worden war, fand man heraus, dass durch weiteres Einspritzen einer geringen Menge von zusätzlichem Kraftstoff während ungefähr 30º nach dem oberen Todpunkt des Kompressionshubs, das Magergemisch vollkommen verbrannt werden konnte durch Verbrennen des zusätzlichen Kraftstoffes. Ein Abschnitt "b" von Fig. 2 zeigt ein Öffnungs-/Schließmerkmal der Einspritzdüse 8, wenn die Haupteinspritzung zweimal bewirkt wird (durch Teilen dieser in zwei). Durch Bewirken der Haupteinspritzung zweimal in dieser Weise kann eine perfekte Verbrennung wahrscheinlicher erwartet werden, um eine Verbrennung mit hoher Effizienz und weniger Emission zu erreichen.
  • Andererseits war, wenn der Zeitpunkt der Haupteinspritzung auf der Grundlage der herkömmlichen Zeitgabeverzögerungskonzeption verzögert war, die Abgasmenge von NOx reduziert und die Emission von schwarzem Rauch stieg nicht an. Wenn die Haupteinspritzung zweimal bewirkt wurde durch Teilen dieser in zwei in dieser Weise, wie in Fig. 3 gezeigt ist, wurden sowohl die Emission von schwarzem Rauch als auch der Kraftstoffverbrauch verbessert bei einer niedrigen NOx Konzentration, mit dem Ergebnis, dass der Kraftstoffverbrauch reduziert werden konnte durch Reduzieren der Emission von schwarzem Rauch, während die Erzeugung von NOx unterdrückt wurde. Des Weiteren, selbst wenn der Zeitpunkt der Haupteinspritzung in dem Maße verzögert wurde, dass dieser bei herkömmlicher Betrachtung nicht mehr in der Lage war den Selbstbetrieb des Motors zu bewirken, trat die Fehlzündung nicht auf und die Emission von NOx konnte auf ungefähr die Hälfte verglichen mit dem herkömmlichen Fall reduziert werden.
  • Nebenbei wird bei der vorliegenden Erfindung als eine Regel der Kraftstoff durch die Vorab-Einspritzung und die Haupteinspritzung zugeführt. Jedoch, wenn der Motor in dem Niedriglastbereich betrieben wird, kann, falls die Vorab- Einspritzung im Anfangsteil des Einlasshubs bewirkt wird und die Haupteinspritzung in der Nähe des oberen Todpunktes des Kompressionshubs bewirkt wird, da das Luft-/Kraftstoffverhältnis des Magergemisches zu groß wird, die Diffusion der Verbrennungsflamme, die durch die Vorab-Einspritzung erzeugt wird, nicht einwandfrei bewirkt werden. Als ein Ergebnis wird in Betracht gezogen, dass ein unverbrannter Teil des Magergemisches ausgestoßen wird, wodurch die Emission von HC anwächst.
  • Jedoch, wie oben erwähnt kann die vorliegende Erfindung auf einen Motor, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und Kraftstoff angewandt werden, die herkömmlicher Weise verwendet werden. Somit, wenn der Motor in dem Niedriglastbereich betrieben wird, kann die Vorab-Einspritzung weggelassen werden und die Haupteinspritzung kann durchgeführt werden, um eine Verbrennung wie bei einem herkömmlichen Dieselmotor zu bewirken, oder, wenn der Motor in einer kalten Umgebung gestartet wird, kann ein normales oder herkömmliches Kraftstoffzufuhrverfahren verwendet werden. Auf diese Weise kann die Startfähigkeit des Motors sichergestellt werden und die Erzeugung von übermäßigem weißem Rauch kann unterdrückt werden. Des Weiteren können bei der vorliegenden Erfindung die Einspritzmengen, die Einspritzzeitpunkte und Einspritzzeiten der Vorab- Einspritzung und der Haupteinspritzung variabel auf der Grundlage der Betriebsbedingung des Motors gesteuert werden.
  • Wie oben erwähnt kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da die Einspritzmengen, die Einspritzzeitpunkte und Einspritzzeiten der Vorab-Einspritzung und/oder Haupteinspritzung geeignet eingestellt werden können, und da das normale Kraftstoffeinspritzverfahren, wie es bei dem herkömmlichen Motor ist, wahlweise verwendet werden kann, die optimale Kraftstoffzufuhreigenschaft in Übereinstimmung mit der Betriebsbedingung des Motors erreicht werden.
  • Nebenbei hängt die Verbrennungsstabilität eines Dieselmotors des Typs mit Vor- Gemisch-Kompressions-Zündungs-Verbrennung stark von der Temperatur in der Verbrennungskammer ab. Daher kann durch Vorsehen eines Ansauglufttemperatureinstellmittels zum variablen Steuern der Temperatur der Ansaugluft in Übereinstimmung mit der Betriebsbedingung des Motors eine stabile Verbrennung auch in einem Niedriglastbereich realisiert werden.
  • Wie das Ansaugluft-Temperatureinstellmittel für ein variables Steuern der Temperatur der Ansaugluft in Übereinstimmung mit der Betriebsbedingung des Motors kann auch eine Abgas-Rezirkulationsvorrichtung verwendet werden. Beispielsweise, wie in Fig. 4 gezeigt ist, beinhaltet die Abgas- Rezirkulationsvorrichtung ein Strömungssteuerungsventil 39, das in einer Rezirkulationsleitung 38 angeordnet ist, die sich zwischen einer Abgasleitung 36 und einer Einlassleitung 37 eines Motors 35 erstreckt. Mit dieser Anordnung kann die Strömungsrate des Abgases, das zur Einlassleitung 37 rezirkuliert wird, durch Ändern des Öffnungsbereichs in dem Strömungssteuerungsventil 39 geändert werden in Übereinstimmung mit der Betriebsbedingung des Motors 35. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 40 ein Hilfsventil, das als ein Abgasbremsventil wirkt zum Korrigieren eines Strömungssteuerungsbereichs auf Grund der Änderung in dem Öffnungsbereich in dem Strömungssteuerungsventil 39. Wenn das Ansaugluft-Temperatureinstellmittel durch die Abgas-Rezirkulationsvorrichtung, wie oben erläutert, gebildet wird, kann, da die Rezirkulationsmenge an Abgas erhöht werden kann, um die Temperatur der Ansaugluft in dem Niedriglastbereich zu erhöhen, das zulässige Luft-/Kraftstoffverhältnis, welches eine stabile Verbrennung erreichen kann, in Richtung der Abschwächungsseite verschoben werden. Entsprechend kann auch in einem Betriebsbereich ohne Last, in dem die Zufuhrmenge an Kraftstoff sehr gering ist, da die Rezirkulationsmenge an Abgas erhöht werden kann, um die Temperatur der Ansaugluft zu erhöhen, eine stabile Verbrennung ohne Fehlzündung realisiert werden.
  • Des Weiteren, da die Wärmekapazität der Verbrennungskammer auf Grund der Rezirkulation des Abgases erhöht ist, wird die Verbrennungstemperatur erniedrigt, um die Erzeugung von NOx zu unterdrücken. Ferner, da ein Teil von HC, das in dem Abgas beinhaltet ist, auf Grund der Rezirkulation des Abgases in die Ansaugluft zurückgegeben wird, und verbrannt wird, kann die Emission von HC weiter reduziert werden, während die Verbrennung stabilisiert wird.
    • (Wirkung der Erfindung)
  • Wie oben erwähnt kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da das vorgemischte Magergemisch gebildet wird und verbrannt wird, der Kraftstoffverbrauch verbessert werden bei gleichzeitiger Reduktion der Emission von NOx und schwarzem Rauch.

Claims (3)

1. Dieselmotor aufweisend:
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung;
einen Kontroller (19) zum Steuern der Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Übereinstimmung mit einem Betriebszustand des Motors; und
ein Ansauglufttemperatureinstellmittel zum variablen Steuern einer Temperatur von Ansaugluft in Übereinstimmung mit der Betriebbedingung des Motors, wodurch die Verbrennung stabilisiert wird;
wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung eine vorläufige Einspritzung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder des Motors bewirkt während einer Periode von dem Anfangsteil eines Einlasshubs zu dem Mittelteil eines Kompressionshubs und eine Haupteinspritzung zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer in der Nähe des oberen Todpunktes des Kompressionshubs, wodurch eine maximale Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer herabgesetzt wird, um eine Erzeugung von NOx zu unterdrücken und um eine Emission von schwarzem Rauch zu reduzieren; und
wobei das Ansauglufttemperatureinstellmittel eine Abgasrezirkulationsvorrichtung aufweist zum variablen Steuern einer Flussrate von Abgas, das von einem Abgaskanal (36) zu einem Einlasskanal (37) des Motors (35) rezirkuliert wird.
2. Dieselmotor nach Anspruch 1, wobei der Kontroller (19) die Kraftstoffeinspritzvorrichtung dazu veranlasst die Haupteinspritzung mehrere Male zu bewirken, während einer Periode von dem Ende des Kompressionshubs zu dem Anfangsteil eines Expansionshubs.
3. Dieselmotor nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung eine Common Rail (7) beinhaltet, zu der Kraftstoff unter hohem Druck zugeführt wird und die den Kraftstoff bei einem vorbestimmten Hochdruckpegel akkumulieren kann, und eine Einspritzdüse (8), zu der der Kraftstoff mit hohem Druck zu geführt wird von der Common Rail (7) und die dazu geeignet ist den Kraftstoff mit hohem Druck in die Verbrennungskammer einzuspritzen, und wobei die Einspritzdüse (8) mit einem elektromagnetischem Ventil (13) zusammenwirkt, das durch ein Steuerungssignal gesteuert wird, das von dem Kontroller (19) zugeführt wird, um eine Kraftstoffeinspritzmenge und eine Kraftstoffeinspritzzeitgabe zu steuern, und das Steuerungssignal, das von dem Kontroller (19) zugeführt wird, ein vorläufiges Einspritzsignal und ein Haupteinspritzsignal beinhaltet, so dass eine erste vorbestimmte Menge von Kraftstoff in einen Zylinder des Motors eingespritzt wird auf der Basis des vorläufigen Einspritzsignals und eine zweite vorbestimmte Menge von Kraftstoff in die Verbrennungskammer des Motors auf der Basis des Haupteinspritzsignals eingespritzt wird.
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