DE69727417T2

DE69727417T2 - Selbstzündende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69727417T2
Application number: DE69727417T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Toyota-shi Yanagihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2017-04-23
Also published as: DE69727417D1; EP0803645A1; US5743243A; EP0803645B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dieselkraftmaschine.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Es ist eine Dieselkraftmaschine aus dem Stand der Technik bekannt, bei der Kraftstoff in eine Brennkammer während eines Verdichtungshubes 60° Grad vor einem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes oder Einlasshubes eingespritzt wird, wobei die mittlere Partikelgröße des in jenem Zeitraum eingespritzten Kraftstoffes zumindest jene Partikelgröße ist, bei der die Temperatur der Kraftstofftropfen den Siedepunkt der Hauptbestandteile des Kraftstoffes erreicht, der durch den Druck in jenem Zeitraum ungefähr an dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes bestimmt ist, um eine Verdampfung des Kraftstoffes der Kraftstofftropfen aufgrund des Siedens bis nach der Einspritzung und bis zum Erreichen des oberen Totpunktes des Verdichtungshubes zu verhindern und um das Sieden des Kraftstoffes der Kraftstofftropfen und das Verdampfen nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes zu bewirken, um eine Zündung und eine Verbrennung zu bewirken (siehe europäische Patentoffenlegungsschrift EP-0 639 710). Bei dieser Dieselkraftmaschine beträgt die erzeugte NO_x-Menge im wesentlichen 0, wenn die Kraftstofftropfen in der Brennkammer einheitlich diffundiert werden.
In der Praxis ist es jedoch schwierig, dass einheitliche Diffundieren der Kraftstofftropfen in der Brennkammer zu bewirken, und die Dichte Kraftstofftropfen in der Brennkammer ändert sich in der Tat. Und zwar ist in der Brennkammer ein Gemisch von Bereichen mit hoher Dichte der Kraftstofftropfen und von Bereichen mit geringer Dichte der Kraftstofftropfen vorhanden. Es sind jedoch Bereiche mit hoher Dichte der Kraftstofftropfen in der Brennkammer in dieser Art und Weise vorhanden, und Ruß und NO_x werden erzeugt. Der Grund dafür wird später im einzelnen beschrieben, aber im allgemeinen ist er folgendermaßen:
Wie dies vorstehend beschrieben ist, wenn der Kraftstoff frühzeitig bei dem Verdichtungshub eingespritzt wird und die Partikelgröße der Kraftstofftropfen in jenem Zeitraum groß ist, dann wird nämlich das Verdampfen des Kraftstoffes der Kraftstofftropfen aufgrund des Siedens verhindert, und zwar bis zu dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes. Auch in der Zeitperiode, bis der obere Totpunkt des Verdichtungshubes in etwa erreicht wird, wird Kraftstoff jedoch durch andere Einflüsse ausser dem Sieden verdampft. Daher wird eine Lage von verdampftem Kraftstoff um die Kraftstofftropfen gebildet, falls Kraftstoff eingespritzt wird.
Falls andererseits der Verdichtungshub andauert, dann wird die Temperatur in der Brennkammer ansteigen. Wenn die Temperatur in der Brennkammer eine bestimmte Temperatur erreicht oder überschreitet, dann wird der verdampfte Kraftstoff um die Kraftstofftropfen verbrannt, während Sauerstoff gebunden wird. Falls die Dichte der Kraftstofftropfen dabei groß ist, dann nehmen die Kraftstofftropfen die Verbrennungswärme von dem verdampften Kraftstoff von den umgebenden Kraftstofftropfen auf und sie erreichen eine hohe Temperatur. Infolgedessen werden die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstofftropfen durch die Wärme in Wasserstoffmoleküle H₂ und Kohlenstoff C zerlegt. Die durch die Wärmezerlegung erzeugten Wasserstoffmoleküle H₂ werden explosionsartig verbrennen und erzeugen eine hohe Temperatur, und daher wird NO_x erzeugt. Falls andererseits Kohlenstoff C durch die Wärmezerlegung erzeugt wird, dann werden sich die Kohlenstoffatome miteinander verbinden, und infolgedessen wird Ruß erzeugt.
Auf dieses Art und Weise werden NO_x und Ruß aufgrund der Wärmezerlegung der Kohlenwasserstoffe in den Kraftstofftropfen erzeugt, falls die Dichte der Kraftstofftropfen groß ist. Um die Erzeugung von diesem NO_x und Ruß zu verhindern, ist es ausreichend, die Oxidationsreaktion des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen zu unterdrücken. Daher ist es ausreichend, die Dichte des Sauerstoffes um die Kraftstofftropfen zu reduzieren.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dieselkraftmaschine vorzusehen, die die erzeugten Mengen von Ruß und NO_x auf nahezu Null reduzieren kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Dieselkraftmaschine vorgesehen, mit einer Brennkammer, einem Einlasskanal und einem Abgaskanal, wobei die Kraftmaschine eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer und zum Erzeugen von Kraftstofftropfen aufweist, die in der Brennkammer diffundiert werden, wobei der mittlere Wert der Partikelgröße der Kraftstofftropfen größer als 500 μm beträgt, wobei eine Einspritzzeitsteuereinrichtung zum Steuern der Einspritzeinrichtung einen Einspritzvorgang durch die Einspritzeinrichtung bei einer vorbestimmten Zeitgebung während einer Zeitperiode von dem Start eines Einlasshubes bis ungefähr 60° Grad vor einem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes ausführt; einen Abgasrückführungskanal, der den Abgaskanal mit dem Einlasskanal verbindet; und eine Abgasrückführungssteuereinrichtung zum Steuern einer zu dem Einlasskanal von dem Abgaskanal rückgeführten Abgasmenge, um ein Abgasrückführungsverhältnis (= EGR: rückgeführte Abgasmenge/(rückgeführte Abgasmenge + Einlassluftmenge)) von mehr als ungefähr 40% zumindest dann zu steuern, wenn die Kraftmaschine unter hoher Last arbeitet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 zeigt eine Gesamtansicht einer Dieselkraftmaschine;
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Dieselkraftmaschine;
3 zeigt eine Unteransicht eines Zylinderkopfes gemäß der 2;
4 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung;
5 zeigt eine vergrößerte seitliche Schnittansicht eines vorderen Endes einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung;
6 zeigt eine Ansicht von Änderungen eines Druckes in einer Brennkammer aufgrund der direkten Verdichtungswirkung eines Kolbens;
7 zeigt eine Ansicht des Siedepunktes und der Änderungen der Temperatur der Kraftstofftropfen;
8A und 8B zeigen Ansichten der Verteilung der Kraftstofftropfen;
9A und 9B zeigen Ansichten der Verteilung der Kraftstofftropfen;
10 zeigt eine Ansicht der Beziehung zwischen einer erzeugten Menge von NO_x und einem EGR-Verhältnis;
11A und 11B zeigen Ansichten des EGR-Verhältnisses und eines Luftüberschussverhältnisses;
12A und 12B zeigen Ansichten des EGR-Verhältnisses und des Luftüberschussverhältnisses;
13 zeigt eine Abbildung der Kraftstoffeinspritzmenge;
14A und 14B zeigen Ansichten der Zeitgebung des Starts der Kraftstoffeinspritzung;
15 zeigt eine Ansicht einer Abbildung eines Soll-Pulsdauerverhältnisses;
16 zeigt eine Ansicht des elektrischen Stromes, der durch einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor erzeugt wird;
17 zeigt eine Ansicht eines Soll-Luftüberschussverhältnisses;
18 zeigt eine Flusskarte der Steuerung des Kraftmaschinenbetriebs;
19 zeigt einen Überblick einer Dieselkraftmaschine eines anderen Ausführungsbeispiels;
20 zeigt eine Flusskarte für die Kühlsteuerung;
21 zeigt einen Überblick einer Dieselkraftmaschine eines weiteren Ausführungsbeispiels;
22 zeigt eine Flusskarte für die Kühlsteuerung;
23 zeigt einen Überblick einer Dieselkraftmaschine eines weiteren Ausführungsbeispiels;
24 zeigt eine Flusskarte der Sauggastemperatursteuerung;
25 zeigt einen Überblick einer Dieselkraftmaschine eines weiteren Ausführungsbeispiels;
26 zeigt eine Flusskarte der Sauggastemperatursteuerung; und
27A, 27B und 27C zeigen Ansichten von Hubkurven der Einlassventile und Auslassventile.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 bis 3 zeigen den Fall einer Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine 4-Takt-Dieselkraftmaschine. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf Funkenzündungs-Benzinkraftmaschinen anwendbar.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Kraftmaschinenkörper, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Zylinderblock, das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Zylinderkopf, das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kolben, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Brennkammer, das Bezugszeichen 6 bezeichnet ein Paar Einlassventile, das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Paar Einlasseinschlüsse, das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein Paar Auslassventile, das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Paar Auslassanschlüsse und das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die an der oberen Mitte der Brennkammer 5 angeordnet ist. Die Einlassventile 7 sind über einen Einlasskrümmer 11 mit einer Luftreinigungsvorrichtung 12 verbunden, während die Auslassventile 9 über einen Abgaskrümmer 13 mit einem Abgasrohr 14 verbunden sind. Der Abgaskrümmer 13 und der Sammelabschnitt des Einlasskrümmers 11 sind miteinander durch einen Abgasrückführungskanal 15 (EGR) verbunden. In dem EGR-Kanal 15 ist ein EGR-Steuerventil 16 vorgesehen. Dieses EGR-Steuerventil 16 wird auf der Grundlage des Abgabesignals von einer elektronischen Steuereinheit 20 gesteuert. Wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist, haben die Einlassanschlüsse 7 Durchlassanschlüsse, die sich im wesentlichen gerade erstrecken, wodurch in der in den 1 bis 3 gezeigten Dieselkraftmaschinen kein Wirbel in der Brennkammer 5 durch die Luftströmung erzeugt werden kann, die von einem Einlassanschluss 7 zu der Brennkammer 5 strömt.
Wie dies in der 1 gezeigt ist, hat die elektronische Steuereinheit 20 einen digitalen Computer, und sie ist mit einem ROM (Festwertspeicher) 22, einen RAM (Direktzugriffsspeicher) 23, einer CPU (Mikroprozessor) 24, einem Eingabeanschluss 25 und einem Abgabeanschluss 26 versehen, die miteinander durch einen bidirektionalen Bus 21 verbunden sind. Im inneren des Abgaskrümmers 13 ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 17 zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in der Brennkammer 5 aus der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas vorgesehen. Das Abgabesignal von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 17 wird in den Eingabeanschluss 25 über einen entsprechenden A/D-Wandler 27 eingegeben. Des weiteren ist ein Beschleunigungspedal 30 mit einem Lastsensor 31 verbunden, der eine elektrische Abgabespannung proportional zu dem Niederdrückungsbetrag des Beschleunigungspedals 30 erzeugt. Die elektrische Abgabespannung von dem Lastsensor 31 wird in den Eingabeanschluss 25 über einen entsprechenden A/D-Wandler 27 eingegeben. Des weiteren ist an dem Eingabeanschluss 25 ein Kurbelwinkelsensor 32 angeschlossen, der jedesmal dann einen Abgabepuls erzeugt, wenn sich die Kraftmaschine um einen bestimmten Kurbelwinkel dreht. Der gegenwärtige Kurbelwinkel und die Kraftmaschinendrehzahl werden aus den Abgabepulsen von diesem Kurbelwinkelsensor 32 berechnet.
Andererseits ist der Abgabeanschluss 26 mit einer entsprechenden Antriebsschaltung 28 mit jeder Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 und dem EGR-Steuerventil 16 verbunden.
Die 4 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10. Unter Bezugnahme auf die 4 bezeichnet das Bezugszeichen 41 eine Nadel, die in einem Kraftstoffeinspritzvorrichtungskörper 40 gleiten kann, das Bezugszeichen 42 bezeichnet einen Ventilkörper, der einstückig mit dem vorderen Ende der Nadel 41 ausgebildet ist, das Bezugszeichen 43 bezeichnet einen Federhalter, der an dem oberen Ende der Nadel 41 angebracht ist, das Bezugszeichen 44 bezeichnet eine Druckfeder, die den Federhalter 43 nach oben vorspannt, das Bezugszeichen 45 bezeichnet eine Stange, die mit der Nadel 41 ausgerichtet ist, das Bezugszeichen 46 bezeichnet eine Kraftstoffspeicherkammer mit einer Kapazität, die mehr als das 10-fache als die Kapazität bei dem Zeitraum der Einspritzung bei maximaler Menge beträgt, das Bezugszeichen 47 bezeichnet einen Kolben, der gleitbar in den Kraftstoffeinspritzvorrichtungskörper 40 angeordnet ist, das Bezugszeichen 48 bezeichnet ein piezoelektrisches Element zum Antreiben des Kolbens 47, das Bezugszeichen 49 bezeichnet eine Blattfeder zum Vorspannen des Kolbens 47 zu dem piezoelektrischen Element 48, das Bezugszeichen 50 bezeichnet eine Kammer mit variabler Kapazität, die durch die obere Seite des Kolbens 47 definiert ist, und das Bezugszeichen 51 bezeichnet einen Kraftstoffzuführungsanschluss.
Der Kraftstoffzuführungsanschluss 51 ist mit einer Einspritzpumpe (nicht gezeigt) verbunden. Der aus der Kraftstoffeinspritzpumpe ausgelassene Kraftstoff wird dem Kraftstoffzuführungsanschluss 51 zugeführt. Der dem Kraftstoffzuführungsanschluss 51 zugeführte Kraftstoff wird aus dem Kraftstoffzuführungsanschluss durch ein Rückschlagventil 52, dass ausschliesslich eine Strömung zu der Kraftstoffspeicherkammer 46 erlaubt, zu der Kraftstoffspeicherkammer 46 zugeführt. Der in die Kraftstoffspeicherkammer 46 zugeführte Kraftstoff wird einerseits um das vordere Ende der Nadel 41 durch den Kraftstoffkanal 53 geführt, und er wird andererseits von der Kraftstoffspeicherkammer 46 über ein Rückschlagventil 54, dass ausschliesslich eine Strömung zu der Kammer 50 mit variabler Kapazität erlaubt, zu der Kammer 50 mit variabler Kapazität zugeführt. Der in die Kammer 50 mit variabler Kapazität zugeführte Kraftstoff wird zu der oberen Seite 55 der Stange 45 geführt. Daher wirkt der Kraftstoffdruck in der Kammer 50 mit variabler Kapazität an der oberen Seite 55 der Stange 45.
Die 5 zeigt das vordere Ende der Nadel 41. Wie dies in der 5 gezeigt ist, hat der Ventilkörper 42 der Nadel 41 eine konisch geformte Kraftstoffeinspritzführungsseite 42a. Diese Kraftstoffeinspritzführungsseite 42a liegt normalerweise an der Sitzseite 56 aufgrund der Federkraft der Druckfeder 44 (4). Dabei wird die Kraftstoffeinspritzung von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 gestoppt. Wenn Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 eingespritzt werden soll, dann wird das piezoelektrische Element 48 geladen. Wenn das piezoelektrische Element 48 geladen wird, dann dehnt sich das piezoelektrische Element 48 in der axialen Richtung aus, so dass sich der Kolben 47 absenkt. Wenn der Kolben 47 abgesenkt wird, dann steigt der Kraftstoffdruck in der Kammer 50 mit variabler Kapazität an, und daher wird die Stange 45 abgesenkt, so dass sich die Nadel 41 absenkt und sich der Ventilkörper 42 von der Sitzseite 56 trennt. Infolgedessen wird der Kraftstoff in der Kraftstoffspeicherkammer 46 zwischen dem Ventilkörper 42 und der Sitzseite 56 eingespritzt.
Als nächstes zieht sich das piezoelektrische Element 48 in der axialen Richtung zusammen, und der Kolben 47 wird angehoben, wenn die auf das piezoelektrische Element 48 aufgebrachte Ladung entladen wird. Infolgedessen fällt der Kraftstoffdruck in der Kammer 50 mit variabler Kapazität ab, so dass sich die Stange 45 und die Nadel 41 aufgrund der Federkraft der Druckfeder 44 anheben, und die Kraftstoffeinspritzführungsseite 42a des Ventilkörpers 42 wird erneut an der Sitzseite 56 angeordnet. Daher wird der Kraftstoffeinspritzvorgang gestoppt.
Wie dies in der 5 gezeigt ist, wird während der Kraftstoffeinspritzung der eingespritzte Kraftstoff F durch die Kraftstoffeinspritzführungsseite 42a des Ventilkörpers 42 geführt und spreizt sich als ein konischer dünner Film von dem vorderen Ende der Nadel 41, und zwar aus dem Düsenanschluss der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10. Bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung an der Mitte des oberen Abschnittes der Brennkammer 5 angeordnet, und der Kraftstoff F wird daher bei diesem Ausführungsbeispiel von der oberen Mitte der Brennkammer 5 zu dem Rand der Brennkammer 5 so eingespritzt, dass er sich in der Form eines konischen dünnen Filmes spreizt, wie dies in der 1 gezeigt ist.
Als nächstes wird das Verbrennungsverfahren, das Hauptkonzept der vorliegenden Erfindung, unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 beschrieben. Es ist zu beachten, dass das Verbrennungsverfahren sich auf den Zeitraum eines Hochlastbetriebes bezieht, wenn Ruß und NO_x sehr leicht erzeugt werden.
Soweit der Kraftstoff atomisiert eingespritzt wird, so dass wie in der Vergangenheit die mittlere Partikelgröße der Kraftstofftropfen weniger als 50 μm beträgt, dann spielt es keine Rolle, wie die Einspritzzeitgebung festgelegt ist, und es spielt keine Rolle, wie der Kraftstoffeinspritzdruck festgelegt ist, und es ist schwierig, den Ruß und NO_x an dem oberen Abschnitt gleichzeitig im wesentlichen auf Null zu reduzieren. Dies ist durch die eigentlichen Probleme bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren begründet. Bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren würde nämlich ein Teil des Kraftstoffes sofort verdampfen, und der verdampfte Kraftstoff würde einen frühzeitigen Beginn einer schnellen Verbrennung hervorrufen, wenn der Kraftstoff gerade eingespritzt wurde, da die Partikelgröße der Kraftstofftropfen klein ist. Wenn die schnelle Verbrennung frühzeitig nach dem Start des Einspritzvorganges auf dieses Art und Weise gestartet wird, dann würde der sukzessiv eingespritzte Kraftstoff in die Verbrennungsflamme eintreten, so dass der eingespritzte Kraftstoff in einem Zustand mit Luftknappheit verbrennen würde, und daher würde Ruß erzeugt werden. Wenn des weiteren der eingespritzte Kraftstoff frühzeitig schnell verbrennt und der Verbrennungsdruck schnell ansteigt, dann würde sich die Verbrennungstemperatur erhöhen, und daher würde NO_x erzeugt werden.
Es wurde jedoch gelernt, dass die erzeugten Mengen an Ruß und NO_x im wesentlichen auf Null reduziert werden können, wenn die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes sehr viel größer als die bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren verwendete mittlere Partikelgröße geschaffen wird, und wenn des weiteren die Verbrennungszeitgebung wesentlich früher als die bei dem herkömmlichen Verbrennungsverfahren verwendete normale Einspritzzeitgebung ist. Dies wird als nächste beschrieben.
Die Kurve in der 6 zeigt die Änderungen des Drucks P in der Brennkammer 5 aufgrund der direkten Verdichtungswirkung des Kolbens 4. Wie dies aus der 6 ersichtlich ist, steigt der Druck P in der Brennkammer 5 schnell an, wenn 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC überschritten werden. Dies hat keinen Einfluss auf die Zeitgebung zum Schliessen des Einlassventils 6. Die Art der Kolbenkraftmaschine hat keinen Einfluss auf die Änderungen des Druckes P in der Brennkammer 5, wie dies in der 6 gezeigt ist.
Die durch die durchgezogene Linie in der 7 gezeigte Kurve zeigt die Siedetemperatur, nämlich den Siedepunkt T des Kraftstoffes bei verschiedenen Kurbelwinkeln. Wenn der Druck T in der Brennkammer 5 ansteigt, dann steigt der Siedepunkt T des Kraftstoffes zusammen mit dem Druck ebenfalls an, so dass der Siedepunkt T des Kraftstoffes auch dann schnell ansteigt, wenn in etwa 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC überschritten werden. Andererseits zeigt die gestrichelte Linie in der 7 die Differenz der Temperaturänderungen der Kraftstofftropfen aufgrund der Differenz der Grösse der Kraftstofftropfen, wenn der Kraftstoff bei θ₀ Grad dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC eingespritzt wird. Die Temperatur der Kraftstofftropfen direkt nach dem Einspritzvorgang ist niedriger als der durch den Druck in diesem Zeitpunkt bestimmte Siedepunkt T. Als nächstes steigt die Temperatur der Kraftstofftropfen an, wenn sie die Wärme von ihrer Umgebung aufnehmen. Die Anstiegsrate der Temperatur der Kraftstofftropfen ist umso schneller, je kleiner die Partikelgröße ist.
Unter der Annahme, dass die Partikelgröße der Kraftstofftropfen von 20 μm bis 50 μm beträgt, dann steigt die Temperatur der Kraftstofftropfen nämlich nach dem Einspritzvorgang schnell an und erreicht den Siedepunkt T bei einem Kurbelwinkel weit vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes, so dass der schnelle Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes der Kraftstofftropfen aufgrund des Siedens des Kraftstoffes begonnen wird. Wie dies in der 7 gezeigt ist, erreicht die Temperatur der Kraftstofftropfen des weiteren den Siedepunkt T und der schnelle Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes aufgrund des Siedevorganges wird gestartet, bevor der obere Totpunkt des Verdichtungshubes TDC erreicht wird, auch wenn die Partikelgröße der Kraftstofftropfen 200 μm beträgt. Wenn der schnelle Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes aufgrund des Siedevorganges gestartet wird, bevor der obere Totpunkt des Verdichtungshubes TDC auf diese Art und Weise erreicht wird, dann tritt eine explosionsartige Verbrennung aufgrund des verdampften Kraftstoffes auf, und daher werden große Mengen an Ruß und NO_x erzeugt, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Demgegenüber wird die Anstiegsrate der Temperatur der Kraftstofftropfen geringer, wenn die Grösse der Kraftstofftropfen sogar größer als 500 μm wird, so dass die Temperatur der Kraftstofftropfen den Siedepunkt T nicht erreicht, und zwar ungefähr bis zu dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC oder später. Daher tritt kein schneller Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes aufgrund des Siedevorganges in etwa vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes auf, und der schnelle Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes aufgrund des Siedevorganges wird ungefähr bei dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC beginnen, wenn die Grösse der Kraftstofftropfen größer als ungefähr 500 μm beträgt. Daher ist es möglich, eine Erzeugung von Ruß und NO_x auf der Grundlage des Siedevorganges und der Verdampfung des Kraftstoffes vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC zu verhindern, wenn die Grösse der Kraftstofftropfen größer als 500 μm beträgt.
Es ist zu beachten, dass der vorhandene Kraftstoff verschiedene Bestandteile mit unterschiedlichen Siedepunkten beinhaltet. Wenn von dem Siedepunkt des Kraftstoffes die Rede ist, dann gibt es daher eine Anzahl von derartigen Siedepunkten. Folglich kann gesagt werden, dass die Annahme des Siedepunktes des Hauptbestandteils des Kraftstoffes vorzuziehen ist, wenn der Siedepunkt in Betracht gezogen wird. Des weiteren kann die Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes niemals vollständig einheitlich sein, so dass hinsichtlich der Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes gesagt werden kann, dass die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes vorzuziehen ist. Angesichts dessen gibt es keine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes der Kraftstofftropfen aufgrund des Siedevorgangs bis nach dem Einspritzvorgang, wenn der obere Totpunkt des Verdichtungshubes TDC erreicht wird, und eine schnelle Verdampfung aufgrund des Siedevorganges der Kraftstofftropfen wird ungefähr nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC auftreten, in dem die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes auf zumindest jene Partikelgröße festgelegt wird, bei der die Temperatur der Kraftstofftropfen den Siedepunkt T des Hauptbestandteils des Kraftstoffes erreicht, der durch den Druck bei ungefähr den oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC bestimmt ist.
Um die Erzeugung von Ruß und NO_x im wesentlichen auf Null zu erreichen, so ist es zusätzlich zum Vergrößern der Kraftstofftropfen im wesentlichen auf mehr als 500 μm oder dergleichen erforderlich, die eingespritzten Kraftstofftropfen einheitlich in die Brennkammer 5 zu diffundieren. Als nächstes wird dies unter Bezugnahme auf die 8A und 8B beschrieben. Es ist zu beachten, dass X in den 8A und 8B die Kraftstofftropfen zeigt.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird der Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes von den Kraftstofftropfen X aufgrund des Siedevorgangs verhindert, bis ungefähr der obere Totpunkt des Verdichtungshubes TDC erreicht wird, wenn der Kraftstoff frühzeitig bei dem Verdichtungshub eingespritzt wird und die Grösse der Kraftstofftropfen X in jenem Zeitraum größer als ungefähr 500 μm oder dergleichen ist. Jedoch gibt es einen Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes nicht nur aufgrund des Siedevorgangs sogar in dem Intervall, bevor der obere Totpunkt des Verdichtungshubes TDC in etwa erreicht wird, und daher wird eine Lage von verdampften Kraftstoff um die Kraftstofftropfen X ausgebildet, wenn der Kraftstoff eingespritzt wird.
Wenn der Verdichtungshub fortschreitet, dann steigt die Temperatur im Inneren der Brennkammer 5 andererseits an. Wenn die Temperatur im Inneren der Brennkammer 5 zumindest eine bestimmte Temperatur erreicht, dann wird der verdampfte Kraftstoff um die Kraftstofftropfen X verbrannt, während er Sauerstoff bindet. Und zwar wird eine Verbrennung durch eine Oxidationsreaktion des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen X gestartet. Dabei ist der Bereich, den die Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen X erreicht, durch die gestrichelte Linie Y um die Kraftstofftropfen X in den 8A und 8B gezeigt. Wie dies in der 8A gezeigt ist, werden sich diese Bereiche Y voneinander trennen, wenn die Dichte der Kraftstofftropfen X niedrig ist, während sich diese Bereiche Y miteinander überlappen, wenn die Dichte der Kraftstofftropfen X groß ist, wie dies in der 8B gezeigt ist.
Wenn sich die Bereiche Y miteinander überlappen, wie dies in der 8B gezeigt ist, dann bewirkt die Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen X einen Temperaturanstieg der Räume zwischen den Kraftstofftropfen X. Wenn die Temperatur der Räume zwischen den Kraftstofftropfen X auf diese Art und Weise erhöht wird, dann haben die Kraftstofftropfen X eine hohe Temperatur, und infolgedessen werden die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstofftropfen X durch die Wärme in Wasserstoffmoleküle H₂, Kohlenstoff C und Methan CH₄ zerlegt. Infolgedessen werden die Wasserstoffmoleküle H₂ explosionsartig verbrennen, wenn die Temperatur in der Brennkammer 5 ansteigt, und die Temperatur im Inneren der Brennkammer 5 wird äußerst hoch, so dass eine große Menge an NO_x erzeugt wird. Falls Kohlenstoff C aufgrund der Wärmezerlegung erzeugt wird, dann werden die Kohlenstoffatome des weiteren miteinander verbunden und sie bilden Ruß.
Im Gegensatz dazu, wenn die Bereiche Y voneinander getrennt werden, wie dies in der 8A gezeigt ist, dann wird die Verbrennungswärme des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen X nicht zu den Bereichen Y der anderen angrenzenden Kraftstofftropfen übertragen, und infolgedessen wird die Temperatur der Kraftstofftropfen nicht so hoch. Infolgedessen tritt keine Wärmezerlegung der Kohlenwasserstoffe der Kraftstofftropfen X auf, und daher gibt es keine explosionsartige Verbrennung aufgrund der Wasserstoffmoleküle H₂. Folglich wird die Temperatur im Inneren der Brennkammer 5 nicht äußerst hoch, so dass eine Erzeugung von NO_x verhindert wird. Da des weiteren keine Erzeugung von Kohlenstoff C aufgrund der Wärmezerlegung auftritt, werden sich keine Kohlenstoffatome miteinander verbinden und zu Ruß vermehrt werden. Auf diese Art und Weise kann durch das einheitliche Diffundieren der Kraftstofftropfen X und durch die niedrige Dichte der Kraftstofftropfen X die Erzeugung von Ruß und NO_x verhindert werden, wie dies in der 8A gezeigt ist.
Um die Kraftstofftropfen X einheitlich zu diffundieren, wie dies in der 8A gezeigt ist, ist es jedoch erforderlich, den Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 einzuspritzen, wenn der Druck P im Inneren der Brennkammer 5 niedrig ist. Wenn nämlich der Druck P im Inneren der Brennkammer 5 hoch ist, dann ist der Luftwiderstand größer, so dass die Pflugdistanz des eingespritzten Kraftstoffes kürzer wird und daher die Kraftstofftropfen dabei nicht so diffundiert werden können, dass sie sich in dem gesamten Innenraum der Brennkammer 5 spreizen, wie dies in der 9A gezeigt ist. Wie dies vorstehend beschrieben ist, steigt der Druck schnell an und wird hoch, wenn 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs BTDC überschritten werden. Falls der Kraftstoff eingespritzt wird, nachdem ungefähr 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes überschritten wurde, dann werden die Kraftstofftropfen im Inneren der Brennkammer 5 tatsächlich nicht ausreichend diffundieren, wie dies in der 9A gezeigt ist. Im Gegensatz dazu ist in etwa 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC der Druck P im Inneren der Brennkammer 5 niedrig, und wenn Kraftstoff ungefähr 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC eingespritzt wird, wie dies in der 9B gezeigt ist, dann werden die Kraftstofftropfen daher einheitlich über den gesamten Innenraum der Brennkammer 5 diffundiert. Daher wird durch das Einspritzen des Kraftstoffs 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC die Erzeugung von Ruß und NO_x verhindert. In diesem Fall ist zu beachten, dass die Zeitgebung zum Einspritzen des Kraftstoffes bei dem Verdichtungshub oder bei dem Einlasshub sein kann, sofern sie 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC liegt.
Ein wichtiger Aspekt bei diesem Verbrennungsverfahren ist das Diffundieren von Kraftstoff mit einer großen Partikelgröße im gesamten Innenraum der Brennkammer 5, wobei die Kraftstofftropfen voneinander getrennt sind. Daher ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung sehr wichtig bei dem Verbrennungsverfahren angesichts der Hardware. Die 4 zeigt ein Beispiel der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10, die zum Ausführen von diesem Verbrennungsverfahren geeignet ist. Bei dieser Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 wird der Kraftstoffeinspritzdruck unter einem Druck von ungefähr 20 Mpa festgelegt, so dass eine große Kraftstofftropfengröße möglich ist.
Durch das Vergrößern der Kraftstofftropfengröße auf mehr als 500 μm oder dergleichen und durch das Festlegen der Kraftstoffeinspritzzeitgebung vor 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes BTDC auf diese Art und Weise beginnt der schnelle Verdampfungsvorgang des Kraftstoffes aufgrund des Siedevorganges ungefähr bei dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC oder nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes TDC, und die Dichte der Kraftstofftropfen X wird kleiner, wie dies in der 8A gezeigt ist, so dass die erzeugte Menge an Ruß und NO_x im wesentlichen auf Null gehalten werden kann.
In der Praxis ist es jedoch schwierig, die Kraftstofftropfen X einheitlich in der Brennkammer 5 zu diffundieren, und die Dichte der Kraftstofftropfen X in der Brennkammer 5 ändert sich tatsächlich. In der Brennkammer ist nämlich ein Gemisch von Bereichen mit hoher Dichte der Kraftstofftropfen X, wie dies in der 8B gezeigt ist, und Bereichen mit niedriger Dichte der Kraftstofftropfen X, wie dies in der 8A gezeigt ist. Wenn jedoch diese Bereiche mit hoher Dichte der Kraftstofftropfen X in der Brennkammer 5 in dieser Art und Weise vorhanden sind, dann werden Ruß und NO_x in diesen Bereichen erzeugt. In diesem Fall ist es zum Verhindern der Erzeugung von Ruß und NO_x ausreichend, die Oxidationsreaktion des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen X zu unterdrücken. Dazu reicht es aus, die Dichte des Sauerstoffes um die Kraftstofftropfen X zu reduzieren.
Daher wird bei der vorliegenden Erfindung die Dichte des Sauerstoffes um die Kraftstofftropfen X reduziert, in dem EGR-Gas in der Brennkammer 5 im Zeitraum des Kraftmaschinenhochlastbetriebes rückgeführt wird und in dem das Abgasrückführungsverhältnis (EGR-Gasmenge/(EGR-Gasmenge + Einlassluftmenge)), nämlich das EGR-Verhältnis auf zumindest auf ungefähr 40% festgelegt wird. Und zwar wird durch das Festlegen des EGR-Verhältnisses auf zumindest 40% im Zeitraum des Kraftmaschinenhochlastbetriebes die Dichte des Sauerstoffes um die Kraftstofftropfen X niedriger, und daher wird die Oxidationsreaktion des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstoffpartikel X unterdrückt. Dementsprechend wird der Vorgang der Wärmezerlegung der Kohlenwasserstoffe der Kraftstofftropfen X unterdrückt, und dadurch wird die erzeugte Menge der Wasserstoffmoleküle H₂ und des Kohlenstoffes C geringer, wie dies in der 8B gezeigt ist, auch wenn die Dichte der Kraftstofftropfen X hoch ist, und die Erzeugung von Ruß und NO_x wird verhindert.
Die 10 zeigt die Beziehung zwischen der erzeugten Menge an NOx und dem EGR-Verhältnis im Zeitraum des Kraftmaschinenhochlastbetriebes. Aus der 10 ist ersichtlich, dass die erzeugte Menge an NO_x äußerst klein wird, wenn das EGR-Verhältnis zumindest 40% beträgt, und wenn das EGR-Verhältnis im wesentlichen 50% beträgt, dann wird die erzeugte Menge an NO_x im wesentlichen Null. Es ist zu beachten, dass festgestellt wurde, dass die Menge an Ruß nahezu Null beträgt, wenn das EGR-Verhältnis im wesentlichen 50% beträgt.
Daher wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung das EGR-Verhältnis im wesentlichen auf 50% bei allen Kraftmaschinenlasten gehalten, wie dies in der 11A gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass die 11A die Beziehung zwischen der Kraftmaschinenlast, nämlich dem Niederdrückungsbetrag des Beschleunigungspedales, und dem EGR-Verhältnis zeigt, während die 11B die Beziehung zwischen dem Luftüberschussverhältnis λ und dem Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 zeigt. Wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben ist, wird das EGR-Verhältnis im wesentlichen auf 50% jederzeit gehalten, wie dies in der 11A gezeigt ist, und zwar ungeachtet des Niederdrückungsbetrages L des Beschleunigungspedals 30.
Des weiteren ist aus der 11B bei diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich, dass im Zeitraum des Kraftmaschinenhochlastbetriebes, wenn nämlich der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 ist, das Luftüberschussverhältnis λ im wesentlichen 1,0 beträgt. Anders gesagt ist das Verhältnis zwischen der Kraftstoffmenge und der Luftmenge in der Brennkammer 5, nämlich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, im wesentlichen das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Es ist bei weitergehender Beschreibung dabei zu beachten, dass das Luftüberschussverhältnis λ auf einen vorgegebenen Überschuss von 2% bis 3% der Luft gesteuert wird. Falls das Luftüberschussverhältnis λ im wesentlichen 1,0 beträgt, dann ist die Dichte des Sauerstoffes um die Kraftstofftropfen X weiter abgesenkt und daher wird die Oxidationsreaktion des verdampften Kraftstoffes um die Kraftstofftropfen X weiter unterdrückt. Infolgedessen kann die Erzeugung von Ruß und NO_x weiter unterdrückt werden.
Des weiteren wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Luftüberschussverhältnis λ erhöht, wenn sich der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 verringert, da das EGR-Verhältnis im wesentlichen auf 50% ungeachtet des Niederdrückungsbetrages L des Beschleunigungspedales 30 gehalten wird, wie dies in der 11B gezeigt ist. Je niedriger nämlich die Kraftmaschinenlast ist, desto kleiner ist die erzeugte Menge an NO_x, so dass bei diesem Ausführungsbeispiel das Luftüberschussverhältnis λ umso größer wird, je kleiner die Kraftmaschinenlast ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zu beachten, dass das EGR-Verhältnis im wesentlichen auf 50% festgelegt wird, wie dies aber in der 11A gezeigt ist, kann das EGR-Verhältnis auf irgendeinen Wert zwischen im wesentlichen 40% bis im wesentlichen 60% festgelegt werden.
Die 12A und 12B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß der 12B ist das Luftüberschussverhältnis λ aus im wesentlichen 1,0 ungeachtet des Niederdrückungsbetrages L des Beschleunigungspedals 30 festgelegt, und zwar wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im wesentlichen auf das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert. Wie dies in der 12A gezeigt ist, vergrößert sich das EGR-Verhältnis daher, je kleiner der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kraftstoffeinspritzmenge so bestimmt, dass das Luftüberschussverhältnis λ zu dem in den 11B oder 12B gezeigten Luftüberschussverhältnis wird, und die Kraftstoffeinspritzmenge Q wird im voraus in einem ROM 22 als eine Funktion des Niederdrückungsbetrages L des Beschleunigungspedals 30 und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form jener Abbildung gespeichert, die in der 13 gezeigt ist. Des weiteren wird bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, wie diese in der 14B gezeigt ist, die Zeitgebung θS des Starts der Kraftstoffeinspritzung umso mehr vorgerückt, desto größer der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 10 ist, nämlich desto größer die Kraftmaschinenlast ist. Diese Zeitgebung θS zum Starten der Kraftstoffeinspritzpumpe wird im voraus in dem ROM 22 als eine Funktion des Niederdrückungsbetrages L des Beschleunigungspedals 10 und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Gestalt jener Abbildung gespeichert, die in der 14A gezeigt ist.
Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das EGR-Gas andererseits von dem EGR-Kanal 15 in dem Abgaskrümmer 11 durch die Differenz zwischen dem Staudruck in dem Abgaskrümmer 13 und dem Druck dem Inneren des Einlasskrümmers 11 zugeführt. Die EGR-Gasmenge zu diesem Zeitpunkt wird durch das EGR-Steuerventil 16 gesteuert. Der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 16, der zum Einrichten des in der 11A bis 11B gezeigten EGR-Verhältnisses erforderlich ist, nämlich das Pulsdauerverhältnis des Antriebspulses der EGR-Steuerventils 16, wird im voraus experimentell herausgefunden. Das Soll-Pulsdauerverhältnis DUO wird im voraus in den ROM als eine Funktion des Niederdrückungsbetrages L des Beschleunigungspedals 30 und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form jener Abbildung gespeichert, die in der 15 gezeigt ist.
Des weiteren wird bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Soll-Pulsdauerverhältnis DUO um einen Korrekturkoeffizienten K so korrigiert, dass das Luftüberschussverhältnis λ zu dem Soll-Luftüberschussverhältnis wird, welches in den 11B oder 12B gezeigt ist. Und zwar erzeugt der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 17 eine Stromstärke I entsprechend dem Luftüberschussverhältnis λ, wie dies in der 16 gezeigt ist, und daher wird das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus dieser Stromstärke I erfasst. Andererseits wird das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0, dass in den 11B oder 12B gezeigt ist, im voraus in dem ROM 22 als eine Funktion des Niederdrückungsbetrags L des Beschleunigungspedals 30 und der Kraftmaschinendrehzahl N in der Form jener Abbildung gespeichert, die in der 17 gezeigt ist. Bei dem in den 12A und 12B gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist zu beachten, dass das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0 im wesentlichen 1,0 ungeachtet des Betriebszustandes der Kraftmaschine beträgt.
Als nächstes wird die Routine für die Steuerung des Betriebes gemäß der 18 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 18 wir zunächst bei einem Schritt 100 die Kraftstoffeinspritzmenge Q aus der Abbildung berechnet, wie dies in der 13 gezeigt ist. Als nächstes wird bei einem Schritt 101 die Zeitgebung θS des Startes der Kraftstoffeinspritzung aus der Abbildung berechnet, wie diese in der 14A gezeigt ist. Als nächstes wird bei einem Schritt 102 die Zeitgebung θE des Endes der Kraftstoffeinspritzung aus der Kraftstoffeinspritzmenge Q, der Zeitgebung θS zum Starten der Kraftstoffeinspritzung und der Kraftmaschinendrehzahl N berechnet. Der Kraftstoffeinspritzvorgang von den Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 10 wird auf der Grundlage von dieser Zeitgebung θS zum Starten der Kraftstoffeinspritzung und der Zeitgebung θE zum Beenden der Kraftstoffeinspritzung durchgeführt.
Als nächstes wird bei einem Schritt 103 das Soll-Pulsdauerverhältnis DUO aus der Abbildung berechnet, wie dies in der 15 gezeigt ist, und dann wird bei einem Schritt 104 das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0 aus der Abbildung berechnet, wie dies in der 17 gezeigt ist. Als nächstes wird bei einem Schritt 105 das gegenwärtige Luftüberschussverhältnis λ aus dem Abgabesignal von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 17 berechnet. Wird bei einem Schritt 106 bestimmt, ob das gegenwärtige Luftüberschussverhältnis λ größer als das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0 ist oder nicht. Wenn λ > λ0 gilt, dann wird zu einem Schritt 107 fortgeschritten, bei dem ein konstanter Wert α zu dem Korrekturkoeffizienten K hinzu addiert wird, und dann wird zu einem Schritt 109 fortgeschritten. Im Gegensatz dazu, wenn λ ≤ λ0 gilt, dann wird zu einem Schritt 108 fortgeschritten, bei dem der konstante Wert α von dem Korrekturkoeffizienten K subtrahiert wird, und dann wird zum dem Schritt 109 fortgeschritten. Bei dem Schritt 109 wird das Soll-Pulsdauerverhältnis DUO mit dem Korrekturkoeffizienten K multipliziert, wodurch das endgültige Pulsdauerverhältnis DUO ( = K·DUO) berechnet wird. Das EGR-Steuerventil 16 wird auf der Grundlage von diesem Pulsdauerverhältnis DUO gesteuert.
Wenn nämlich das tatsächliche Luftüberschussverhältnis λ größer als das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0 wird, dann wird das Pulsdauerverhältnis DUO erhöht. Infolgedessen wird das EGR-Verhältnis erhöht, und daher wird das Luftüberschussverhältnis λ reduziert, da der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 16 größer wird. Im Gegensatz dazu, wenn das tatsächliche Luftüberschussverhältnis λ kleiner als das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0 ist, dann wird das Pulsdauerverhältnis DUO reduziert. Infolgedessen wird der Öffnungsgrad des EGR-Steuerventils 16 kleiner, so dass das EGR-Verhältnis reduziert wird, und daher wird das Luftüberschussverhältnis λ erhöht. Auf diese Art und Weise wird das EGR-Verhältnis im wesentlichen auf das Soll-EGR-Verhältnis gehalten, und das Luftüberschussverhältnis λ wird auf das Soll-Luftüberschussverhältnis λ0 gesteuert.
Wenn der Kraftstoff auf diese Art und Weise frühzeitig bei dem Verdichtungshub eingespritzt wird und die Grösse der Kraftstofftropfen X groß ist, und das EGR-Verhältnis angehoben ist, dann kann die erzeugte Menge an Ruß und NO_x im wesentlichen auf Null reduziert werden. Jedoch wird sogar durch das Vergrößern des EGR-Verhältnisses auf dieses Art und Weise und dadurch durch Reduzieren der Dichte des Sauerstoffes um die Kraftstofftropfen X der verdampfte Kraftstoff um die Kraftstofftropfen X verbrennen, und daher besteht die Gefahr einer Erzeugung von Ruß und NO_x, wenn zum Beispiel die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 im Zeitraum des Kraftmaschinenhochlastbetriebes hoch ist. Daher wird bei einem in der 19 und der 20 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel das EGR-Gas unter der Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 gekühlt, wenn sich die Kraftmaschinenlast erhöht und die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 hoch ist.
Und zwar wird bei dem in der 19 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel eine Kühlvorrichtung 60 so vorgesehen, dass sich das EGR-Gas in dem EGR-Kanal 15 kühlt. Die Kühlvorrichtung 60 ist mit einem Kühlwassereinlass 61 und einem Kühlwasserauslass 62 versehen. Der Kühlwasserauslass 62 ist über einen Rückführungsdurchlass 63 zum Beispiel mit einem Kühlwassereinlassanschluss einer Wasserpumpe verbunden, die durch die Kraftmaschine angetrieben wird. Andererseits ist ein Kühlwasserausflusskanal 65 eines Kühlers 64 über einen Zuführungsdurchlass 67 mit einem Elektromagnetschaltventil 66 verbunden, dass durch ein Abgabesignal einer elektronischen Steuereinheit 20 (1) gesteuert wird. Des weiteren ist das Elektromagnetschaltventil 66 andererseits mit dem Rückführungsdurchlass 63 durch einen Umgehungsdurchlass 68 verbunden, der die Kühlvorrichtung 60 umgeht, und andererseits mit dem Kühlwassereinlass 61. Wenn der Schaltvorgang des Elektromagnetschaltventils 66 eine Verbindung des Zuführungsdurchlasses 67 mit dem Kühlwassereinlass 61 bewirkt, dann wird das Kühlwasser der Kühlvorrichtung 60 zugeführt, und dadurch wird der Kühlvorgang des EGR-Gases ausgeführt. Im Gegensatz dazu, wenn der Schaltvorgang des Elektromagnetschaltventils 66 die Verbindung des Zuführungsdurchlasses 67 mit dem Umgehungsdurchlass 68 bewirkt, dann wird der Kühlvorgang des EGR-Gases gestoppt.
Die 20 zeigt die Routine zum Steuern des Kühlvorganges. Unter Bezugnahme auf die 20 wird zunächst bei einem Schritt 200 bestimmt, ob die Kraftmaschine unter Hochlast arbeitet oder nicht, und zwar Ober der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 größer als ein festgelegter Wert L0 ist oder nicht. Wenn L > L0 gilt, dann wird zu einem Schritt 201 fortgeschritten, bei dem das Elektromagnetschaltventil 66 eingeschaltet wird. Dabei wird das Kühlwasser dem Kühlwassereinlass 61 der Kühlvorrichtung 60 zugeführt, und daher wird das EGR-Gas durch die Kühlvorrichtung 60 gekühlt. Im Gegensatz dazu, wenn L < L0 gilt, dann wird zu einem Schritt 202 fortgeschritten, bei das Elektromagnetschaltventil 66 ausgeschaltet wird. Dabei wird das Kühlwasser über den Umgehungsdurchlass 68 und den Rückführungsdurchlass 63 zurückgeführt, und daher wird der Kühlvorgang des EGR-Gases durch die Kühlvorrichtung 60 gestoppt.
Auf diese Art und Weise wird bei diesem Ausführungsbeispiel während eines Hochlastbetriebes das EGR-Gas durch die Kühlvorrichtung 60 gekühlt, wenn die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 hoch ist. Infolgedessen wird die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer abgesenkt, und daher wird die Erzeugung von Ruß und NO_x unterdrückt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch zu beachten, dass das EGR-Verhältnis zumindest 40% ungeachtet der Kraftmaschinenlast beträgt.
Die 21 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Unter Bezugnahme auf die 21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Kühlvorrichtung 70 zum Kühlen der Einlassluft zwischen dem Einlasskrümmer 11 und einer Luftreinigungsvorrichtung 12 vorgesehen. Diese Kühlvorrichtung 70 hat einen Kühlmitteleinlass 71 und einen Kühlmittelauslass 72. Dieser Kühlmitteleinlass 71 und dieser Kühlmittelauslass 72 sind mit einer Kühlvorrichtung 73 verbunden.
Wie dies durch die Flusskarte in der 22 gezeigt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel zunächst bei einem Schritt 300 bestimmt, ob die Kraftmaschine unter Hochlast arbeitet, und zwar ob der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 größer ist als ein festgelegter Wert L0 oder nicht. Wenn L > L0 gilt, dann wird zu einem Schritt 301 fortgeschritten, bei dem die Kühlvorrichtung 73 betätigt wird. Dabei wird das Kühlmittel dem Kühlmitteleinlass 71 der Kühlvorrichtung 70 zugeführt, und daher wird die Einlassluft durch die Kühlvorrichtung 70 gekühlt. Im Gegensatz dazu, wenn L ≤ L0 gilt, dann wird zu einem Schritt 302 fortgeschritten, bei dem die Kühlvorrichtung 73 gestoppt wird, und daher wird der Kühlvorgang der Einlassluft durch die Kühlvorrichtung 70 gestoppt.
Auf diese Art und Weise wird bei diesem Ausführungsbeispiel im Zeitraum eines Hochlastbetriebes die Einlassluft durch die Kühlvorrichtung 70 gekühlt, wenn die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 hoch ist. Infolgedessen wird die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 abgesenkt, und daher wird die Erzeugung von Ruß und NO_x unterdrückt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch zu beachten, dass das EGR-Verhältnis zumindest 40% ungeachtet der Kraftmaschinenlast beträgt.
Die 23 zeit ein fünftes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Rückführung einer großen EGR-Gasmenge durch das Vorsehen eines Drosselventils 81 in dem Einlassdurchlass 80 zwischen dem Einlasskrümmer 11 und der Luftreinigungsvorrichtung 12 erleichtert. Dieses Drosselventil 81 wird durch einen Schrittmotor 82 auf einen Öffnungsgrad gesteuert, der mit dem Betriebszustand der Kraftmaschine in Einklang ist. Wenn ein Drosselventil 81 auf diese Art und Weise vorgesehen ist, dann fällt jedoch der Druck in der Brennkammer 5 bei dem Start des Verdichtungshubes ab, wenn der Öffnungsgrad des Drosselventils 81 kleiner wird, so dass das Abfallen der Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 an dem Ende des Verdichtungshubes beendet wird. Im Zeitraum eines Kraftmaschinenniedriglastbetriebes, wenn die erzeugte Wärmemenge besonders klein ist, dann kann die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 am Ende des Verdichtungshubes beträchtlich abfallen, und eine gute Verbrennung kann nicht länger erzielt werden.
Daher ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine elektrische Heizvorrichtung 83 zum Heizen der Einlassluft in dem Einlassdurchlass 80 vorgesehen. Die elektrische Heizvorrichtung 83 wird dann betätigt, wenn die Kraftmaschinenlast niedrig ist.
Wie diese in der Flusskarte der 24 gezeigt ist, wird nämlich zunächst bei einem Schritt 400 bestimmt, ob die Kraftmaschine unter Hochlast arbeitet, und zwar ob der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 301 größer ist als ein festgelegter Wert L1 oder nicht. Wenn L > L1 gilt, dann wird zu einem Schritt 401 fortgeschritten, bei dem das Elektromagnetschaltventil 66 eingeschaltet wird. Dabei wird das Kühlwasser den Kühlwassereinlass 61 der Kühlvorrichtung 60 zugeführt, und daher wird das EGR-Gas durch die Kühlvorrichtung 60 gekühlt. Im Gegensatz dazu, wenn L < L1 gilt, dann wird zu einem Schritt 402 fortgeschritten, bei dem das Elektromagnetschaltventil 66 ausgeschaltet wird. Dabei wird das Kühlwasser über den Umgehungsdurchlass 68 und den Rückführungsdurchlass 63 zurückgeführt, wodurch der Kühlvorgang des EGR-Gases durch die Kühlvorrichtung 60 gestoppt wird.
Als nächstes wird bei einem Schritt 403 bestimmt, ob die Kraftmaschine unter Niedriglast arbeitet, und zwar ob der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 kleiner ist als ein festgelegter Wert L2 oder nicht (L2 < L1). Wenn L < L2 gilt, dann wird zu einem Schritt 404 fortgeschritten, bei dem die elektrische Heizvorrichtung 83 eingeschaltet wird. Infolgedessen wird die Einlassluft erwärmt und daher wird die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 am Ende des Verdichtungshubes angehoben. Im Gegensatz dazu, wenn L > L2 gilt, dann wird zu einem Schritt 405 fortgeschritten, bei dem die elektrische Heizvorrichtung 83 ausgeschaltet wird.
Die 25 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Zeitgebung zum Öffnen des Einlassventils 6 oder des Auslassventils 8 so gesteuert, dass die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 am Ende des Verdichtungshubes im Zeitraum der Kraftmaschinenniedriglastbetriebes angehoben wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Phasensteuervorrichtung 91 einer Nockenwelle 90 zum Antreiben des Einlassventils 6 und eine Phasensteuervorrichtung 93 einer Nockenwelle 92 zum Antreiben des Auslassventils 8 vorgesehen. Dieses Phasensteuervorrichtungen 91 und 93 werden zum Steuern der Zeitgebungen zum Öffnen der Einlassventils 6 und des Auslassventils 8 verwendet.
Wie dies durch eine Flusskarte in der 26 gezeigt ist, wird nämlich zunächst bei einem Schritt 500 bestimmt, ob die Kraftmaschine unter hoher Last arbeitet, und zwar ob der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 größer ist als ein festgelegter Wert L1 oder nicht. Wenn L > L1 gilt, dann wird zu einem Schritt 501 fortgeschritten, bei dem das Elektromagnetschaltventil 66 eingeschaltet wird. Dabei wird das Kühlwasser dem Kühlwassereinlass 61 der Kühlvorrichtung 60 zugeführt, und daher wird das EGR-Gas durch die Kühlvorrichtung 60 gekühlt. Im Gegensatz dazu, wenn L ≤ L1 gilt, dann wird zu einem Schritt 502 fortgeschritten, bei dem das Elektromagnetschaltventil 66 ausgeschaltet wird. Dabei wird das Kühlwasser über den Umgehungsdurchlass 68 und den Rückführungsdurchlass 63 zurückgeführt, und dadurch wird der Kühlvorgang des EGR-Gases durch die Kühlvorrichtung 60 gestoppt.
Als nächstes wird bei einem Schritt 503 bestimmt, ob die Kraftmaschine unter Niedriglast arbeitet, ob nämlich der Niederdrückungsbetrag L des Beschleunigungspedals 30 kleiner ist als ein festgelegter Wert L2 oder nicht (L2 < L1). Wenn L ≥ L2 gilt, dann wird zu einem Schritt 505 fortgeschritten, bei dem die Zeitgebungen zum Öffnen des Einlassventils 6 und des Auslassventils 8 auf die normale Zeitgebungen zum Öffnen gesteuert werden, wie dies in der 27A gezeigt ist. Im Gegensatz dazu, wenn L < L2 gilt, dann wird zu einem Schritt 504 fortgeschritten, bei dem die Zeitgebungen zum Öffnen des Einlassventils 6 und des Auslassventils 8 auf die Zeitgebungen zum Öffnen gesteuert werden, wie sie in der 27B gezeigt sind, oder auf jene Zeitgebungen zum Öffnen, wie sie in der 27C gezeigt sind.
Bei dem in der 27B gezeigten Fall wird nämlich die Zeitgebung zum Öffnen des Auslassventils 8 vorgerückt. Falls die Zeitgebung zum Öffnen des Auslassventils 8 vorgerückt wird, dann wird die in der Brennkammer 5 verbleibende Menge von verbranntem Gas vermehrt, und somit wird die Temperatur des Sauggases in der Brennkammer 5 angehoben.
Im Gegensatz dazu wird bei dem in der 27C gezeigten Fall die Zeitgebung zum Öffnen des Einlassventils 6 verzögert. Wenn die Zeitgebung zum Öffnen des Einlassventils 6 verzögert wird, dann strömt die Einlassluft schnell in die Brennkammer 5, wenn das Einlassventil 6 geöffnet wird. Dabei wirkt der Trägheitsladevorgang der Einlassluft eine adiabatische Komprimierung der Einlassluft in der Brennkammer 5, so dass die Temperatur des Einlassgases in der Brennkammer 5 angehoben wird.
Es ist zu beachten, dass es auch möglich ist, das Verdichtungsverhältnis in der Brennkammer 5 so zu steuern, dass sich das Verdichtungsverhältnis in der Brennkammer 5 im Zeitraum des Kraftmaschinenniedriglastbetriebes erhöht.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschrieben ist, die zum Zwecke der Darstellung ausgewählt wurden, so ist es klar, dass vielfältige Abwandlungen durch einen Fachmann geschaffen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den Ansprüchen definiert ist.
Eine Selbstzündung-Kraftmaschine, bei der Kraftstoff in eine Brennkammer während des Verdichtungshubes oder während des Einlasshubes 60° Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes eingespritzt wird, und bei der die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes dabei eine mittlere Partikelgröße größer als 500 μm ist. Zumindest wenn die Kraftmaschine unter Schwerlast betrieben wird, wird das EGR-Verhältnis auf mehr als 40% eingerichtet und das Luftüberschussverhältnis beträgt vorzugsweise ungefähr 1,0.

Claims

Selbstzündungs-Kraftmaschine mit einer Brennkammer, einem Einlasskanal und einem Abgaskanal, wobei die Kraftmaschine folgendes aufweist: eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer und zum Erzeugen von Kraftstofftropfen, die in der Brennkammer diffundiert werden, wobei der mittlere Wert der Partikelgrösse der Kraftstofftropfen größer als 500 μm beträgt; und eine Einspritzzeitgebungssteuereinrichtung zum Steuern der Einspritzeinrichtung zum Durchführen eines Einspritzvorganges durch die Einspritzeinrichtung bei einer vorbestimmten Zeitgebung während einer Periode nach dem Start eines Einlasshubes bis ungefähr 60° Grad vor einem oberen Totpunkt des Verdichtungshubes, gekennzeichnet durch einen Abgasrückführungskanal, der den Abgaskanal mit dem Einlasskanal verbindet; und eine Abgasrückführungssteuereinrichtung zum Steuern einer zu dem Einlasskanal von dem Abgaskanal rückgeführten Abgasmenge, wobei ein Abgasrückführungsverhältnis (rückgeführte Abgasmenge/(rückgeführte Abgasmenge + Einlassluftmenge)) zumindest dann mehr als ungefähr 40% beträgt, wenn die Kraftmaschine unter hoher Last betrieben wird.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Abgasrückführungssteuereinrichtung das Abgasrückführungsverhältnis auf zumindest ungefähr 40% hinsichtlich beliebiger Kraftmaschinenlasten einrichtet.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei eine Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vorgesehen ist, wobei die Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im wesentlichen auf das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis zumindest dann einrichtet, wenn die Kraftmaschine unter hoher Last betrieben wird.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuereinrichtung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so steuert/regelt, dass das Luftüberschussverhältnis zu einem Soll-Luftüberschussverhältnis wird, und dass die Abgasrückführungssteuereinrichtung die rückgeführte Abgasmenge so steuert/regelt, dass das Abgasrückführungsverhältnis zu einem Soll-Abgasrückführungsverhältnis wird.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 4, wobei das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis umso größer ist, je kleiner die Kraftmaschinenlast ist, und wobei das Soll-Abgasrückführungsverhältnis ungeachtet der Kraftmaschinenlast im wesentlichen konstant aufrecht erhalten wird.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 5, wobei das Soll-Abgasrückführungsverhältnis ungefähr zwischen 40% und 60% liegt.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 4, wobei das Soll-Luftüberschussverhältnis im wesentlichen 1,0 ungeachtet der Kraftmaschinenlast beträgt, und wobei das Soll-Abgasrückführungsverhältnis umso größer ist, je kleiner die Kraftmaschinenlast ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor in dem Abgaskanal vorgesehen ist, und die Abgasrückführungssteuereinrichtung die Abgasrückführungsmenge so steuert, dass das durch den Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor erfasste Luftüberschussverhältnis zu dem Soll-Luftüberschussverhältnis wird.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei eine Temperaturabsenkungseinrichtung zum Absenken der Temperatur des Sauggases vorgesehen ist, welches in die Brennkammer eingezogen wird, und wobei die Temperatur des Sauggases durch die Temperaturabsenkungseinrichtung reduziert wird, wenn die Kraftmaschinenlast größer als eine vorbestimmte Last ist, und der Betrieb der Temperaturabsenkungseinrichtung zum Absenken der Temperatur des Sauggases wird gestoppt, wenn die Kraftmaschinenlast kleiner als eine vorbestimmte Last ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 9, wobei die Temperaturabsenkungseinrichtung ein Kühlgerät aufweist, dass in dem Abgasrückführungskanal vorgesehen ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 9, wobei die Temperaturabsenkungseinrichtung eine Kühlvorrichtung aufweist, die in dem Einlasskanal vorgesehen ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei eine Temperaturanhebungseinrichtung zum Anheben der Temperatur des Sauggases vorgesehen ist, welches in die Brennkammer eingezogen wird, und wobei die Temperatur des Sauggases durch die Temperaturanhebungseinrichtung angehoben wird, wenn die Kraftmaschinenlast kleiner als eine vorbestimmte Last ist, und der Betrieb der Temperaturanhebungseinrichtung zum Anheben der Temperatur des Sauggases wird gestoppt, wenn die Kraftmaschinenlast größer als eine vorbestimmte Last ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 12, wobei die Temperaturanhebungseinrichtung eine elektrische Heizvorrichtung aufweist, die in dem Einlasskanal vorgesehen ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 12, wobei die Temperaturanhebungseinrichtung eine Nockenwellenphasensteuervorrichtung zum Steuern der Öffnungszeitgebung eines Auslaßventils aufweist, und die Öffnungszeitgebung des Auslassventils wird durch die Nockenwellenphasensteuervorrichtung vorgerückt, wenn die Temperatur des in die Brennkammer eingezogenen Sauggases angehoben werden soll.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 12, wobei die Temperaturanhebungseinrichtung eine Nockenwellenphasensteuervorrichtung zum Steuern der Öffnungszeitgebung eines Einlassventils aufweist, und die Öffnungszeitgebung des Einlassventils wird durch die Nockenwellenphasensteuervorrichtung verzögert, wenn die Temperatur des in die Brennkammer eingezogenen Sauggases angehoben werden soll.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Einspritzzeitgebungssteuereinrichtung die Einspritzzeitgebung umso früher durchführt, je größer die Kraftmaschinenlast ist.
Selbstzündungs-Kraftmaschine gemäß Anspruch 2, wobei die Einspritzeinrichtung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist, die in der Brennkammer vorgesehen ist.