DE69730290T2 - System zur Steigung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung - Google Patents

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Hiromitsu Okazaki-shi Ando
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die angepasst ist, um Kraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer einzuspritzen und dazu zu führen, dass der eingespritzte Kraftstoff fremdgezündet wird zur geschichteten Verbrennung, und insbesondere ein System zum Anheben der Temperatur des Abgases, wenn eine Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine in einem nicht aktivierten Zustand ist, z. B. zu der Zeit des Motorbetriebs in einem kalten Zustand, oder wenn es die Abgasreinigungsvorrichtung nicht fertig bringen kann, ihre aktivierte Temperatur beizubehalten, z. B. zu der Zeit des Motorbetriebs mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur geschichteten Verbrennung.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Für Kfz-Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung sind verschiedene Benzinmotoren mit Direkteinspritzung vorgeschlagen worden, welche Kraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer einspritzen, und zwar abweichend von herkömmlichen Motoren mit Ansaugkrümmereinspritzung. Ein typischer Motor mit Direkteinspritzung ist eingerichtet, Kraftstoff aus einem Kraftstoffeinspritzventil heraus in einen Hohlraum einzuspritzen, der in dem Kopf eines Kolbens des Motors gebildet ist, um dadurch zu ermöglichen, dass ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird, um die Emission von schädlichen Abgaskomponenten zu verringern und um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Jedoch kann, falls der Motor einen solchen Magerverbrennungsbetrieb durch den gesamten Motorbetriebsbereich hindurch ausführt, eine ungenügende Motorleistung in irgendeinem Motorbetriebsbereich vorkommen. Um das zu verhindern, ist der Motor mit Direkteinspritzung eingerichtet, den Einspritzmodus zwischen einem Kompressionshub-Einspritzmodus und einem Saughub-Einspritzmodus entsprechend Motorbetriebszuständen wie Motorlast umzuschalten.
  • Wenn der Motor sich in einem Niederlast-Betriebsbereich befindet, wird der Kompressionshub-Einspritzmodus gewählt, in welchem Kraftstoff hauptsächlich während des Kompressionshubs eingespritzt wird. In diesem Einspritzmodus bleibt der meiste Kraftstoff, der während des Kompressionshubs in Richtung des Hohlraums eingespritzt wird, der am Kopf des Kolbens ausgebildet ist, in dem Hohlraum wegen der Wirkung einer Tumble-Strömung (walzenartigen Strömung) von Ansaugluft, die in die Verbrennungskammer hinein während des Saughubs gesaugt wurde und die in dem Hohlraum zirkuliert. Deshalb wird, selbst wenn eine solch kleine Menge von Kraftstoff eingespritzt wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis groß gemacht wird, z. B. 40 was den ganzen Zylinder anbetrifft (Kompressions-Magermodus), ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem Hohlraum um die Elektroden einer Zündkerze zum Zündzeitpunkt gebildet, zu dem sich der Kolben der Zündkerze nähert. Daher kann die Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch einen Funken möglich werden. Das ermöglicht, dass eine große Menge von Ansaugluft, zusammen mit Abgas, das in einer großen Menge als Abgasrückführung zurückgeführt wird, in den Zylinder hinein in dem Kompressionshub-Einspritzmodus geliefert wird, so dass der Pumpverlust verringert und der Kraftstoffverbrauch stark verbessert wird.
  • Andererseits, wenn der Motor sich in einem Mittellast- oder Hochlast-Betriebsbereich befindet, wird Kraftstoff hauptsächlich während des Saughubs eingespritzt, so dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem gleichmäßigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer gebildet wird. In dem Fall, wo ein gleichmäßiges Luft-Kraftstoff-Gemisch auf diese Art gebildet wird, kann eine große Menge Kraftstoff verbrannt werden, ohne dass irgendeine Fehlzündung wegen einer örtlichen Anreicherung um die Zündkerze herum verursacht wird, wodurch die Motorleistung, die zu der Zeit der Beschleunigung oder während des Fahrens eines Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit benötigt wird, sichergestellt werden kann.
  • Zu der Zeit eines Kaltstarts eines Motors oder während eines Niederlast-Motorbetriebs bei einer niedrigen Umgebungslufttemperatur kann eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung viel Zeit benötigen, um einen Katalysator einer Abgasreinigungsvorrichtung zu aktivieren, die in dem Abgaskanal des Motors angeordnet ist. Wenn der Motor in dem Kompressions-Magermodus betrieben wird, wo eine große Menge von Ansaugluft in einen Zylinder hinein geliefert wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch, und daher neigt die Abgastemperatur dazu niedrig zu werden. Entsprechend kann der Abgasreinigungskatalysator dabei fehlschlagen, seine aktivierte Temperatur beizubehalten, wenn der Motor in dem Kompressions-Magermodus betrieben wird, selbst nachdem der Katalysator die Aktivierungstemperatur einmal erreicht hat. Um diese Probleme zu beseitigen, werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen zum Anheben der Abgastemperatur, um eine schnelle Aktivierung des Katalysators zu bewirken.
  • Zum Beispiel betreibt eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die vorgeschlagen wird in JP-A-4-183 922, ein Kraftstoffeinspritzventil während des Kompressionshubs des Motors, um einen Hauptkraftstoff in eine Verbrennungskammer einzuspritzen, und betätigt eine Zündkerze, um den Hauptkraftstoff zu zünden. Dann wird das Kraftstoffeinspritzventil wieder während des Expansionshubs oder während einer frühen Stufe des Abgashubs betrieben, in welchem das Ansaugventil geschlossen gehalten wird, um dadurch einen zusätzlichen Kraftstoff in die Verbrennungskammer einzuspritzen, und die Zündkerze wird wieder betätigt, um den zusätzlichen Kraftstoff zu zünden.
  • Jedoch ist das vorgeschlagene System nachteilig insofern, als dass es eine komplizierte Zündsteuerlogik benötigt und als dass genügend Energie für die zweite Zündung nicht sichergestellt werden kann wegen der folgenden Gründe: Normalerweise wird der Hauptkraftstoff, der während des Kompressionshubs eingespritzt wird, nahezu während des Expansionshubs vollständig verbrannt. Deshalb wird zu der Zeit der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung eine Menge reaktiver chemischer Spezies, welche die Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs fördert, klein in dem Zylinder. Andererseits wird große Energie (wie Hitze-, Druck-, Temperaturenergie) zur Verbrennung von Kraftstoff, z. B. Benzin, benötigt, welches eine geringe Selbstentzündungsfähigkeit hat. Durch einfaches Wiederbetätigen der Zündkerze unmittelbar nach der Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffes, wie in dem Fall des obigen Vorschlags, ist es manchmal unmöglich, die Zündenergie zu liefern, die zum Zünden des zusätzlichen Kraftstoffes benötigt wird. In diesem Fall kann der zusätzliche Kraftstoff nicht genügend verbrannt werden, so dass die Abgastemperatur nicht sicher angehoben werden kann, und daher kann der Katalysator nicht schnell aktiviert werden.
  • Um ausreichend Zündenergie zu erhalten, um das gerade genannte Problem zu beseitigen, muss zum Beispiel eine Zündvorrichtung mit einer großen Kapazität verwendet werden. In diesem Fall wird die Zündvorrichtung groß und teuer.
  • Die oben genannte Anmeldung JP-A-4-183 922 offenbart auch ein Verfahren zum Erwärmen des Katalysators, um die Katalysatortemperatur schnell auf die Aktivierungstemperatur anzuheben, indem ein zusätzlicher Kraftstoff mit Abgas gemischt wird und eine Zündkerze betätigt wird, die in dem Abgaskanal angeordnet ist. Jedoch ist eine solche Anordnung nachteilig insofern, als dass sie eine erhöhte Zahl von Komponententeilen benötigt und somit teuer ist.
  • Unter diesem Gesichtspunkt schlägt JP-A-8-100 638 ein Verfahren vor, um zu ermöglichen, dass ein zusätzlicher Kraftstoff verbrannt wird ohne Nutzung einer Fremdzündung. In dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Hauptkraftstoff während des Kompressionshubs eines Motors eingespritzt, eine Zündkerze wird betätigt, um den Hauptkraftstoff zu zünden, und ein zusätzlicher Kraftstoff wird während des Expansionshubs eingespritzt. Eine Flamme, die durch die Entzündung des Hauptkraftstoffes gebildet wird, die auf die Zündfunkenbetrieb der Zündkerze hin initiiert wird, breitet sich zu dem zusätzlichen Kraftstoff aus und führt dazu, dass selbiger verbrannt wird. Durch dieses Verfahren kann der zusätzliche Kraftstoff verbrannt werden ohne die Notwendigkeit, die Zündkerze wieder zu betätigen, und die Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes führt dazu, dass die Abgastemperatur angehoben wird, um dadurch eine Zeit zu verkürzen, die zur Aktivierung des Katalysators benötigt wird.
  • Jedoch muss gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren der zusätzliche Kraftstoff während des Zeitraums eingespritzt werden, in welchem der zusätzliche Kraftstoff sicher durch die Flamme entflammt werden kann, welche sich während der Hauptverbrennung ausbreitet. Tatsächlich wird in dem vorgeschlagenen Verfahren der Einspritzzeitpunkt für den zusätzlichen Kraftstoff auf einen Wert eingestellt, der in den Bereich von z. B. 10° bis 80° nach dem oberen Kompressionstotpunkt (ATDC) als Kurbelwellenwinkel fällt. Wenn jedoch der zusätzliche Kraftstoff während einer frühen Stufe des Expansionshubs so eingespritzt wird, wird ein Teil der thermischen Energie, die zu der Zeit der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes produziert wird, verschwendet für die Arbeit der Expansion, so dass ein beabsichtigtes Anheben der Abgastemperatur nicht genügend erreicht werden kann. Außerdem muss eine Menge von zusätzlichem Kraftstoff erhöht werden, um die Abgastemperatur genügend anzuheben. Das führt zu einem Nachteil, dass der Kraftstoffverbrauch weiter erhöht wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein System zum Anheben der Abgastemperatur für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bereitzustellen, wobei das System in der Lage ist, einen zusätzlichen Kraftstoff zu liefern und zu zünden ohne die Bereitstellung einer speziellen Vorrichtung dafür, und die Energie aus der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes wirksam für eine Anhebung der Abgastemperatur zu nutzen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Anheben der Abgastemperatur gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Gemäß dem System zum Anheben der Abgastemperatur der vorliegenden Erfindung wird, wenn der Motor in einem Betriebszustand ist, in welchem eine Anhebung der Abgastemperatur erforderlich ist, z. B. wenn die Temperatur des Abgasreinigungskatalysators des Motors eine Aktivierungstemperatur nicht erreicht, ein zusätzlicher Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt, wo ein Teil des Kaltflammen-Reaktionsproduktes, das durch die Kaltflammenreaktion des Hauptkraftstoffes erzeugt wurde, zurückbleibt. Ein neues Kaltflammen-Reaktionsprodukt wird durch eine Kaltflammenreaktion des zusätzlichen Kraftstoffes erzeugt. Folglich übersteigt die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in der Verbrennungskammer die entzündbare Konzentrationsgrenze und der zusätzliche Kraftstoff wird durch Selbstentzündung entflammt. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung der zusätzliche Kraftstoff entflammt werden ohne Betreiben einer Zündvorrichtung und ohne Nutzen der Flamme, die während der Verbrennung des Hauptkraftstoffes (Hauptverbrennung) produziert wird. Die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung der vorliegenden Erfindung wird während einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs durchgeführt im Unterschied zu dem Stand der Technik, wo die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung während einer frühen Stufe des Expansionshubs ausführt wird, so dass der zusätzliche Kraftstoff in die Flamme hinein eingespritzt wird, die durch die Hauptverbrennung produziert wurde. Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung thermische Energie, die durch die Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes erzeugt wird, nicht für die Arbeit der Expansion in dem Motor aufgewendet und wird daher wirksam verwendet, um die Abgastemperatur anzuheben.
  • Wie aus der vorhergehenden Erklärung deutlich wird, ist die vorliegende Erfindung auf der Grundlage der Erkenntnis geschaffen worden, die den vorliegenden Erfindern eigen ist, dass es wirksam ist, die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung während einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs durchzuführen, um die Energie aus der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes für eine Anhebung der Abgastemperatur wirksam zu nutzen.
  • Die vorliegenden Erfinder haben die oben genannte Erkenntnis erreicht durch die Betrachtungen und Experimente, die unten beschrieben sind.
  • In einer Brennkraftmaschine, die mit einem System zum Anheben der Abgastemperatur ausgestattet ist, wird typischerweise eine solche Menge von Hauptkraftstoff (im Allgemeinen Benzin) in eine Verbrennungskammer bei der Kurbelwellenwinkelposition von z. B. CA1 in 2 während eines Kompressionshubs eingespritzt, dass das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis Kraftstoffmagerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemacht wird. Der Hauptkraftstoff wird mit Ansaugluft gemischt, welche in die Verbrennungskammer vor der Hauptkraftstoffeinspritzung hinein gesaugt wurde, und wird in einem Hohlraum, der in dem Kopf eines Kolbens ausgebildet ist, gehalten durch die Wirkung einer Tumble-Strömung der Ansaugluft, die in dem Hohlraum zirkuliert.
  • Wenn der Hauptkraftstoff mit der Ansaugluft gemischt wird, findet eine Kaltflammenreaktion statt (keine Flamme kann produziert werden), die von keiner Wärmeerzeugung begleitet wird. Die Kaltflammenreaktion erzeugt reaktive chemische Spezies (Kaltflammen-Reaktionsprodukt) wie Peroxid, Formaldehyd oder dergleichen (zum Beispiel CHO, H2O2, OH), welche eine Kettenverzweigungsreaktion fördern. Die Kaltflammenreaktion wird gefördert, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert wird oder einer hohen Temperatur ausgesetzt wird.
  • Wie in 2 zu sehen ist, steigt der Druck Pe in einem Zylinder relativ langsam allmählich an, wenn sich der Kolben in Richtung Zylinderkopf verschiebt während des Zeitraums von der Zeit der Hauptkraftstoffeinspritzung (Kurbelwellenwinkelposition CA1) bis zum Zündzeitpunkt (Kurbelwellenwinkelposition CA2). Während dieses Zeitraums wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch eine adiabatische Kompression in dem Zylinder erwärmt und entsprechend, wie in 3 gezeigt, steigt die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes langsam und allmählich an. 3 zeigt die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes, beobachtet an einem speziellen Position (in einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch-Abschnitt) um die Zündkerze herum, als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels.
  • Die Zündkerze wird betätigt bei der Kurbelwellenwinkelposition von z. B. CA2 in 2, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Zum Zündzeitpunkt wird ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe am stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis um die Zündkerze herum in der Verbrennungskammer gebildet und ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch wird um das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch herum gebildet, wie in dem oberen linken Abschnitt von 1 gezeigt ist, an welchen die Bezeichnung "Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemischs" angeheftet ist. Wenn die Zündkerze in dem geschichteten Ladungszustand betrieben wird (wie gezeigt in dem Abschnitt von 1 mit der Bezeichnung "Zündung"), wird ein Flammenkern in der Nähe der Elektroden der Zündkerze gebildet. Dann, ausgelöst durch die Bildung des Flammenkerns, breitet sich die Kaltflammenreaktion schnell um die Elektroden der Zündkerze herum aus (wie gezeigt bei dem Abschnitt "Ausbreitung der Kaltflammenreaktion" in 1). Folglich steigt eine Menge des Kaltflammen-Reaktionsproduktes schnell an.
  • Wenn sich die Menge von Kaltflammen-Reaktionsprodukt weiter erhöht in dem Ausmaß, dass die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in der Verbrennungskammer eine bestimmte Gleichgewichtskonzentration (entzündbare Konzentrationsgrenze) INTD übersteigt (zu dem Zeitpunkt CA3 in 3), beginnt die Kaltflammenreaktion sich exponentiell oder explosiv auszubreiten und eine Flamme (heiße Flamme) wird gebildet, wie bei dem oberen rechten Abschnitt "Flammenbildung" von 1 gezeigt wird. Das heißt, das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze herum wird entflammt.
  • Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf diese Weise brennt, begleitet von chemischer Reaktion und Wärmefreisetzung, erhöht sich der Druck Pe in dem Zylinder schnell, wie durch die durchgezogene Linie in 2 gezeigt wird. Der "DZ-Bereich" in 2 zeigt den Kurbelwellenwinkelbereich von Zündung bis Entflammung. Übrigens erhöht sich in einem Fall, wo das Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht entflammt wird, der Druck Pe im Zylinder geringfügig, wie durch die gestrichelte Linie in 2 gezeigt wird, wenn sich der Kolben in Richtung Kompression bewegt.
  • Für den Fall, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch entflammt wird, findet eine Verschiebung von dem Kaltflammenreaktionsprozess zu einem Heißflammenreaktionsprozess statt. An Positionen, wo die Heißflammenreaktion stattfindet, verringert sich die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes schnell, wäh rend sich die Konzentration der Endprodukte wie CO2, H2O und unverbrannte Kohlenwasserstoffe THC (Total Hydrocarbons = Gesamtkohlenwasserstoffe) schnell erhöht, wie durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigt wird. Außerdem wird an Positionen neben den Positionen, wo die Heißflammenreaktion stattgefunden hat, Wärme, erzeugt durch chemische Reaktion, von der heißen Flamme zu dem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch geliefert. Folglich beginnt an den benachbarten Positionen die Kaltflammenreaktion des fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs, um die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes schnell zu erhöhen, wodurch die Heißflammenreaktion gestartet wird. Somit breitet sich der Bereich der Heißflammenreaktion nach außen aus, so dass die Flamme oder Flammenfront sich ausbreitet (wie gezeigt bei dem unteren linken Abschnitt "Flammenausbreitung" in 1). Folglich erhöht sich der Druck Pe im Zylinder schnell, wie in 2 gezeigt wird.
  • Danach erreicht die Flammenfront die Grenze zwischen dem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch und dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, aber die Flamme breitet sich nicht zu dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch aus, so dass die Flammenausbreitung aufhört. Da Wärme, die durch die chemische Reaktion in dem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch (Bereich der Heißflammenreaktion) gebildet wird, an das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch geliefert wird, wird eine langsame Kaltflammenreaktion von dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch initiiert und setzt sich danach fort (wie durch den Abschnitt mit der Bezeichnung "Fortsetzung der Kaltflammenreaktion" in 1 gezeigt wird). Der Druck Pe im Zylinder verringert sich schnell, wie in 2 gezeigt wird.
  • 4 zeigt, als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels, die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes, die an einer speziellen Position in dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch beobachtet wurde, während eine Motorsteuerung der vorliegenden Erfindung zum Anheben der Abgastemperatur (Abgastemperaturanhebungssteuerung) ausgeführt wurde, in welcher zum Beispiel Luft-Kraftstoff-Verhältnis und Zündzeitpunkt gesteuert wurden. Wie aus 4 deutlich wird, kann während des Zeitraums von einer mittleren Stufe bis zu einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs (Kurbelwellenwinkelbereich, der als "WZ-Bereich" in 2 bezeichnet wird), in welchem die Verbrennung des fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs bereits beendet ist, die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch auf einem hohen Pegel nahe der entzündbaren Konzentrationsgrenze gehalten werden, wenn die Abgastemperaturanhebungssteuerung ausgeführt wird. Das heißt, selbst nach der Verbrennung von Hauptkraftstoff (Hauptverbrennung) kann eine beträchtliche Menge von Kaltflammenprodukt in dem Zylinder zurückbleiben.
  • Wenn ein zusätzlicher Kraftstoff in diesem Zustand eingespritzt wird (zu der Zeit CA4 in 2 und 4), wird der zusätzliche Kraftstoff einer Hochtemperaturatmosphäre in dem Zylinder ausgesetzt und die Kaltflammenreaktion des zusätzlichen Kraftstoffes schreitet schnell voran, wodurch Kaltflammenreaktionsprodukt neu produziert wird. Wie aus 4 offensichtlich ist, übersteigt die Konzentration des gesamten Kaltflammenreaktionsproduktes (genauer erläutert die Konzentration an der oben genannten speziellen Position in dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch) einschließlich des Kaltflammen-Reaktionsproduktes, das nach Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffes neu produziert wird, und des Kaltflammen-Reaktionsproduktes, das nach der Hauptverbrennung in dem Zylinder zurückbleibt, die entzündbare Konzentrationsgrenze, und zwar unmittelbar nach der Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffs. Folglich beginnt der zusätzliche Kraftstoff eine Selbstentzündung (wie durch den unteren rechten Abschnitt "Selbstentzündung von zusätzlichem Kraftstoff" in 1 gezeigt wird). Das heißt, der zusätzliche Kraftstoff kann entflammt werden ohne Verwendung einer Fremdzündung.
  • Die vorhergehende Erklärung kann folgendermaßen zusammengefasst werden: Dadurch, dass die Konzentration des Kaltflammenreaktionsproduktes in der Verbrennungskammer kurz vor der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird, um einen Wert nahe der entzündbaren Konzentrationsgrenze anzunehmen, und dadurch, dass die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in der Verbrennungskammer kurz nach der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird auf einen Wert, der die entzündbare Konzentrationsgrenze überschreitet, kann der zusätzliche Kraftstoff durch Selbstentzündung entflammt werden, selbst wenn der zusätzliche Kraftstoff während einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe eines Expansionshubs eingespritzt wird, worin die Verbrennung des fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs um die Zündkerze herum bereits beendet ist. Das heißt, um den zusätzlichen Kraftstoff zu entflammen, ist es nicht notwendig, die Zündkerze wieder zu betätigen oder den zusätzlichen Kraftstoff während der Flammenausbreitung (während einer frühen Stufe des Expansionshubs) einzuspritzen. Im Vergleich zu dem Stand der Technik, worin der zusätzliche Kraftstoff während der Flammenausbreitung eingespritzt wird, kann das Verhältnis von dem Teil der Energie aus der Verbrennung von dem zusätzlichen Kraftstoff, welcher für die Arbeit der Expansion aufgewendet wird, zu der Gesamtverbrennungsenergie des zusätzlichen Kraftstoffes verringert werden und daher kann die Verbrennungsenergie des zusätzlichen Kraftstoffes wirksam genutzt werden für eine Anhebung des Abgastemperatur.
  • Um die Anforderungen zum Anheben der Abgastemperatur zu untersuchen, führten die vorliegenden Erfinder die folgenden Experimente aus:
  • In einem ersten Experiment wurde die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffes auf einen Wert eingestellt, welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der Zeit der Hauptkraftstoffeinspritzung gleich 30 machte, und die Gesamteinspritzmenge von dem zusätzlichen Kraftstoff und dem Hauptkraftstoff wurde auf einen Wert eingestellt, welcher das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14,7) machte, während die Menge von Ansaugluft konstant gehalten wurde. Weiter wurde der Zündzeitpunkt TRD als ein Motorsteuerparameter auf den oberen Kompressionstotpunkt eingestellt. Während des Motorbetriebs in dem Experiment wurden die Einspritzmengen von dem Hauptkraftstoff und dem zusätzlichen Kraftstoff und der Zündzeitpunkt jeweils auf die eingestellten Werte gesteuert, und der Zündzeitpunkt des zusätzlichen Kraftstoffes wurde als ein weiterer Motorsteuerparameter geändert von 30° auf 110° nach dem oberen Kompressionstotpunkt als Kurbelwellenwin kel, und die Abgastemperatur und die Konzentration von unverbranntem Kohlenwasserstoff im Abgas wurden für jeden Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung gemessen. Weiter wurden ähnliche Experimente durchgeführt, wobei der Zündzeitpunkt TRD auf 5°, 10° bzw. 15° vor dem oberen Kompressionstotpunkt eingestellt wurde. In der folgenden Erklärung werden der obere Kompressionstotpunkt, bevor dem oberen Kompressionstotpunkt und nach dem oberen Kompressionstotpunkt als TDC, BTDC bzw. ATDC bezeichnet.
  • In einem zweiten Experiment wurde die Einspritzmenge des Hauptkraftstoffes auf einen Wert eingestellt, welcher das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich 40 machte. Anders ausgedrückt, die Hauptkraftstoffeinspritzmenge war kleiner als die in dem ersten Experiment, und der fette Luft-Kraftstoff-Gemisch-Abschnitt, der sich um die Zündkerze herum bildete während des Prozesses "Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemischs", gezeigt unter dem oberen linken Abschnitt von 1, wurde kleiner gemacht. Andere experimentelle Bedingungen als die Hauptkraftstoffeinspritzmenge waren gleich jenen in dem ersten Experiment. In dem zweiten Experiment wurde die Abgastemperatur gemessen, während der Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung innerhalb des Bereichs von 30° bis 110° als Kurbelwellenwinkel geändert wurde, wobei der Zündzeitpunkt TRD auf TDC eingestellt wurde. Außerdem wurden ähnliche Experimente durchgeführt, wobei der Zündzeitpunkt TRD auf 5° BTDC bzw. 15° BTDC eingestellt wurde.
  • 5 ist ein Diagramm, erstellt auf der Grundlage von Ergebnissen aus dem ersten Experiment, und zeigt die Abgastemperatur als eine Funktion des Zeitpunkts der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung und des Zündzeitpunkts TRD. 6 ist ein ähnliches Diagramm wie 5, erstellt auf der Grundlage von Ergebnissen aus dem zweiten Experiment. 7 ist ein Diagramm, erstellt auf der Grundlage von Ergebnissen aus dem ersten Experiment, und zeigt die Abgastemperatur und die Konzentration von unverbranntem Kohlenwasserstoff in Abgas als eine Funktion von Zündzeitpunkt TRD und Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung.
  • Wie aus den experimentellen Ergebnissen, die in 5 bis
  • 7 gezeigt sind, deutlich wird, erscheinen zwei Peaks in der Abgastemperatur, während der Zeitpunkt für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung von 30° auf 110° nach dem oberen Kompressionstotpunkt geändert wird. Der erste Peak erscheint, wenn der Zeitpunkt für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung auf einen Wert eingestellt wird, der in eine frühe Stufe des Expansionshubs fällt (in der Nähe von 45° ATDC als Kurbelwellenwinkel), und der zweite Peak erscheint, wenn der Zeitpunkt für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung auf einen Wert eingestellt ist, der in eine mittlere Stufe oder eine nachfolgende Stufe des Expansionshubs fällt (in der Nähe von 90° bis 100° ATDC als Kurbelwellenwinkel).
  • Es wird in Betracht gezogen, dass der Grund, warum die Abgastemperatur erniedrigt wird, während der Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung geändert wird von 45° ATDC auf 65° ATDC als Kurbelwellenwinkel, der ist, dass die zusätzliche Kraftstoffmenge, welche nicht verbrannt wird und ausgestoßen wird als THC (total hydrocarbons = Gesamtkohlenwasserstoff), sich in dem gerade genannten Bereich für den Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung erhöht.
  • Außerdem zeigen 5 bis 7, dass der zweite Peak im Allgemeinen den ersten Peak übersteigt. Es wird in Betracht gezogen, dass der Grund dafür darin beruht, dass das Verhältnis von diesem Verbrennungsenergieabschnitt, welcher für die Arbeit der Expansion aufgewendet wird, zu der gesamten Verbrennungsenergie des zusätzlichen Kraftstoffes, das in einem Fall beobachtet wird, wo der zusätzliche Kraftstoff während einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs eingespritzt wird, kleiner ist als das Verhältnis, das beobachtet wird in einem Fall, wo der zusätzliche Kraftstoff während einer frühen Stufe des Expansionshubs eingespritzt wird. Das heißt, durch Einspritzen des zusätzlichen Kraftstoffes während einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs kann die Verbrennungsenergie des zusätzlichen Kraftstoffes wirksam in die Energie zum Anheben der Abgastemperatur umgewandelt werden und daher kann die zusätzliche Kraftstoffmenge verringert werden.
  • Wie aus den experimentellen Ergebnissen, die in 5 bis 7 gezeigt sind, deutlich wird, wird eine Anhebung der Abgastemperatur größer, wenn der Zündzeitpunkt für den Hauptkraftstoff TRD mehr in Richtung TDC verzögert wird. Es wird in Betracht gezogen, dass der Grund dafür darin liegt, dass wenn der Zündzeitpunkt TRD verzögert ist, die Hauptverbrennung langsam wird und die Ausbreitung der Flammenfront verzögert wird. Als ein Ergebnis wird, bevor die Flammenfront sich voll ausbreitet, der Druck im Zylinder verringert und die Flamme erlischt. In diesem Fall erhöht sich gemäß der Ansicht der vorliegenden Erfinder die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes und die Geschwindigkeit der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes erhöht sich, wodurch ein großer Abgastemperaturanhebungseffekt erhalten wird.
  • Außerdem wird aus einem Vergleich zwischen den experimentellen Ergebnissen, die in 5 und 6 gezeigt sind, deutlich, dass für die Fälle, wo der Zündzeitpunkt TRD auf TDC, 5° BTDC bzw. 15° BTDC eingestellt ist, ein größerer Temperaturanhebungseffekt erhalten werden kann, wenn die Hauptkraftstoffeinspritzmenge auf einen Wert eingestellt ist, welcher das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich 40 macht, als der Temperaturanhebungseffekt, der in dem Fall erhalten wird, wenn die Menge auf einen Wert eingestellt ist, der das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich 30 macht. Es wird in Betracht gezogen, dass der Grund dafür darin liegt, dass wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der Zeit der Hauptverbrennung mager gemacht wird, eine langsame Hauptverbrennung stattfindet und daher ein ähnliches Ergebnis erhalten wird wie in dem Fall, wo der Zündzeitpunkt verzögert wird.
  • Die experimentellen Ergebnisse, die in 5 bis 7 gezeigt sind, zeigen an, dass wenn der Zündzeitpunkt verzögert wird oder wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gemacht wird bei einer Gelegenheit, wo der Motorbetrieb zum Anheben der Abgastemperatur vorgenommen wird, der Abgastemperaturanhebungseffekt verbessert werden kann und die Emission von THC verringert werden kann. Beim Betrachten der Ergebnisse der Messungen, die in 3 und 4 in Bezug auf die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in einer Verbrennungskammer gezeigt werden, zusammen mit den experimentellen Ergebnissen, die in 5 bis 7 gezeigt werden, wird deutlich, dass dadurch, dass der Zündzeitpunkt verzögert vorgenommen wird, oder dadurch, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gemacht wird, es möglich ist, eine beträchtliche Menge von Kaltflammenreaktionsprodukt dazu zu bringen, dass sie in einer Verbrennungskammer zurückbleibt zu der Zeit, kurz bevor die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung vorgenommen wird in einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs, und es möglich ist, die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes, die kurz nach der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung beobachtet wird, dazu zu bringen, die entzündbare Konzentrationsgrenze zu überschreiten. Es wird in Betracht gezogen, dass die Verbrennung des Hauptkraftstoffes langsam wird, wenn der Zündzeitpunkt verzögert wird oder wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gemacht wird. Entsprechend kann durch andere Verfahren, welche die Verbrennung des Hauptkraftstoffes langsam machen können, der Abgastemperaturanhebungseffekt erhalten werden.
  • Genauer erläutert, um den Abgastemperaturanhebungseffekt zu verbessern, ist es vorzuziehen in Hinblick auf die experimentellen Ergebnisse von 5 bis 7, den Zeitpunkt für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung auf einen Wert einzustellen, der in den Bereich von 70° ATDC bis 110° ATDC (besser 80° ATDC bis 100° ATDC) als Kurbelwellenwinkel fällt, wo das Kaltflammenreaktionsprodukt zunimmt. Der Bereich von 70° ATDC bis 110° ATDC entspricht einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs.
  • Gemäß der experimentellen Ergebnisse, die in 5 bis 7 gezeigt sind, und deren Betrachtung durch die vorliegenden Erfinder ist es, um den Abgastemperaturanhebungseffekt zu verbessern, vorzuziehen, den Zündzeitpunkt auf einen Wert einzustellen, der in den Bereich von 10° BTDC bis 5° ATDC als Kurbelwellenwinkel fällt, indem Motorsteuermittel verwendet werden, welche Zündzeitpunkteinstellmittel einschließen, um dadurch den Zündzeitpunkt für den Hauptkraftstoff zu verzögern, so dass der Hauptkraftstoff langsam verbrannt werden kann.
  • Um die Stabilität der geschichteten Verbrennung (Hauptverbrennung) zu verbessern, ist es vorzuziehen, den Zündzeitpunkt auf einen Wert einzustellen, der in den Bereich von 5° BTDC bis TDC fällt. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der Zeit der geschichteten Verbrennung auf einen Wert von nicht weniger als 25 eingestellt wird unter Verwendung eines Motorsteuermittels einschließlich Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuermittels, so dass der Hauptkraftstoff langsam verbrannt werden kann. Besser sollte, um die Stabilität der geschichteten Verbrennung (Hauptverbrennung) weiter zu verbessern, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei der geschichteten Verbrennung auf ungefähr 30 bis 40 eingestellt werden. In diesem Fall kann der Abgastemperaturanhebungseffekt erhalten werden ohne Verzögerung des Zündzeitpunktes.
  • Auf jeden Fall kann unter Verwendung eines Motorsteuermittels, das mindestens entweder Zündzeitpunkteinstellmittel oder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuermittel einschließt, eine erforderliche Anhebung der Abgastemperatur erreicht werden, während der Motor in einem Betriebszustand ist, wo das Anheben der Abgastemperatur erforderlich ist, indem der Zündzeitpunkt auf die Verzögerungsseite gesteuert wird, oder indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die Magerseite gesteuert wird bezüglich des Zündzeitpunktes oder des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die Motorsteuerung (geschichtete Verbrennungssteuerung), die in einem Motorbetriebszustand durchgeführt wird, wo keine Abgastemperaturanhebung erforderlich ist.
  • Das System zum Anheben der Abgastemperatur der vorliegenden Erfindung ist geeignet für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche eingerichtet ist, Kraftstoff fremdzuzünden, der aus einem Kraftstoffeinspritzventil heraus direkt in eine Verbrennungskammer eingespritzt wurde, und dazu führt, dass der eingespritzte Kraftstoff eine geschichtete Verbrennung bewirkt.
  • Eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung kann eingerichtet werden, dass sie in einem Saughub-Einspritzmodus betreibbar ist, wo Kraftstoff während des Saughubs eingespritzt wird. In diesem Fall wird entweder der Saughub-Einspritzmodus oder ein Kompressionshub-Einspritzmodus, wo eine Kraftstoffein spritzung während eines Kompressionshubs vorgenommen wird, entsprechend der Motorlast gewählt. Der Saughub-Einspritzmodus kann einen Saughub-Fetteinspritzmodus einschließen, in welchem die Menge der Kraftstoffeinspritzung auf einen Wert eingestellt ist, welcher das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis macht oder dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis; und einen Saughub-Magereinspritzmodus, in welchem die Menge der Kraftstoffeinspritzung auf einen Wert eingestellt ist, der das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager macht. In dem Saughub-Magereinspritzmodus wird eine magere Verbrennung durchgeführt, in dem eine turbulente Strömung der Ansaugluft genutzt wird.
  • Das System zum Anheben der Abgastemperatur der vorliegenden Erfindung kann auf einen Motor angewendet werden, welcher betreibbar ist in irgendeinem Modus gewählt zwischen dem Kompressionshub-Einspritzmodus und dem Saughub-Einspritzmodus. In diesem Fall ist es vorzuziehen, den Motor in dem Kompressionshub-Einspritzmodus zu betreiben zu der Zeit des Anhebens der Abgastemperatur.
  • Das System zum Anheben der Abgastemperatur der vorliegenden Erfindung wird auf eine Brennkraftmaschine angewendet, die mit einer Abgasreinigungsvorrichtung ausgestattet ist. Die Abgasreinigungsvorrichtung kann ausgerüstet sein entweder mit einem Drei-Wege-Katalysator, welcher eine Drei-Wege-Funktion hat zur Reinigung von CO, HC und NOx in Abgas, oder mit einem Mager-NOx-Katalysator zur Reinigung von hauptsächlich NOx während einer geschichteten Verbrennung oder einer Magerverbrennung, oder beidem. Die Abgasreinigungsvorrichtung von einem Typ, bei dem ein Drei-Wege-Katalysator auf der abströmenden Seite eines Mager-NOx-Katalysators angeordnet ist, ist vorteilhaft insofern, als dass die Reinigung von NOx in dem Mager-NOx-Katalysator nicht behindert wird durch den Drei-Wege-Katalysator, und insofern, als dass CO und HC, die nicht genügend durch den Mager-NOx-Katalysator gereinigt werden, sicher durch den Drei-Wege-Katalysator gereinigt werden. Außerdem kann die Abgasreinigungsvorrichtung von einem Typ sein, der nur mit einem Mager-NOx-Katalysator versehen ist, der eine Drei-Wege-Katalysator funktion aufweist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die den Verbrennungsprozess eines Hauptkraftstoffes zeigt, der während eines Kompressionshubs eingespritzt wurde, und die Einspritzung eines zusätzlichen Kraftstoffes zeigt, die in einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe eines Expansionshubs bewirkt wurde;
  • 2 ist ein Diagramm, das als eine Funktion des Kurbelwellenwinkels den Druck im Zylinder zeigt, welcher beobachtet wird, wenn eine Abgastemperaturanhebungssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Änderung der Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in einer Verbrennungskammer zeigt, welche in einem Hauptkraftstoffverbrennungsbereich beobachtet wird, der durch das Oval DZ in 2 gezeigt wird;
  • 4 ist ein Diagramm, das eine Änderung der Konzentration von Kaltflammen-Reaktionsprodukt zeigt, die in einem Zusatzkraftstoffverbrennungsbereich beobachtet wird, das durch das Oval WZ in 2 gezeigt wird;
  • 5 ist ein Diagramm, das eine Relation zwischen Zündzeitpunkt TRD, Abgastemperatur und Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung zeigt, bestimmt auf der Grundlage von Experimenten, in welchen die Hauptkraftstoffeinspritzmenge auf einen Wert eingestellt war, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich 30 macht;
  • 6 ist ein Diagramm, das eine Relation zwischen Zündzeitpunkt TRD, Abgastemperatur und Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung zeigt, in einem Fall, wo die Menge der Hauptkraftstoffeinspritzung auf einen Wert eingestellt ist, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich 40 macht;
  • 7 ist ein Diagramm, das eine Relation zwischen Abgastemperatur, Zündzeitpunkt TRD und Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung, und eine Relation zwischen unverbrannter Kohlenwasserstoffmenge im Abgas, Zündzeitpunkt TRD und Zeitpunkt der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung zeigt, bestimmt auf der Grundlage der Experimente, die mit 5 verbunden sind;
  • 8 ist eine schematische Ansicht, die einen Motor zeigt, der mit einem System zum Anheben der Abgastemperatur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
  • 9 ist ein Kennfeld für den Motorsteuermodus, das einen Kompressionshub-Magereinspritzbereich, Saughub-Magereinspritzbereich, Stöchio-Rückkopplung-Bereich und Kraftstoffabschaltungsbereich zeigt als eine Funktion von mittlerem wirksamen Drucks Pe im Zylinder und Motordrehzahl Ne;
  • 10 ist eine schematische Teilansicht, die eine Form der Kraftstoffeinspritzung zeigt, wenn eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung mit Fremdzündung in einem Kompressionshub-Einspritzmodus arbeitet;
  • 11 ist eine Ansicht, ähnlich 10, die eine Form der Kraftstoffeinspritzung zeigt, wenn der Motor in einem Saughub-Einspritzmodus arbeitet;
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das die Verfahrensweisen einer Steuerung zum Anheben der Abgastemperatur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 13 ist eine Ansicht, die ein erstes Gemischabmagerungskennfeld zeigt, welches verwendet wird, um ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der Zeit der Verbrennung von Hauptkraftstoff einzustellen in einem Fall, wo die Motorkühlwassertemperatur niedrig ist, bei einer Gelegenheit, dass die Abgastemperatur angehoben wird;
  • 14 ist eine Ansicht, die ein zweites Gemischabmagerungskennfeld zeigt, welches verwendet wird, um das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einzustellen in einem Fall, wo die Motorkühlwassertemperatur nicht niedrig ist;
  • 15 ist ein Flussdiagramm, die Verfahrensweise einer Steuerung zum Anheben der Abgastemperatur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 16 ist eine Ansicht, die ein Kennfeld für einen Korrekturfaktor KL zeigt, der verwendet wird, um ein Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu korrigieren.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen werden ein System zum Anheben der Abgastemperatur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Benzinbrennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, die mit diesen System ausgerüstet ist, ausführlich erklärt werden.
  • In 8 zeigt Ziffer 1 einen Kfz-Vier-Zylinder-Reihen-Benzinmotor mit Fremdzündung an (nachfolgend einfach als ein Motor bezeichnet). Der Motor 1 ist ein Viertaktverbrennungsmotor, wobei ein Arbeitszyklus aus Saughub, Kompressionshub, Expansionshub und Auslasshub besteht, und welcher eine Verbrennungskammer 1a, ein Einlasssystem, ein Abgasrückführung-(EGR)-System 10 und dergleichen aufweist, die ausschließlich zur Direkteinspritzung ausgelegt sind.
  • Ein Zylinderkopf des Motors 1 ist mit einem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil 8 und einer Zündkerze 35 für jeden Zylinder ausgerüstet, so dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil 8 heraus direkt in eine betreffende Verbrennungskammer 1a eingespritzt werden kann. Ein halbkugelförmiger Hohlraum (10 und 11) ist in der Kopffläche eines Zylinders ausgebildet, der in einem Zylinder zur Hin-und-her-Bewegung darin angeordnet ist. Der Hohlraum befindet sich an einer Position, zu welcher Kraftstoffnebel reichen kann, falls der Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 8 eingespritzt wird, wenn der Kolben eine Hin-und-her-Bewegungsposition nahe des oberen Totpunktes erreicht. Das theoretische Kompressionsverhältnis des Motors 1 ist eingestellt auf einen Wert (in dieser Ausführungsform ungefähr 12) höher als der eines Motors mit Ansaugkrümmereinspritzung. Ein DOHC-Vier-Ventil-System wird als ein Ventilantriebsmechanismus eingesetzt. Eine Einlassseiten-Nockenwelle und eine Auslassseiten-Nockenwelle zum jeweiligen Antreiben eines Einlassventils 9 und eines Auslassventils 10 werden drehbar gehalten an einem oberen Abschnitt des Zylinderkopfes 2.
  • Der Zylinderkopf ist mit Einlassöffnungen 2a geformt, welche sich jeweils zwischen den Nockenwellen im Wesentlichen senkrecht erstrecken. Ansaugluftströmung, die durch die Ein lassöffnung 2a hindurchgegangen ist, kann eine umgekehrte Tumble-Strömung (walzenförmige Strömung), später erwähnt, in der Verbrennungskammer 1a erzeugen. Auslassöffnungen 3a erstrecken sich im Wesentlichen in der horizontalen Richtung, wie in dem Fall solcher von gewöhnlichen Motoren. Eine EGR-Öffnung mit großen Durchmesser, nicht gezeigt, läuft von der betreffenden Auslassöffnung diagonal nach unten auseinander. In 8 bezeichnet Bezugszeichen 19 einen Wassertemperatursensor zur Detektion einer Kühlwassertemperatur Tw; 21 einen Kurbelwellenwinkelsensor zur Ausgabe eines Kurbelwellenwinkelsignals SGT in vorherbestimmten Kurbelwellenpositionen (in dieser Ausführungsform 5° BTDC und 75° BTDC) für jeden Zylinder; und 34 eine Zündspule zur Lieferung einer hohen Spannung an die Zündkerze 35. Eine der Nockenwellen, welche mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle rotiert, ist mit einem Zylinderunterscheidungssensor (nicht gezeigt) versehen zur Ausgabe eines Zylinderunterscheidungssignals SGC, wodurch der Zylinder, für welchen das Kurbelwellenwinkelsignal SGT ausgegeben wird, beruhend auf dem Sensorsignal SGC unterschieden wird.
  • Die Einlassöffnungen 2a sind durch einen Ansaugkrümmer 2 einschließlich einem Druckausgleichsbehälter 2b mit dem Ansaugrohr 6 verbunden, welches mit einem Ansaugluftfilter 6, einem Drosselklappengehäuse 6b und einem Leerlaufdrehzahl-Regelungsventil vom Schrittmotortyp (nachfolgend als Leerlauf-Regelungsventil bezeichnet) 16 versehen ist. Das Ansaugrohr 6 ist weiter mit einem Luftüberströmrohr 50a mit einem großen Durchmesser versehen, welches das Drosselklappengehäuse 6b überbrückt, durch welches Ansaugluft in den Ansaugkrümmer 2 eingeführt wird und in welchem ein großes Luftumleitventil vom Linear-Magnetventiltyp (ABV-Ventil) 50 angeordnet ist. Das Luftüberströmrohr 50a hat einen Strömungsquerschnitt von im Wesentlichen gleich dem Durchmesser des Ansaugrohrs 6, so dass eine Menge von Ansaugluft, die für einen niedrigen oder mittleren Geschwindigkeitsbereich des Motors 1 erforderlich ist, durch das Rohr 50a strömen kann, wenn das ABV-Ventil 50 vollständig geöffnet ist. Das Leerlauf-Regelungsventil 16 hat einen Strömungsquerschnitt kleiner als der des ABV-Ventils 50 und wird verwendet, um die Ansaugluftmenge fein einzustellen.
  • Das Drosselklappengehäuse 6b ist versehen mit einer Drosselklappe 7 vom Schmetterlingstyp zum Öffnen und Schließen des darin geformten Einlasskanals, mit einem Drosselventilpositionssensors 14 zum Detektieren des Drosselklappenöffnungsgrads θ th als Gaspedalöffnungsgrad und mit einem Leerlaufschalter 15 zum Detektieren eines voll-geschlossenen Zustands der Drosselklappe. Ein Ansauglufttemperatursensor 12 und ein atmosphärischer Drucksensor 13 zum Bestimmen der Dichte der Ansaugluft sind in dem Ansaugluftfilter 6a angeordnet. Diese Sensoren liefern Ausgangssignale, die den atmosphärischen Druck Pa bzw. die Ansauglufttemperatur Ta anzeigen. In der Nachbarschaft des Einlasses des Ansaugrohrs 6 ist ein Luftströmungssensor 11 vom Karman'schen Wirbeltyp angeordnet und gibt ein Wirbel-Vorkommen-Signal aus, welches proportional ist zu der volumetrischen Luftströmungsgeschwindigkeit Qa für einen Saughub.
  • Die zuvor genannten EGR-Öffnungen sind verbunden mit der Verrohrung hinter der Drosselklappe 7 und der Verrohrung vor dem Ansaugkrümmer 2 durch ein EGR-Rohr 10b mit großem Durchmesser, in welchem ein EGR-Ventil 10a vom Schrittmotortyp bereitgestellt wird.
  • Die Auslassöffnungen 3a sind verbunden mit einem Abgaskrümmer 3, der mit einem O2-Sensor 17 versehen ist. Ein Auslassrohr (Abgaskanal) 3b ist mit einem Katalysatorkonverter 9 versehen zur Reinigung von Abgas, ein Schalldämpfer (nicht gezeigt) und dergleichen ist an den Abgaskrümmer 3 angeschlossen. Der O2-Sensor 17 detektiert die Sauerstoffkonzentration im Abgas und gibt ein Detektionssignal aus. Angeschlossen auf der Seite hinter dem Katalysator 9 ist ein Katalysatortemperatursensor 26 zum Detektieren der Temperatur Tcc des Katalysators oder seiner Nachbarschaft (nachfolgend als Katalysatortemperatur bezeichnet). Das Abgas, das aus der Verbrennungskammer 1a in den Abgaskrümmer 3 abgelassen wird, gelangt in den Katalysator-Konverter 9, in welchem drei schädliche Abgaskomponenten CO, HC und NOx gereinigt werden, und wird dann durch den Schalldämpfer gedämpft, um in die Umgebungsluft abgelassen zu werden.
  • Der Katalysator 9, welcher eine Kombination aus einem Mager-NOx-Katalysator 9a und einem Drei-Wege-Katalysator 9b ist, ist geeignet für den Motor 1 angeordnet, um Kraftstoffökonomischen Betrieb zu leisten, während das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die Kraftstoff-magere Seite (magere Seite) gesteuert wird. Der Drei-Wege-Katalysator 9b reinigt CO, HC und NOx in Abgas, wenn der Motor bei dem söchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis arbeitet. Der Mager-NOx-Katalysator 9a reinigt NOx in Abgas, welches nicht genügend gereinigt werden kann durch den Drei-Wege-Katalysator 9b, wenn der Motor mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch arbeitet. Der Drei-Wege-Katalysator 9b ist hinter dem Mager-NOx-Katalysator 9a positioniert und folglich wird die Reinigung von NOx in dem Mager-NOx-Katalysator 9a durch den Drei-Wege-Katalysator 9b nicht unterbrochen, und CO und HC, welche nicht genügend in dem Mager-NOx-Katalysator 9a gereinigt werden können, können sicher in dem Drei-Wege-Katalysator 9b gereinigt werden. Übrigens ist es, falls der Mager-NOx-Katalysator eine Drei-Wege-Funktion hat, möglich, nur den Mager-NOx-Katalysator bereitzustellen.
  • Ein Kraftstofftank, nicht gezeigt, ist im hinteren Teil einer Fahrzeugkarosserie angeordnet. Kraftstoffversorgung aus dem Kraftstofftank zu den Kraftstoffeinspritzventilen 8 wird ausgeführt durch ein Kraftstoffversorgungssystem, nicht gezeigt. Kraftstoff, der in dem Kraftstofftank aufbewahrt wird, wird nämlich mittels einer Motor-betriebenen Unterdruckkraftstoffpumpe angesaugt und wird zu dem Motor 1 durch ein Niederdruck-Speiserohr geliefert. Der Kraftstoff, der in Richtung des Motors 1 geliefert wurde, wird in jedes Kraftstoffeinspritzventil 8 durch ein Hochdruck-Speiserohr und ein Versorgungsrohr mittels einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe eingespeist, welche an dem Zylinderkopf befestigt ist.
  • Ein ECU (elektronisches Steuergerät) 23 wird in einem Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs bereitgestellt und umfasst eine Eingabe/Ausgabe-Einheit, Speichereinheiten (ROM, RAM, BURAM, usw.), die zum Speichern des Steuerprogramms, Steuerkennfelds und dergleichen verwendet werden, Zentraleinheit (CPU), Zeitgeber/Zähler und dergleichen. Das ECU 23 betreibt eine Gesamtsteuerung des Motors 1.
  • Verschiedene Schalter zum Detektieren der Betriebszustände einer Klimaanlage, einer Servolenkungsvorrichtung, eines Automatikgetriebes und dergleichen, welche Lasten auf den Motor 1 aufbringen, wenn sie betrieben werden, sind jeweils auf der Eingabeseite des ECU 23 angeschlossen, welches jeweilige Detektionssignale von diesen Schaltern empfängt. Zusätzlich zu den oben genannten verschiedenen Sensoren und Schaltern sind viele Schalter und Sensoren (nicht gezeigt) auf der Eingabeseite des ECU 23 angeschlossen, dessen Ausgabeseite mit Kontrollleuchten, Teilen der Ausrüstung und dergleichen verbunden ist.
  • Gemäß Eingabesignalen, die von den betreffenden Sensoren und Schaltern zugeführt werden, bestimmt das ECU 23 Kraftstoffeinspritzmodus, Kraftstoffeinspritzmenge, Kraftstoffeinspritzung-Beendigungszeitpunkt, Zündzeitpunkt, EGR-Gaseinführungsmenge und dergleichen und steuert dann die Kraftstoffeinspritzventile 8, die Zündspule 34, das EGR-Ventil 10a und dergleichen.
  • Als nächstes wird eine herkömmliche Steuerung des Motors 1, die in einem Fall ausgeführt wird, wo eine Abgastemperaturanhebungssteuerung, die später beschrieben ist, nicht durchgeführt wird, kurz erklärt werden.
  • Bei dem Start des Motors, welcher in einem kalten Zustand ist, wählt das ECU 23 den Saughub-Einspritzmodus und steuert die Kraftstoffeinspritzung, um ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erhalten. Der Grund dafür ist, dass, da die Geschwindigkeit der Verdampfung von Kraftstoff klein ist, wenn der Motor in einem kalten Zustand ist, eine Fehlzündung und Emission von unverbrannten Kraftstoffkomponenten unvermeidlich sind, falls die Kraftstoffeinspritzung im Kompressionshub-Einspritzmodus durchgeführt wird. Außerdem schließt das ECU 23 das ABV-Ventil 50 während des Motorstarts. In diesem Fall wird Ansaugluft in die Verbrennungskammer 1a hinein geliefert durch Öffnungen zwischen der Drosselklappe 7 und der Umgebungswand des Ansaugrohrs 6 und durch den Überströmkanal, wo das Leerlaufsteuerventil 16 angeordnet ist. Übrigens werden das Leerlaufsteuerventil 16 und das ABV-Ventil 50 einheitlich durch das ECU 23 gesteuert und deren Ventilöffnungsgrade werden bestimmt entsprechend einer Einführungsmenge von Ansaugluft (Bypass- Luft), die, die Drosselklappe 7 überströmend, zu dem Motor zu liefern ist.
  • Nach dem Anlassen des Motors und bis die Kühlwassertemperatur Tw auf einen angegebenen Wert gestiegen ist, wählt das ECU 23 den Saughub-Einspritzmodus zur Kraftstoffeinspritzung, wie in dem Fall des Anlassens des Motors, und hält das ABV-Ventil 50 geschlossen. Außerdem, wie in dem Fall eines Motors mit Ansaugkrümmereinspritzung, wird eine Leerlaufgeschwindigkeitssteuerung ausgeführt durch Einstellen des Öffnungsgrads des Leerlauf-Steuerventils 16 entsprechend der Motorlast, welche mit einer Änderung des Betriebszustandes der Hilfsagreggate wie Klimaanlage größer oder kleiner wird. Das ABV-Ventil 50 wird bei Bedarf ebenfalls geöffnet. Wenn der O2-Sensor 17 seine Aktivierungstemperatur erreicht, startet das ECU 23 die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung gemäß der Ausgangsspannung des O2-Sensors 17, so dass schädliche Abgaskomponenten durch den Katalysator 9 gereinigt werden können. Wie in dem Obigen erklärt wird, wenn der Motor in einem kalten Zustand ist, die Kraftstoffeinspritzsteuerung auf eine Weise durchgeführt ähnlich der für den Motor mit Ansaugkrümmereinspritzung. Steuerreaktion und Steuergenauigkeit sind hoch in dem Motor 1 mit Direkteinspritzung, was keine Adhäsion von Kraftstofftropfen auf Innenwand-Oerflächen von Einlassöffnungen zur Folge hat.
  • Nach Beendigung des Aufwärmens des Motors 1 fragt das ECU 23 einen Kraftstoffeinspritzsteuerbereich zum gegenwärtigen Zeitpunkt aus dem Kraftstoffeinspritzsteuerkennfeld in 9 ab auf der Grundlage von Motordrehzahl Ne und wirksamen Zieldruck im Zylinder (Ziellast) Pe, bestimmt durch Drosselklappenöffnung θ th oder dergleichen. Dann werden ein Kraftstoffeinspritzmodus und eine Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt, welche für den gegenwärtigen Steuerbereich geeignet sind, und das Kraftstoffeinspritzventil 8 wird angesteuert. Zusätzlich wird eine Steuerung der Öffnungsgrade des ABV-Ventils 50 und des EGR-Ventils 45 ausgeführt.
  • Wenn zum Beispiel der Motor in einer Region mit niedriger Last und geringer Geschwindigkeit ist, z. B. zu der Zeit des Leerlaufbetriebs, wird der Motor in dem Kompressionshub-Mager einspritzbereich betrieben, der durch die schraffierte Fläche in 9 gezeigt wird. In diesem Fall wählt das ECU 23 den Kompressionshub-Einspritzmodus, steuert die Öffnungsgrade des ABV-Ventils 50 und des EGR-Ventils 10a entsprechend dem Motorbetriebszustand und steuert die Kraftstoffeinspritzung, um eine solche Menge von Kraftstoff einzuspritzen, damit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager gemacht wird (in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 20 bis 40). Die Ansaugluft, die durch die Einlassöffnung 2a in die Verbrennungskammer vor der Kraftstoffeinspritzung angesaugt wird, bildet eine umgekehrte Tumble-Strömung 80, wie durch den Pfeil in 10 gezeigt wird. Durch die Wirkung der umgekehrten Tumble-Strömung wird Kraftstoffnebel 81 in dem Hohlraum, der in dem Kolben ausgebildet ist, zurückgehalten. Folglich wird zum Zündzeitpunkt ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis um die Zündkerze 35 herum gebildet. Nach Beendigung des Aufwärmens des Motors ist die Verdampfungsgeschwindigkeit von Kraftstoff angehoben. Entsprechend wird dem eingespritzten Kraftstoff, selbst wenn das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis sehr mager gemacht worden ist (zum Beispiel ungefähr 50), ermöglicht, entflammt zu werden. Wegen des Motorbetriebs bei einem so mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird die Emission von CO und HC sehr klein und die Emission von NOx kann durch Abgasrückführung ebenfalls beschränkt werden, klein zu sein. Darüber hinaus wird durch Öffnen des ABV-Ventils 50 und des EGR-Ventils 10a, um große Mengen von Luft und Abgas zu liefern, der Pumpverlust verringert. Wegen des Betriebs bei dem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis zusammen mit der Reduktion des Pumpverlustes ist der Kraftstoffverbrauch im hohen Maße verbessert. Eine Leerlaufgeschwindigkeitssteuerung, die auf die Zunahme und Abnahme der Motorlast reagiert, wird durchgeführt durch Erhöhen oder Erniedrigen der Menge der Kraftstoffeinspritzung, so dass die Steuerreaktion ebenfalls sehr hoch ist.
  • In dem Kompressionshub-Einspritzmodus sollte der Kraftstoff, der von dem Einspritzventil 8 eingespritzt und durch die umgekehrte Tumble-Strömung von Ansaugluft überführt wurde, die Zündkerze 35 erreichen und sollte vor dem Zündzeitpunkt verdampfen, so dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird, welches leicht gezündet werden kann. Falls das gesamte oder mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich oder kleiner als 20 ist, wird ein zu fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch lokal um die Zündkerze herum gebildet, so dass eine so genannte fette Fehlzündung stattfindet. Andererseits, falls das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich oder größer 40 ist, übersteigt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine Magergrenze, so dass eine so genannte magere Fehlzündung die Neigung hat vorzukommen. Deshalb werden, wie unten erwähnt, der Startzeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung, der Beendigungszeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung und der Zündzeitpunkt genau gesteuert und das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird auf einen Wert eingestellt, der in den Bereich von 20 bis 40 fällt. Falls es notwendig ist, eine solche Menge von Kraftstoff zu liefern, damit das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner oder gleich 20 gemacht wird, wird auf den Saughub-Einspritzmodus gewechselt.
  • Wenn der Motor bei einer niedrigen oder mittleren Geschwindigkeit läuft, wird der Motor in dem Saughub-Magerbereich oder dem Stöchio-Rückkopplung-Bereich (stöchiometrischer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplung-Regelungsbereich) in 9 betrieben. In diesem Fall wählt das ECU 23 den Saughub-Einspritzmodus.
  • Genauer erläutert, wenn der Motorbetriebszustand, der durch mittleren wirksamen Druck Pe und Motordrehzahl Ne dargestellt wird, zu dem Saughub-Magerbereich gehört, wird der Saughub-Magereinspritzbereich gewählt, und der Öffnungsgrad des ABV-Ventils 50 und die Menge von Kraftstoffeinspritzung werden so gesteuert, dass ein relativ mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis (zum Beispiel ungefähr 20 bis 23) erhalten wird. In dem Saughub-Magereinspritzmodus bildet die Ansaugluft, die durch die Einlassöffnung 2a eintritt, eine umgekehrte Tumble-Strömung 80 in der Verbrennungskammer, wie in 11 gezeigt, um eine Turbulenzwirkung zu erzeugen. Deshalb wird durch Steuern des Startzeitpunktes für die Kraftstoffeinspritzung und des Beendigungszeitpunktes für die Kraftstoffeinspritzung die Entflammung des Gemischs mit einem solchen mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis ermöglicht.
  • Wenn der Motor in dem Stöchio-Rückkopplung-Bereich (S-FB-Bereich) arbeitet, wird der S-FB-Steuermodus gewählt und das EGR-Ventil 10a wird gesteuert, offen oder geschlossen zu sein, wobei das ABV-Ventil 50 geschlossen bleibt (die Steuerung des EGR-Ventils 10a wird nur vorgenommen, wenn der Motor in einem spezifizierten Bereich des S-FB-Bereichs arbeitet). Zusätzlich wird die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung gemäß der Ausgangsspannung des O2-Sensors 17 ausgeführt. In dem S-FB-Bereich wird eine größere Motorleistung erhalten aus dem Grund, dass der Motor bei einem hohen Kompressionsverhältnis arbeitet, und schädliche Abgaskomponenten werden durch den Katalysator 9 gereinigt, wobei die Emission von NOx durch Abgasrückführung verringert wird.
  • Wenn der Motor schnell beschleunigt wird oder mit einer hohen Geschwindigkeit läuft, gelangt man in den Steuerungsbereich mit offener Schleife in 9. Das ECU 23 wählt den Steuerungsmodus mit offener Schleife (Saughub-Einspritzmodus), schließt das ABV-Ventil 50 und kontrolliert die Kraftstoffeinspritzung gemäß Drosselklappenöffnung θ th, Motordrehzahl Ne und dergleichen, damit ein relativ fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch erhalten wird. Bei dieser Gelegenheit kann eine hohe Motorleistung erhalten werden aus den Gründen, dass das Kompressionsverhältnis hoch ist, ein Strom Ansaugluft eine umgekehrte Tumble-Strömung 80 bildet und ein Trägheitseffekt erreicht wird, da die Einlassöffnung 2a sich ungefähr nach oben erstreckt bezüglich der Verbrennungskammer 1a.
  • Zu der Zeit des Leerlaufmotorbetriebs, während der Motor mit einer mittleren oder hohen Geschwindigkeit läuft, gelangt man in den Kraftstoffabschaltungsbereich, wie in 9 gezeigt. Das ECU 23 stoppt die Kraftstoffeinspritzung vollständig, so dass der Kraftstoffverbrauch verbessert wird und die Emission von schädlichen Abgasbestandteilen verringert wird. Der Kraftstoffabschaltungsbetrieb wird sofort beendet, wenn die Motorgeschwindigkeit Ne kleiner als eine Rückstellgeschwindigkeit wird, oder wenn der Fahrer das Gaspedal drückt.
  • Als nächstes werden Verfahrensweisen einer Steuerung zum Anheben der Abgastemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt mit Bezug auf das Flussdiagramm, das in 12 gezeigt ist.
  • Die Steuerroutine zum Anheben der Abgastemperatur, die in 12 gezeigt ist, wird jedes Mal ausgeführt, wenn ein Kurbelwellenwinkelsignal SGT von dem Kurbelwellenwinkelsensor 21 ausgegeben wird, während die oben genannte normale Motorsteuerung ausgeführt wird.
  • Zuerst liest in Schritt S10 das ECU 23 verschiedene Motorbetriebszustandsgrößen ein, die durch verschiedene Sensoren jeweils detektiert wurden, wie die Katalysatortemperatur Tcc, Motorkühlwassertemperatur Tw, Ansaugluft-Strömungsgeschwindigkeit Qa, Drosselklappenöffnung θ th, Motordrehzahl Ne, atmosphärischer Druck Pa und Ansauglufttemperatur Ta. Dann macht der Prozess weiter mit Schritt 12, in welchem beurteilt wird, ob der Katalysator 9 in einem aktiven Zustand ist oder nicht, indem beurteilt wird, ob die Katalysatortemperatur Tcc, die durch den Katalysatortemperatursensor 26 detektiert wurde, eine Katalysatoraktivität-Unterscheidung-Temperatur Tcw übersteigt oder nicht, welche im Voraus beruhend auf einer unteren Grenztemperatur eingestellt wurde, über welcher der Katalysator aktiviert ist. Die Katalysatoraktivität-Unterscheidung-Temperatur Tcw wird auf einen Wert eingestellt, der z. B. gleich der Summe der unteren Grenztemperatur zur Katalysatoraktivierung und einem angegebenen Temperaturwert ist. In dem Fall des Mager-NOx-Katalysators 9a der vorliegenden Ausführungsform ist die untere Grenztemperatur zur Aktivierung des Katalysators ungefähr 400°C.
  • Bei der Katalysatoraktivität-Unterscheidung in Schritt S12 wird nicht nur die Bestimmung vorgenommen, oder die Katalysatortemperatur Tcc die Katalysatoraktivität-Unterscheidungstemperatur Tcw überschreitet oder nicht, sondern es kann auch eine weitere Bestimmung vorgenommen werden, ob eine Bedingung erfüllt wird, die Abgastemperaturanhebungssteuerung zu verhindern.
  • Die Bedingung zum Verhindern der Abgastemperaturanhebungssteuerung ist erfüllt, wenn eine oder beide der folgenden Anforderungen (1) und (2) nicht erfüllt werden:
    • (1) Motordrehzahl Ne nach Beendigung des Motorstarts übersteigt eine angegebene Motordrehzahl, oder eine Zeitdauer (zum Beispiel etwa vier Sekunden), die normalerweise benötigt wird, damit sich die Motordrehzahl stabilisiert hat, ist verstrichen von der Zeit an, wo der Motor gestartet wurde; und
    • (2) es gibt keine wesentliche Änderung in dem Betriebszustand des Luftmengen-Steuermittels (zum Beispiel der Öffnungsgrad der Drosselklappe) während der Abgastemperaturanhebungssteuerung.
  • Der Grund, warum die Abgastemperaturanhebungssteuerung verhindert wird, wenn sich der Betriebszustand des Luftmengen-Steuermittels ändert, ist wie folgt:
  • Wenn sich der Betriebszustand des Luftmengen-Steuermittels ändert in die Richtung Zunahme einer Luftliefermenge, wird damit angezeigt, dass ein beschleunigter Motorbetrieb gefordert wird. In diesem Fall wird die Menge der Kraftstoffeinspritzung erhöht und somit kann die Abgastemperatur angehoben werden, ohne dass die Abgastemperaturanhebungssteuerung vorgenommen wird. Andererseits, wenn der Betriebszustand des Luftmengen-Steuermittels sich in die Richtung Verringerung der Luftmenge ändert, während der Motor mit einer mittleren oder hohen Geschwindigkeit läuft, wird eine Kraftstoffabschaltungssteuerung durchgeführt, um dadurch die Lieferung eines Hauptkraftstoffes zu stoppen. In diesem Fall kann ein zusätzlicher Kraftstoff nicht verbrannt werden durch einfaches Liefern des zusätzlichen Kraftstoffes bei einem Versuch, die Abgastemperatur anzuheben. Außerdem kann, wenn der Motor in dem Kraftstoffabschaltungsbereich ist, ein verlangsamter Motorbetrieb, der eine Reaktion auf die Absicht des Fahrers ist, den Motor zu verlangsamen, nicht erreicht werden, wenn der Hauptkraftstoff und der zusätzliche Kraftstoff geliefert werden.
  • In dem Folgenden werden Erklärungen für den Fall gegeben, dass sowohl die Beurteilung für die Katalysatoraktivierungstemperatur als auch die Beurteilung für die Bedingung zum Verhindern der Abgastemperaturanhebungssteuerung in Schritt 12 vorgenommen werden.
  • Falls das Unterscheidungsergebnis in Schritt S12 bestä tigend ist (Ja), das heißt, wenn die Katalysatortemperatur Tcc höher als die Katalysatoraktivität-Unterscheidung-Temperatur Tcw ist, oder wenn die Bedingung zum Verhindern der Abgastemperaturanhebungssteuerung erfüllt wird, dann wird beurteilt, dass der Katalysator 9 in einem aktiven Zustand ist oder dass es nicht notwendig ist oder ungeeignet ist, die Abgastemperaturanhebungssteuerung vorzunehmen. In diesem Fall rückt der Prozess vor zu Schritt S14.
  • In Schritt S14 wird die zuvor genannte normale Motorsteuerung durchgeführt. Das heißt, nur die Hauptkraftstoffeinspritzung wird durchgeführt, wobei die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung verhindert wird. Genauer erläutert, die normale Motorsteuerung wird in dem Kompressionshub-Einspritzmodus oder in dem Saughub-Einspritzmodus entsprechend dem Motorbetriebszustand durchgeführt.
  • Andererseits, falls das Unterscheidungsergebnis in Schritt S12 negativ ist (Nein), das heißt, wenn die Katalysatortemperatur Tcc niedriger ist als die Katalysatoraktivität-Unterscheidungstemperatur Tcw und wenn die Bedingung zum Verhindern der Abgastemperaturanhebungssteuerung nicht erfüllt wird, wird beurteilt, dass der Katalysator 9 in einem inaktiven Zustand ist und die Abgastemperaturanhebungssteuerung zulässig ist, und daher wird die Steuerung zum Anheben der Abgastemperatur, wie unten ausführlich angegeben, ausgeführt.
  • Bei der Steuerung zum Anheben der Abgastemperatur wird die Hauptkraftstoffeinspritzung im Kompressions-Magermodus durchgeführt, und der Zündzeitpunkt wird gesteuert, dass er verzögert ist. Genauer erläutert, in Schritt S16 wird der Zündzeitpunkt θ RD aus einem Verzögerungskennfeld (nicht gezeigt) ausgelesen. Das Verzögerungskennfeld wird im Voraus auf der Grundlage von experimentellen Daten ähnlich den experimentellen Ergebnissen von 5 bis 7 erstellt und wird in dem Speicher des ECU 23 gespeichert. Genauer erläutert, der Zündzeitpunkt θ RD, der mit der Hauptkraftstoffeinspritzung verbunden ist, wird zu der Zeit der Abgastemperaturanhebungssteuerung ausgelesen aus dem Verzögerungskennfeld entsprechend Katalysatortemperatur Tcc, Zielabgastemperatur, Motorkühlwassertemperatur Tw und derglei chen. Weiter wird der so bestimmte Zündzeitpunkt einer Korrektur unterworfen entsprechend der Ansaugluftdichte, welche wiederum bestimmt wird entsprechend atmosphärischem Druck Pa und Ansauglufttemperatur Ta. Auf jeden Fall wird der Zündzeitpunkt θ RD auf einen geeigneten Wert eingestellt, der in den Bereich von 10° BTDC bis 5° ATDC als Kurbelwellenwinkel fällt.
  • Als nächstes wird in Schritt S18 beurteilt, ob die Kühlwassertemperatur Tw, die durch den Wassertemperatursensor 19 detektiert wird, kleiner als eine angegebene Unterscheidung-Temperatur Two (zum Beispiel 50°C) ist oder nicht.
  • Wie aus dem Vergleich zwischen 5 und 6 offensichtlich ist, ist es ratsam, dass, falls eine zweistufige Verbrennung durchgeführt wird, in welcher die Verbrennung des Hauptkraftstoffes gefolgt wird von der Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes, um die Abgastemperatur mit Hilfe der Zuführung von zusätzlichem Kraftstoff zu erhöhen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu der Zeit der Hauptkraftstoffeinspritzung auf einen so großen Wert in der Größenordnung von 40 einzustellen, um einen größeren Abgastemperaturanhebungseffekt zu erhalten. Wenn jedoch die Motortemperatur niedrig ist, kann eine stabile Verbrennung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von ungefähr 40 nicht erreicht werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn die Motortemperatur niedrig ist, ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF auf einen solchen Wert eingestellt, welcher ermöglicht, dass die Verbrennung von Hauptkraftstoff stabilisiert wird. Wenn die Motortemperatur nicht niedrig ist, wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF auf einen Wert eingestellt größer als der Wert zu der Zeit einer niedrigen Motortemperatur, um dadurch den Abgastemperaturanhebungseffekt zu verbessern. Außerdem wird das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF entsprechend dem Motorbetriebszustand geändert.
  • Genauer erläutert, in der vorliegenden Ausführungsform wird in einem Versuch, es einfacher zu machen, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF geeignet für die Motortemperatur einzustellen, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF zu der Zeit einer niedrigen Motortemperatur im voraus experimentell bestimmt für jeden Motorbetriebszustand (für jede Kombination von Motordrehzahl Ne und mittlerem effektiven Zieldruck Pe). Auf dieser Grundlage von so erhaltenen experimentellen Ergebnissen wird ein erstes Gemischabmagerungskennfeld (AF = f(Ne, Pe)) für niedrige Motortemperatur, gezeigt in 13, erstellt und wird in dem Speicher des ECU 23 gespeichert. Weiter wird ein zweites Gemischabmagerungskennfeld (14) für normale Motortemperatur wie in dem Fall des ersten Gemischabmagerungskennfeldes erstellt und wird in dem Speicher gespeichert. Eines der beiden Kennfelder wird entsprechend der Motorkühlwassertemperatur Tw ausgewählt.
  • Werte Cij (i = 1, 2, 3, ...; J = 1, 2, 3, ...) des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses AF in dem ersten Gemischabmagerungskennfeld sind eingestellt, dass sie kleiner sind als Werte Dij des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses AF in dem zweiten Gemischabmagerungskennfeld. Die Werte C und D mit den gleichen Subskripts ij werden in dem gleichen Motorbetriebszustand verwendet (außer der Kühlwassertemperatur Tw). Zum Beispiel wird C22 von dem ersten Gemischabmagerungskennfeld auf 30 eingestellt, und D22 von dem zweiten Gemischabmagerungskennfeld, verwendet in dem gleichen Motorbetriebszustand wie C22, wird auf 40 eingestellt.
  • Falls das Unterscheidungsergebnis in Schritt S18 positiv ist, das heißt, wenn die Kühlwassertemperatur Tw niedriger ist als die Unterscheidung-Temperatur Two, dann wird, in Schritt S20, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF aus dem ersten Gemischabmagerungskennfeld, wie in 13 gezeigt, auf der Grundlage von Ziellast Pe und Motordrehzahl Ne ausgelesen. Der mittlere effektive Zieldruck Pe, der mit einer von dem Fahrer gewünschten Motorleistung in Beziehung steht, kann dargestellt werden als eine Funktion von Drosselklappenöffnung θ th und Motordrehzahl Ne. In der vorliegenden Ausführungsform wird der mittlere effektive Zieldruck Pe, der zu der Zeit der Auslesung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus dem Gemischabmagerungskennfeld verwendet wird, aus einem mittleren effektiven Zieldruckkennfeld, nicht gezeigt, ausgelesen, das zuvor erstellt und in dem Speicher gespeichert wurde.
  • Falls das Unterscheidungsergebnis in Schritt S18 negativ ist, das heißt, wenn die Kühlwassertemperatur Tw gleich oder größer als die Unterscheidung-Temperatur Two ist, wird beurteilt, dass es keine Möglichkeit für eine unstabile Verbrennung gibt, und das Programm geht weiter zu Schritt S22, in welchem das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF aus dem zweiten Gemischabmagerungskennfeld, gezeigt in 14, auf der Grundlage von Ziellast Pe und Motordrehzahl Ne ausgelesen wird.
  • Entsprechend wird, falls die Motorkühlwassertemperatur Tw niedriger ist als die Unterscheidung-Temperatur Two, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF auf einen Wert Cij eingestellt, der kleiner ist als der Wert Dij zu der Zeit, wenn die Kühlwassertemperatur Tw gleich oder größer als die Unterscheidung-Temperatur Two ist, wodurch eine Hauptkraftstoffverbrennung stabilisiert werden kann.
  • Als nächstes, in Schritt S24, wird unter Verwendung der Auslesung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses AF aus dem ersten oder zweiten Gemischabmagerungskennfeld eine Hauptkraftstoffeinspritzzeit (Ventilöffnungszeit des Haupteinspritzventils 8) Tinjm berechnet entsprechend der folgenden Gleichung (M1): Tinjm = K × (Qa × γ/AF) × (Kwt × Kaf...) × Kg + TDEC (M1)worin K ein Umwandlungsfaktor (Konstante) ist zum Umwandeln der Hauptkraftstoffmenge in eine Ventilöffnungszeit; Qa ist eine volumetrische Ansaugluftströmungsgeschwindigkeit pro Saughub; γ ist eine Ansaugluftdichte; AF ist die Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Auslesung in Schritt S24; Kwt, Kaf... sind verschiedene Korrekturfaktoren, eingestellt entsprechend der Motorwassertemperatur Tw und dergleichen; Kg ist ein Verstärkungskorrekturfaktor für das Einspritzventil 8; TDEC ist ein Totzeitkorrekturfaktor, eingestellt entsprechend mittlerem effektiven Zieldruck Pe und Motordrehzahl Ne.
  • Im Anschluss an die Berechnung der Hauptkraftstoffeinspritzzeit Tinjm wird eine zusätzliche Kraftstoffeinspritz zeit Tinja in Schritt S26 berechnet gemäß der folgenden Gleichung (M2): Tinja = K × Qa × γ {(1/stöchimetrisches AF) – (1/AF)} × (Kwt × Kaf...) × Kg + TDEC (M2)worin stöchiometrisches AF das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14,7) anzeigt, und AF die Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Auslesung in Schritt S24 anzeigt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie aus Gleichung (M2) deutlich wird, die Einspritzzeit für den zusätzlichen Kraftstoff Tinja, d. h. die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge, im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Sauerstoffmenge eingestellt (Qa × γ {(1/stöchimetrisches AF) – (1/AF)}), welche in dem Zylinder nach der Hauptverbrennung zurückbleibt. Die so eingestellt Einspritzzeit wird entsprechend dem Motorbetriebszustand wie Motorkühlwassertemperatur Tw (entsprechend dem Korrekturfator Kwt und dergleichen) korrigiert. Das heißt, das Einstellen der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge wird auf eine solche Weise vorgenommen, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis für einen Zyklus für jeden Zylinder, welches Verhältnis bestimmt wird durch eine Gesamtkraftstoffeinspritzmenge (die Summe der Hauptkraftstoffeinspritzmenge und der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge) für einen Zyklus für jeden Zylinder und die Ansaugluftmenge Qa für einen Zyklus für jeden Zylinder, gleich einem gesamten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, welches bestimmt wird durch ein angegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (hier das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis), das geeignet ist zum Erhalten des Abgastemperaturanhebungseffektes, und den Motorbetriebszustand wie Kühlwassertemperatur Tw. Anders ausgedrückt, die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge wird so eingestellt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für einen Zyklus für jeden Zylinder gleich wird dem gesamten Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches um das angegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis herum variiert entsprechend dem Motorbetriebszustand. Um zum Beispiel die Hauptverbrennung stabil zu machen, wenn der Motor mit einer Geschwin digkeit von 1500 Upm läuft, ist es vorzuziehen, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen Wert einzustellen, welcher leicht in Richtung der magereren Seite bezüglich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verschoben ist (zum Beispiel ungefähr 15).
  • Im Anschluss an die Berechnung der Hauptkraftstoffeinspritzmenge und der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge werden die Hauptkraftstoffeinspritzung und die Zündung in Schritt S28 durchgeführt.
  • Es ist vorzuziehen, die Hauptkraftstoffeinspritzung zu dem Zeitpunkt zu beginnen, welcher erlaubt, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch die Nachbarschaft der Zündkerze in dem Moment erreicht, wo eine optimale Zündung stabil vorgenommen werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Startzeitpunkt für die Hauptkraftstoffeinspritzung bestimmt entsprechend des Zündzeitpunktes θ RD, der in Schritt S16 eingestellt wurde, durch Verweis auf ein Kennfeld, in welchem der Startzeitpunkt für die Hauptkraftstoffeinspritzung zuvor als eine Funktion des Zündzeitpunktes θ RD eingestellt wurde. Zu dem so eingestellten Startzeitpunkt für die Hauptkraftstoffeinspritzung in dem Kompressionshub wird das Kraftstoffeinspritzventil 8 angesteuert zum Öffnen, um dadurch die Einspritzung des Hauptkraftstoffes zu beginnen.
  • Als nächstes geht das Programm zu Schritt S30, in welchem die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird zu einem angegebenen Zeitpunkt in der mittleren Stufe des Expansionshubs. In Hinblick auf die experimentellen Ergebnisse, die in 5 bis 7 gezeigt sind, kann der Startzeitpunkt für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung auf einen speziellen Zeitpunkt, zum Beispiel 90° ATDC als Kurbelwellenwinkel, in der mittleren Stufe des Expansionshubs festgelegt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich der geeignetste Zeitpunkt zum Start der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung, bei welchem der größte Abgastemperaturanhebungseffekt erhältlich ist, ändert entsprechend der Motorbetriebsumgebungsbedingungen wie atmosphärischer Druck Pa und Ansauglufttemperatur Ta, der geeignetste Zeitpunkt zum Start der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung für jede Motorbetriebsumgebungsbedingung experimentell im Voraus festgelegt und ist in dem Speicher des ECU 23 in der Form eines Kennfeldes (nicht gezeigt) gespeichert. Durch Verweis auf das Kennfeld wird der geeignetste Zeitpunkt zum Start der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung festgelegt entsprechend dem atmosphärischen Druck Pa und dergleichen.
  • Das ECU 23 wartet auf das Eintreffen des so eingestellten Startzeitpunktes für die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung und treibt das Kraftstoffeinspritzventil 8 zum Öffnen an, um dadurch zusätzlichen Kraftstoff einzuspritzen. Zu der Zeit der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung bleibt in dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch-Abschnitt, der in der Verbrennungskammer 1a durch die Hauptkraftstoffeinspritzung gebildet wird, das Kaltflammen-Reaktionsprodukt immer noch zurück, welches eine Konzentration nahe der entzündbaren Konzentrationsgrenze aufweist. Dann wird neues Kaltflammen-Reaktionsprodukt gebildet von dem zusätzlichen Kraftstoff, der in die Hochtemperaturatmosphäre in dem Zylinder eingespritzt wird, so dass die Konzentration des gesamten Kaltflammen-Reaktionsproduktes, einschließlich dem übriggebliebenen Kaltflammen-Reaktionsprodukt und dem neuen Kaltflammen-Reaktionsprodukt, die entzündbare Konzentrationsgrenze überschreitet. Deshalb wird der zusätzliche Kraftstoff durch Selbstentzündung entflammt und die Verbrennung des zusätzlichen Kraftstoffes wird gestartet. Thermische Energie, die durch die zusätzliche Kraftstoffverbrennung produziert wird, hebt die Abgastemperatur sicher an, ohne dass sie für die Expansionsarbeit verschwendet wird.
  • In dem Folgenden wird ein System zum Anheben der Abgastemperatur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
  • Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform, in welcher anlässlich der Einstellung des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses AF zu der Zeit der Hauptverbrennung entweder das erste oder das zweite Gemischabmagerungskennfeld gewählt wird entsprechend der Beurteilung, ob die Motorkühlwassertemperatur Tw kleiner als die Unterscheidung-Temperatur Two ist, bestimmt die vorliegende Ausführungsform das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis AF zu der Zeit der Hauptverbrennung durch Bestimmen eines Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus einem Kennfeld ähnlich dem ersten und dem zweiten Gemischabmagerungskennfeld und Multiplizieren des Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit einem Korrekturfaktor KL, welcher in Abhängigkeit von der Wassertemperatur Tw variiert. Das heißt, das System zum Anheben der Abgastemperatur der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Prozess der Abgastemperaturanhebungssteuerung, und ist das gleiche wie die erste Ausführungsform in anderen Punkten.
  • Der Prozess der Abgastemperaturanhebungssteuerung der vorliegenden Ausführungsform wird erklärt mit Bezug auf das Flussdiagramm, das in 15 gezeigt wird.
  • Schritte S42 bis S46 und Schritte S54 bis S60 der Abgastemperaturanhebungssteuerroutine, gezeigt in 15, sind im Wesentlichen die gleichen wie Schritte S10 bis S16 bzw. Schritte S24 bis S30 des Flussdiagramms von 12, und die Beschreibung, was diese Schritte anbetrifft, wird teilweise ausgelassen werden.
  • In Schritt S40 liest das ECU23 verschiedene Motorbetriebszustandsgrößen ein, einschließlich Ziellast Pe zusätzlich zu Katalysatortemperatur Tcc, Kühlwassertemperatur Tw, Ansaugluftströmungsgeschwindigkeit Qa, Drosselklappenwinkel θ th, Motordrehzahl Ne, atmosphärischer Druck Pa, Ansauglufttemperatur Ta und dergleichen. Falls in Schritt 42 beurteilt wird, dass die Katalysatortemperatur Tcc niedriger ist als die Katalysatoraktivität-Unterscheidung-Temperatur Tcw und dass die Bedingung, die Abgastemperaturanhebungssteuerung zu verhindern, nicht erfüllt wird, wird der Zündzeitpunkt θ RD aus dem Verzögerungskennfeld ausgelesen in Schritt S46. Das Programm schreitet voran zu S48, wo ein Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Basis-AF) aus dem Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Kennfeld für die Abgastemperaturanhebungssteuerung gelesen wird. Dieses Kennfeld wird im Voraus auf eine ähnliche Weise festgelegt wie das erste Gemischabmagerungskennfeld in 13. Als nächstes, in Schritt S50, wird ein Korrekturfaktor KL gelesen aus einem Korrekturfak torkennfeld, das in 16 gezeigt wird. Der Korrekturfaktor KL wird verwendet, um das Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, gelesen in Schritt 48, entsprechend der Kühlwassertemperatur Tw zu korrigieren. In dem Korrekturfaktorkennfeld wird der Korrekturfaktor KL auf eine solche Weise eingestellt, dass er einen Wert von 1 in einem Wasser-Temperaturbereich annimmt, wo die Kühlwassertemperatur Tw gleich oder kleiner als eine voreingestellte Temperatur TW1 ist, entsprechend der Unterscheidung-Temperatur Two in der ersten Ausführungsform, und einen Wert annimmt, welcher zunimmt, wenn die Wassertemperatur Tw steigt, in einem Wasser-Temperaturbereich, wo die Wassertemperatur Tw die voreingestellte Temperatur TW1 übersteigt.
  • In Schritt S52 wird ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Ziel-AF) berechnet unter Verwendung des Basis-Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des Korrekturfaktors KL entsprechend der folgenden Gleichung (N1): Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis = (Basis-Ziel-Luft- Kraftstoff-Verhältnis) × (Korrekturfaktor KL) (N1)
  • Der Wert des Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird größer, wenn sich die Kühlwassertemperatur Tw über die voreingestellte Temperatur TW1 hinaus erhöht.
  • Als Nächstes, in Schritt S54 und danach, wird die gleiche Verarbeitung wie die in Schritt S24 und danach in dem Flussdiagramm in 12 durchgeführt.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die erste und zweite Ausführungsform und kann verschieden modifiziert werden.
  • Zum Beispiel wird in der zuvor genannten Abgastemperaturanhebungssteuerung die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge auf einen solchen Wert eingestellt, dass verursacht wird, dass das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis für einen Zyklus für jeden Zylinder, das erhalten wird, wenn die Hauptkraftstoffeinspritzung und die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in Folge durchgeführt werden, gleich wird dem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches um ein angegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis herum (vorzugsweise dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis) in Abhängigkeit von dem Motorbetriebszustand variiert. Es ist jedoch nicht wesentlich, die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge mittels des gerade genannten Einstellverfahrens einzustellen. In einigen Fällen kann das gesamte Luft-Kraftstoff-Verhältnis für einen Zyklus für jeden Zylinder kleiner oder größer sein als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Außerdem kann die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge fest auf eine konstante Einspritzmenge eingestellt werden, solange ermöglicht wird, dass der zusätzliche Kraftstoff verbrannt wird.
  • In der oben genannten Abgastemperaturanhebungssteuerung wird der Zündzeitpunkt in Hinblick auf den Hauptkraftstoff bezüglich des Zündzeitpunktes für den normalen Motorbetrieb verzögert, um dadurch eine langsame Verbrennung durchzuführen, wodurch die Konzentration des Kaltflammenproduktes, welches in dem Zylinder in einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs zurückbleibt, auf einen Wert nahe der entzündbaren Konzentrationsgrenze gesteuert wird. Jedoch ist es nicht wesentlich, den Zündzeitpunkt, der mit dem Hauptkraftstoff assoziiert ist, in der Abgastemperaturanhebungssteuerung zu verzögern. Zum Beispiel ist es auch effektiv, einfach das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager zu machen zu der Zeit der Hauptverbrennung in dem Ausmaß, dass es einen Wert gleich oder größer als 35 aufweist. In diesem Fall wird der Hauptkraftstoff langsam verbrannt, und die Konzentration des Kaltflammen-Reaktionsproduktes in einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe eines Expansionshubs wird auf einen Wert nahe der entzündbaren Konzentrationsgrenze gesteuert.
  • Um die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung zu bewirken, ist es nicht zwangläufig notwendig, die Einspritzung auf einmal durchzuführen. Die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung kann aufgeteilt werden und mehrmals vorgenommen werden.
  • Außerdem kann die zusätzliche Kraftstoffeinspritzung für alle Zylinder durchgeführt werden, oder sie kann nur für einen oder mehrere spezielle Zylinder vorgenommen werden.
  • In den vorhergehenden Ausführungsformen ist festgelegt, dass die Abgastemperaturanhebungssteuerung vorgenommen werden sollte, wenn die Katalysatortemperatur Tcc, die durch den Katalysatortemperatursensor 26 detektiert wird, kleiner ist als die Katalysatoraktivität-Unterscheidung-Temperatur Tcw. Alternativ dazu ist es möglich, die Katalysatortemperatur beruhend auf assoziierten Signalen von verschiedenen Sensoren zum Detektieren des Motorbetriebszustandes abzuschätzen und die Abgastemperaturanhebungssteuerung durchzuführen, wenn die so abgeschätzte Katalysatortemperatur niedriger ist als die Katalysatoraktivität-Unterscheidung-Temperatur. Außerdem ist möglich es, um die Steuerung einfach zu machen, die Abgastemperaturanhebungssteuerung durchzuführen, wenn die Motortemperatur (Kühlwassertemperatur), die durch Motortemperaturdetektionsmittel nach dem Anlassen des Motors detektiert wird, eine eingestellte Temperatur übersteigt, oder wenn durch Ablaufzeit-Detektionsmittel detektiert wird, dass ein variabler oder fest vorherbestimmter Zeitraum, der z. B. entsprechend der Wassertemperatur zu der Zeit des Anlassens des Motors eingestellt ist, abgelaufen ist von der Zeit an, wenn der Motor gestartet wurde.
  • Weiterhin ist es möglich, die Abgastemperaturanhebungssteuerung für einen angegebenen Zeitraum auszuführen, wenn der Motor in einem Zustand betrieben wird, wo der Katalysator inaktiv werden kann, so dass irgendeine der folgenden Bedingungen (1) bis (3) erfüllt wird:
    • (1) wenn die Motordrehzahl eine angegebene Motordrehzahl nach dem Anlassen des Motors überschritten hat, oder wenn ein bestimmter Zeitraum, der erforderlich ist, damit sich die Motordrehzahl stabilisiert, verstrichen ist seit dem Anlassen des Motors;
    • (2) die Motorsteuerung in dem geschichteten Verbrennungsmodus wird gerade durchgeführt, und ein stationärer Motorbetrieb, in welchem der Drosselklappenöffnunggrad sich nicht großartig ändert, wird gerade durchgeführt;
    • (3) der Leerlaufbetrieb nach Rückstellung aus dem Kraftstoffabschaltungsbereich wird gerade durchgeführt.
  • In der ersten Ausführungsform wird, wenn der Katalysator inaktiv ist, das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgelesen aus einem ersten oder zweiten Gemischabmagerungskennfeld entsprechend der Wassertemperatur, und dann werden die Hauptkraft stoffeinspritzmenge und dergleichen auf eine solche Weise eingestellt, dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhalten werden kann. Alternativ dazu ist es möglich, das Verhältnis der Hauptkraftstoffeinspritzmenge zu der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzmenge entsprechend Wassertemperaturinformationen einzustellen, ohne Verwendung des Kennfeldes. Das heißt, falls die Wassertemperatur niedrig ist, kann die Hauptkraftstoffeinspritzmenge erhöht werden, um die Hauptverbrennung zu stabilisieren, während die zusätzliche Kraftstoffeinspritzmenge so erhöht werden kann, dass ein Gesamtzeitraum verkürzt wird, der erforderlich ist, damit der Katalysator aktiviert wird, falls die Wassertemperatur hoch ist.
  • Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims (7)

  1. Ein System zur Steigerung der Abgastemperatur für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, das angepasst ist, um einen Hauptkraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer aus einem Kraftstoffeinspritzventil heraus einzuspritzen und den eingespritzten Hauptkraftstoff zur mageren Verbrennung fremdzuzünden, gekennzeichnet durch: ein Motorsteuermittel zum Steuern eines Motorsteuerparameters, so dass die Konzentration eines Kaltflammen-Reaktionsproduktes, das während eines Prozesses der Verbrennung des Hauptkraftstoffes produziert wird und in der Verbrennungskammer in einer mittleren Stufe oder einer nachfolgenden Stufe des Expansionshubs zurückbleibt, sich einer entzündbaren Konzentrationsgrenze nähert, wenn der Motor in einem Betriebszustand ist, in welchem es erforderlich ist, eine Abgastemperatur zu erhöhen, indem das Motorsteuermittel eine Hauptkraftstoffeinspritzung in einem Kompressionsmagermodus durchführt, wobei das Motorsteuermittel folgendes einschließt: ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuermittel zum Einstellen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu der Zeit der Verbrennung des Hauptkraftstoffes auf einen Wert, welcher gleich oder größer als 25 ist, ein Zündzeitpunkt-Einstellmittel zum Einstellen eines Zündzeitpunktes, zu welchem der Hauptkraftstoff gezündet wird, auf einen Wert, der in einem Bereich von 10° vor dem oberen Kompressionstotpunkt bis 5° nach dem oberen Kompressionstotpunkt als Kurbelwellenwinkel liegt, und wobei ein Haupteinspritzungszeitpunkt als eine Funktion des Zündzeitpunktes so eingestellt wird, dass ermöglicht wird, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch die Nähe der Zündkerze in dem Moment erreicht, zu welchem eine optimale Zündung stabil vorgenommen werden kann; und ein zusätzliches Kraftstoffsteuermittel zum Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil heraus während der mittleren Stufe oder der nachfolgenden Stufe des Expansionshubs, so dass die Konzentration eines gesamten Kalt flammen-Reaktionsproduktes, einschließlich dem Kaltflammen-Reaktionsprodukt, das in der Verbrennungskammer zurückbleibt, und einem Kaltflammen-Reaktionsprodukt, das durch eine Kaltflammenreaktion des zusätzlichen Kraftstoffes neu gebildet wird, die entzündbare Konzentrationsgrenze überschreitet, wenn die Steuerung des Motorsteuerparameters durch das Motorsteuermittel vorgenommen wird, wodurch eine Abgasreinigungsvorrichtung, die in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordnet ist, in der Temperatur erhöht wird.
  2. Das System zur Steigerung der Abgastemperatur gemäß Anspruch 1, worin das Motorsteuermittel ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuermittel einschließt zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zur Zeit der Verbrennung des Hauptkraftstoffes auf einen Wert, welcher gleich oder größer als 35 ist.
  3. Das System zur Steigerung der Abgastemperatur gemäß Anspruch 1, worin das Motorsteuermittel mindestens eines der folgenden Mittel: Zündzeitpunkt-Einstellmittel und Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuermittel einschließt, und worin das Motorsteuermittel einen Zündzeitpunkt, zu welchem der Hauptkraftstoff gezündet wird, auf einen Wert auf einer Verzögerungsseite bezüglich eines Zündzeitpunktes steuert zu einer Zeit, wenn der Motor nicht in dem Betriebszustand ist, wo es erforderlich ist, die Abgastemperatur zu erhöhen, oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das mit dem Hauptkraftstoff verbunden ist, auf einen Wert auf einer Kraftstoff-magereren Seite bezüglich eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses steuert zu der Zeit, wenn der Motor nicht in dem Betriebszustand ist, wo es erforderlich ist, die Abgastemperatur zu erhöhen.
  4. Das System zur Steigerung der Abgastemperatur gemäß Anspruch 3, worin, wenn der Motor nicht in dem Betriebszustand ist, wo es erforderlich ist, die Abgastemperatur zu erhöhen, der Motor in einem Saughub-Magermodus betrieben wird, in welchem ein Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein erstes Luft-Kraftstoff- Verhältnis auf einer Kraftstoff-magereren Seite bezüglich eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eingestellt wird und in welchem Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil hauptsächlich während des Saughubs eingespritzt wird, oder der Motor wird in einem Kompressionshub-Magermodus betrieben, in welchem das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein zweites Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Kraftstoff-magereren Seite bezüglich des ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eingestellt wird und in welchem Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil hauptsächlich während des Kompressionshubs eingespritzt wird.
  5. Das System zur Steigerung der Abgastemperatur gemäß Anspruch 1, worin das zusätzliche Kraftstoffsteuermittel einen Startzeitpunkt der Einspritzung des zusätzlichen Kraftstoffes auf einen Wert einstellt, der in einem Bereich von 70° bis 110° nach dem oberen Kompressionstotpunkt als Kurbelwellenwinkel liegt.
  6. Das System zur Steigerung der Abgastemperatur gemäß Anspruch 1, worin das Motorsteuermittel ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das verbunden ist mit dem Hauptkraftstoff, gemäß der Motortemperatur einstellt.
  7. Das System zur Steigerung der Abgastemperatur gemäß Anspruch 1, worin das zusätzliche Kraftstoffsteuermittel eine Einspritzmenge des zusätzlichen Kraftstoffes einstellt, so dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, berechnet aus einer Gesamtkraftstoffeinspritzmenge für einen Zyklus, welche gleich einer Summe einer Einspritzmenge des Hauptkraftstoffes und der Einspritzmenge des zusätzlichen Kraftstoffes ist, und einer Menge von Ansaugluft für einen Zyklus, gleich einem Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird, welches in Abhängigkeit von der Betriebsbedingung des Motors um ein angegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis variiert, das geeignet ist, die Abgastemperatur wirksam zu erhöhen.
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