DE69809335T2

DE69809335T2 - Dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69809335T2
Application number: DE69809335T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Yanagihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2018-06-18
Also published as: EP0886050B1; JP4019484B2; EP0886050A3; US6182632B1; DE69809335D1; EP0886050A2; JPH1172038A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Motor mit Kompressionszündung.

2. Beschreibung des Stand der Technik

In einem Motor mit Kompressionszündung hat der Verteilungsgrad des in die Verbrennungskammer eingespritzten Kraftstoffes eine bedeutende Wirkung auf die Verbrennung. Das heißt, dass, wenn der Kraftstoff über die Verbrennungskammer verteilt wird, die pro Einheit erzeugte Wärmemenge weniger wird, so dass die Verbrennungstemperatur niedriger wird und daher weiche Verbrennung ohne der Erzeugung von NOx erreicht wird. Des Weiteren wird, da ausreichend Sauerstoff um die Kraftstoffpartikel vorhanden ist, Ruß ebenfalls nicht länger erzeugt. Daher ist im Stand der Technik ein Motor mit Kompressionszündung bekannt, der konstruiert ist, um Kraftstoff während des Kompressionshubs bevor 60 Grad vor dem Totpunkt einzuspritzen (siehe japanische Offenlegungsschrift (Kokai) No. 7-317588).
Das heißt, dass, wenn der Druck in der Verbrennungskammer hoch wird, der Luftwiderstand größer wird, so dass der eingespritzte Kraftstoff Schwierigkeiten hat, sich über die gesamte Verbrennungskammer zu verteilen. Daher wurde dieser Motor mit Kompressionszündung konstruiert, um den Kraftstoff bevor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt beim Kompressionshub einzuspritzen, wobei der Druck in der Verbrennungskammer niedrig ist.
Wenn bewirkt wird, dass der eingespritzte Kraftstoff überall in der Verbrennungskammer auf diese Weise verteilt wird, wird weiche Verbrennung ohne der Erzeugung von NOx oder Kohlenwasserstoffen erreicht, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge klein ist. Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge größer wird, beginnt jedoch die Kraftstoffzündung früh, sogar wenn versucht wird zu bewirken, dass der eingespritzte Kraftstoff sich überall in der Verbrennungskammer verteilt. Wenn der Kraftstoff einmal früh zündet, steigt die Temperatur in der Verbrennungskammer, so dass der Kraftstoff noch früher zündet. Folglich wird die Verbrennung schrittweise intensiver, wobei nicht nur Klopfen auftritt, sondern auch große Mengen an NOx und Ruß erzeugt werden.
Auf diese Weise kann in dem vorstehenden Motor mit Kompressionszündung der Zündzeitpunkt nicht länger auf den Zündzeitpunkt, der eine weiche Verbrennung ermöglicht, eingeregelt werden, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge größer wird. Wenn es möglich ist, den Zündzeitpunkt auf den Zündzeitpunkt einzuregeln, der in diesem Fall weiche Verbrennung ermöglicht, dann wäre es möglich eine weiche Verbrennung mit geringer Erzeugung von NOx und Ruß zu erreichen.
US-A-4543930 offenbart einen Dieselmotor mit 5% Voreinspritzung bei 40º, 60º, 80º BTDC, was zu einer Verbrennung von Voreinspritzkraftstoff führt, die gut vor TDC beginnt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit Kompressionszündung vorzusehen, der fähig ist, den Zündzeitpunkt auf einen Zündzeitpunkt einzuregeln, der eine weiche Verbrennung ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Motor mit Kompressionszündung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung könnte vollständiger aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nachstehend dargelegt ist, zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
Fig. 1 eine Gesamtansicht eines Motors mit Kompressionszündung ist;
Fig. 2A und 2B und Fig. 3A und 3B Ansichten von unterschiedlichen Einspritzzeitpunktbereichen sind;
Fig. 4 eine Ansicht der Druckänderung der Verbrennungskammer ist.
Fig. 5 eine Ansicht des Bereichs des Kompressionsverhältnisses eines Motors ist;
Fig. 6A und 6B Ansichten des Einspritzzeitpunktes sind;
Fig. 7A bis 7C Pläne der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q usw. sind; und
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm der Einspritzsteuerung ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bezugnehmend auf Fig. 1 bezeichnet 1 einen Motorblock, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Verbrennungskammer, 6 eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung, 7 ein Einlassventil, 8 einen Einlassanschluss, 9 ein Auslassventil und 10 einen Auslassanschluss. Der Einlassanschluss 8 ist durch eine korrespondierende Einlassleitung 11 mit einem Ausgleichsbehälter 12 verbunden. Der Ausgleichsbehälter 12 ist mit einem Kompressor eines Abgasturboladers 14 durch einen Einlasskanal 13 verbunden. Andererseits ist der Abgaskanal 10 durch einen Abgaskrümmer 16 und eine Abgasleitung 17 an eine Abgasturbine 18 des Abgasturboladers 14 verbunden.
Der Abgaskrümmer 16 und der Ausgleichsbehälter 12 sind miteinander durch einen Abgasrückführ- (nachstehend als "EGR" bezeichnet) Kanal 19 verbunden. In dem EGR-Kanal 19 ist ein elektrisch gesteuertes bzw. geregeltes EGR-Steuerventil 20 angeordnet. Die Kraftstoffeinspritzungen 6 sind durch die Kraftstoffzufuhrleitungen 21 mit einem Kraftstofftank verbunden, das heißt eine sogenannte gemeinsame Leitung 22 (Common Rail). Die gemeinsame Leitung 22 wird mit Kraftstoff von einer elektrisch gesteuerten variablen Kraftstoffförderpumpe 23 versorgt. Der Kraftstoff, der in die gemeinsamen Leitung 22 geleitet wird, wird durch die Kraftstoffzufuhrleitungen 21 zu den Kraftstoffeinspritzungen 6 geleitet. Die gemeinsame Leitung 22 ist mit einem Kraftstoffdrucksensor 24 zum Ermitteln des Kraftstoffdrucks in der gemeinsamen Leitung 22 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 25 wird verwendet, um die Förderung der Kraftstoffpumpe 23 zu steuern, so dass der Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Leitung 22 der Sollkraftstoffdruck wird.
Eine elektronische Steuereinheit 30 besteht aus einem digitalen Computer und ist mit einem Read Only Memory (ROM) 32, einem Random Access Memory (RAM) 33, einem Mikroprozessor (CPU) 34, einem Eingangsanschluss 35 und einem Ausgangsanschluss 36 versehen, die miteinander durch einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 24 wird durch einen korrespondierenden AD-Wandler 37 zu dem Eingangsanschluss 35 eingegeben. Ein Gaspedal 40 hat an es einen Kraftsensor 41 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung angeschlossen, die proportional zu der Stellung L des Gaspedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Kraftsensors 41 wird durch einen korrespondierenden AD-Wandler 37 zu dem Eingangsanschluss 35 eingegeben. Des Weiteren ist mit dem Eingangsanschluss 35 ein Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der einen Ausgangsimpuls zum Beispiel bei jeder 30º-Drehung der Kurbelwelle erzeugt. Auf der anderen Seite ist der Ausgangsanschluss 36 durch eine korrespondierende Ansteuerung 38 mit den Kraftstoffeinspritzungen 6, dem EGR-Steuerventil 20 und der Kraftstoffpumpe 23 verbunden.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht, um den eingespritzten Kraftstoff so gleichmäßig wie möglich in der Verbrennungskammer 5 verteilt zu bekommen, die Kraftstoffeinspritzung 6 aus einer Düse, die eine große Anzahl an Düsenöffnungen hat. Wenn eine solche Kraftstoffeinspritzung 6 verwendet wird, um den eingespritzten Kraftstoff in der Verbrennungskammer 5 zu verteilen, wurde gelernt, dass abhängig von der Einspritzmenge und dem Einspritzzeitpunkt, es Fälle gab, in denen der eingespritzte Kraftstoff brennen würde, und Fälle, in denen der eingespritzte Kraftstoff nicht brennen würde. Daher wird dies zuerst unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B sowie Fig. 3A und 3B erklärt werden.
In Fig. 2A und 2B sowie Fig. 3A und 3B stellt die Ordinate den Kurbelwinkel dar, während die Abszisse die Motordrehzahl N darstellt. Des Weiteren zeigt Fig. 2A den Fall der Kraftstoffeinspritzung bei einer Menge von 5% der maximalen Einspritzmenge, wobei Fig. 2B den Fall der Kraftstoffeinspritzung bei einer Menge von 10% der maximalen Einspritzmenge zeigt, wobei Fig. 3A den Fall der Kraftstoffeinspritzung bei einer Menge von 20% der maximalen Einspritzmenge zeigt und wobei Fig. 3B den Fall der Kraftstoffeinspritzung bei einer Menge von über 30% der maximalen Einspritzmenge zeigt.
Des Weiteren stellt, in Fig. 2A und 2B sowie Fig. 3A und 3B, I einen Einspritzzeitpunktbereich dar, in dem normale Verbrennung wie in der Vergangenheit auftritt, wenn Kraftstoff bei einem Einspritzzeitpunkt in dem Bereich eingespritzt wird, II zeigt einen Einspritzzeitpunktbereich, in dem keine Verbrennung auftritt, wenn Kraftstoff bei einem Einspritzzeitpunkt in dem Bereich eingespritzt wird und III zeigt einen Einspritzzeitpunktbereich, in dem nahezu kein NOx oder Ruß erzeugt wird, wenn Kraftstoff bei einem Einspritzzeitpunkt in dem Bereich eingespritzt wird.
Ob eingespritzter Kraftstoff verbrennt oder nicht hängt von der Dichte der Kraftstoffpartikel und der Temperatur der Kraftstoffpartikel ab. Einfacher gesagt, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel verhältnismäßig niedrig ist, tritt Verbrennung auf, wenn die Temperatur der Kraftstoffpartikel hoch ist, und tritt nicht auf, wenn die Temperatur der Kraftstoffpartikel niedrig ist. Demgegenüber tritt, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, Verbrennung unabhängig von der Temperatur der Kraftstoffpartikel auf.
Auf diese Weise tritt Verbrennung unabhängig von der Temperatur der Kraftstoffpartikel auf, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, wobei aber die Verbrennung zu dem Zeitpunkt explosiv ist und eine große Menge an NOx und eine große Menge an Ruß erzeugt. Das heißt, dass der eingespritzte Kraftstoff eine chemischen Reaktion durchläuft, wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 mehr als 700ºK beträgt. Bevor ungefähr 30 Grad BTDC ist die Temperatur der Verbrennungskammer 5 weniger als 700ºK, daher verteilt sich, wenn der Kraftstoff bevor 30 Grad BTDC eingespritzt wird, der eingespritzte Kraftstoff in der Verbrennungskammer 5 ohne eine chemische Reaktion zu durchlaufen. Als nächstes verbindet sich, wenn der Kolben 4 steigt und die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 höher als eine bestimmte Temperatur wird, der verdampfte Kraftstoff um den Kraftstoffpartikeln mit Sauerstoff. Detaillierter erläutert, werden die Endkohlenstoffe der geraden Kohlenstoffketten durch die Sauerstoffradikale angegriffen, was in der Bildung von Aldehydgruppen an den Enden der geraden Kohlenwasserstoffketten resultiert, wobei dann die Aldehydgruppen Hydroxydgruppen werden.
Wenn die Kraftstoffpartikel zu diesem Zeitpunkt nahe zusammenkommen, das heißt, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, erhalten die Kraftstoffpartikel die Oxidationswärme des verdampften Kraftstoffes der die Kraftstoffpartikel umgibt und werden in der Temperatur erhöht. Folglich werden die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffpartikeln in Wasserstoffmoleküle H&sub2; und Kohlenstoff C geteilt. Die Wasserstoffmoleküle H&sub2;, die durch thermischen Zerfall erzeugt werden, verbrennen explosiv und erzeugen eine hohe Temperatur, wodurch NOx erzeugt wird. Andererseits, wenn Kohlenstoff C durch den thermischen Zerfall erzeugt wird, verbinden sich die Kohlenstoffatome miteinander und ein Teil wird als Ruß abgegeben. Auf diese Weise wird, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, sogar wenn die Kraftstoffpartikel in der Verbrennungskammer 5 ohne eine chemische Reaktion zu durchlaufen verteilt werden können, NOx und Ruß durch den thermischen Zerfall der Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffpartikeln erzeugt.
Auf der anderen Seite durchläuft, wenn der Kraftstoff nach ungefähr 30 Grad BTDC eingespritzt wird, der eingespritzte Kraftstoff unmittelbar eine chemischen Reaktion, wobei die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffpartikeln durch die Wärme aufgespalten werden. Folglich wird NOx und Ruß erzeugt. Das heißt, dass, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, in anderen Worten, wenn es eine große Menge eingespritzten Kraftstoffes gibt, NOx und Ruß auf jeden Fall erzeugt wird, wenn der Kraftstoff eingespritzt wird.
Diesem gegenüber ist, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig ist, die Situation völlig anders. Daher wird nachstehend eine Erklärung der Verbrennung gegeben werden, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig ist, das heißt, wenn die Menge an eingespritztem Kraftstoff niedriger als 30% der maximalen Einspritzmenge ist und die Kraftstoffpartikel zum Verteilen gebracht werden, das heißt, der Fall, indem Kraftstoff im Einspritzzeitpunktbereich III von Fig. 2A, 2B, 3A und 3B eingespritzt wird.
Die Kurve von Fig. 4 zeigt die Änderung des Drucks P in der Verbrennungskammer 5 durch genau den Kompressionsvorgang des Kolbens 4. Wie aus Fig. 4 zu verstehen, steigt der Druck P in der Verbrennungskammer 5 schnell, wenn ungefähr 60 Grad BTDC überschritten sind. Dies ist unabhängig von dem Zeitpunkt der Öffnung des Eingangsventils 7. Der Druck P in der Verbrennungskammer 5 ändert sich, wie in Fig. 4 gezeigt, in allen Typen von Kolbenverbrennungskraftmaschinen. Wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 groß wird, wird der Luftwiderstand groß, so dass der eingespritzte Kraftstoff nicht über einen weiten Bereich verteilt werden wird. Um den eingespritzten Kraftstoff über einen weiten Bereich zu verteilen, ist es notwendig, den Kraftstoff einzuspritzen, wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 niedrig ist.
Wie in Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt, liegt der Einspritzzeitpunktbereich III bei ungefähr 50 Grad BTDC. Daher verteilen sich, wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich III eingespritzt wird, die Kraftstoffpartikel über einen weiten Bereich. Des Weiteren wird, da die eingespritzte Kraftstoffmenge weniger als 30% der maximalen Einspritzmenge beträgt, die Dichte der Kraftstoffpartikel in der Verbrennungskammer verhältnismäßig niedrig.
Wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel auf diese Weise niedrig wird, wird der Raum zwischen den Kraftstoffpartikeln größer. Daher erhalten, wenn der verdampfte Kraftstoff um den Kraftstoffpartikeln sich mit Sauerstoff verbindet, die Kraftstoffpartikel nicht viel Oxidationswärme des die Kraftstoffpartikel umgebenden verdampften Kraftstoffes, wobei daher die Kraftstoffpartikel nicht durch die Wärme aufgespalten werden. Folglich wird fast kein Wasserstoffmolekül H&sub2; oder Kohlenstoff C erzeugt. Als nächstes beginnt, wenn der Kompressionshub fortfährt und die Temperatur der Kraftstoffpartikel höher wird, der verdampfte Kraftstoff der Kraftstoffpartikel im Wesentlichen gleichzeitig zu verbrennen.
Wenn der verdampfte Kraftstoff der Kraftstoffpartikel im Wesentlichen gleichzeitig auf diese Weise zu verbrennen beginnt, wird es keine lokalen hohen Temperaturen geben. Des Weiteren fällt, da die Kraftstoffpartikel verteilt sind, die Wärmemenge, die pro Volumeneinheit erzeugt wird. Folglich fällt die Verbrennungstemperatur als ein Ganzes, wobei daher weiche Verbrennung ohne Erzeugung von NOx erreicht wird. Des Weiteren wird, da ausreichend Luft um den Kraftstoffpartikeln vorhanden ist, auch Ruß nicht länger erzeugt.
Wie vorstehend erläutert, zeigen Fig. 2A, 2B und 3A Fälle, in denen die eingespritzte Kraftstoffmengen 5%, 10% und 20% der maximalen eingespritzten Kraftstoffmenge sind. Wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich III zu diesem Zeitpunkt eingespritzt wird, wird weiche Verbrennung ohne Erzeugung von NOx oder Ruß erreicht. Des Weiteren zeigt Fig. 3B den Fall, in dem die eingespritzte Kraftstoffmenge über 30% der maximalen Kraftstoffeinspritzmenge ist. Wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich III eingespritzt wird, kann weiche Verbrennung ohne Erzeugung von NOx oder Ruß bis zu einer Kraftstoffeinspritzmenge von ungefähr 50% der maximalen Einspritzmenge erreicht werden. Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge ungefähr 50% der maximalen Einspritzmenge überschreitet, ist die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch, sogar wenn die Kraftstoffpartikel verteilt sind, so dass NOx und Ruß erzeugt werden.
Daher kann, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge weniger als ungefähr 50% der maximalen Einspritzmenge beträgt, weiche Verbrennung ohne Erzeugung von NOx und Ruß erreicht werden, wenn der Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich III eingespritzt wird.
Wie in den Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt, ist der späteste Einspritzzeitpunkt des Einspritzzeitpunktbereichs III, das heißt, in Fig. 2A, 2B und 3A, die Grenze Y zwischen dem Einspritzzeitpunktbereich III und dem Einspritzzeitpunktbereich II und, in Fig. 3B, die Grenze XY zwischen dem Einspritzzeitpunktbereich III und dem Einspritzzeitpunktbereich I, im Wesentlichen die gleiche unabhängig von der Einspritzmenge. Das heißt, dass die Grenzen Y und XY nahe 50 Grad BTDC sind, wenn die Motordrehzahl N 600 Umdrehungen pro Minute beträgt. Je höher die Motordrehzahl N wird, desto mehr werden sie zu dem unteren Totpunkt des Kompressionshubs versetzt. Wenn die Motordrehzahl N 4000 Umdrehungen pro Minute beträgt, werden sie ungefähr 90 Grad BTDC. Das heißt, dass es eine Zeit für den eingespritzten Kraftstoff erfordert, um sich zu verteilen, wobei es daher notwendig ist, um den eingespritzten Kraftstoff verteilt zu bekommen, das heißt, die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig zu machen, den Einspritzzeitpunkt desto früher zu setzen je höher die Motordrehzahl N ist. Des Weiteren, je höher die Motordrehzahl N ist, je kürzer die Zeit zum Heizen der Kraftstoffpartikel ist, ist es daher, um den Kraftstoffpartikeln ausreichend für die Zündung der Kraftstoffpartikel erforderliche Wärme zu geben, notwendig, den Einspritzzeitpunkt desto früher zu setzen, je höher die Motordrehzahl N ist. Wie in Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt, werden daher die Grenzen X und XY zu dem unteren Totpunkt des Kompressionshubs versetzt, wenn die Motordrehzahl N steigt.
Es ist anzumerken, dass die Grenzen X und XY in der Praxis nicht so klar erscheinen, wie in Fig. 2A, 2B, 3A und 3B gezeigt, wobei daher die Grenzen X und XY die ungefähren Zeitpunkte des letzten Einspritzzeitpunktes in dem Einspritzzeitpunktbereich III ausdrücken.
Als nächstes wird eine Erklärung des Einspritzzeitpunktbereichs II gegeben werden. Wie vorstehend erläutert, tritt keine Verbrennung auf, wenn Kraftstoff von weniger als 30% der maximalen Einspritzmenge in den Einspritzzeitpunktbereich II eingespritzt wird.
Das heißt, wie vorstehend erläutert, dass bevor ungefähr 30 Grad BTDC die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 niedriger als 700ºK ist, wobei daher, wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich III eingespritzt wird, keine chemische Reaktion auftritt. Des Weiteren ist, wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 in dem Einspritzzeitpunkbereich II höher als in dem Einspritzzeitpunktbereich III ist, der Grad der Verteilung der Kraftstoffpartikel niedriger als in dem Einspritzzeitpunktbereich III. Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge niedriger als 30% der maximalen Einspritzmenge ist, ist jedoch die Dichte der Kraftstoffpartikel verhältnismäßig klein, sogar wenn der Grad der Verteilung der Kraftstoffpartikel etwas fällt. Wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel auf diese Weise niedrig ist, wird der Raum zwischen den Kraftstoffpartikeln größer, wobei daher, wie vorstehend erläutert, die Kraftstoffpartikel nicht viel Oxidationswärme des verdampften Kraftstoffs der umgebenden Kraftstoffpartikel erhält und so nicht durch die Wärme aufgespalten werden. Daher tritt keine Explosionsverbrennung auf.
Andererseits, wie vorstehend erwähnt, wenn der verdampfte Kraftstoff der Kraftstoffpartikel eine Oxidationsreaktion durchläuft, werden Hydroxydgruppen an den Enden der geraden Kohlenwasserstoffketten erzeugt. Wenn der Kolben 4 als nächstes steigt, steigt die Menge der geraden Kohlenwasserstoffketten mit Hydroxydgruppen, das heißt, die Menge der leicht brennbaren sauerstoffenthaltenden Kohlenwasserstoffe steigt. Der Einspritzzeitpunktbereich II ist jedoch später im Einspritzzeitpunkt als der Einspritzzeitpunktbereich III, wobei daher die Temperatur der Kraftstoffpartikel, die in dem Einspritzzeitpunktbereich II eingespritzt werden, nicht auf das Zündausmaß steigt. Daher beginnt keine Verbrennung, sogar wenn die Menge an sauerstoffenthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffen steigt.
Als nächstes wird der obere Totpunkt des Kompressionshubs in diesem Stadium erreicht, das heißt, in dem Stadium mit einem Anstieg der Menge an sauerstoffenthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffen ohne Verbrennung. Wenn dann nichts erfolgt, wird der Kraftstoff nicht zünden, was zu einer Fehlzündung führt.
Wie in Fig. 2A, 2B und 3A gezeigt, ist der späteste Einspritzzeitpunkt in dem Einspritzzeitpunktbereich II, das heißt der Grenze X zwischen dem Einspritzzeitpunktbereich II und dem Einspritzzeitpunktbereich I, im Wesentlichen parallel zu der Grenze Y. Das heißt, dass die Breite des Einspritzzeitpunktbereichs II, in anderen Worten die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y, im Wesentlichen unabhängig der Motordrehzahl N konstant ist. Des Weiteren wird, wie in Fig. 2A, 2B und 3A gezeigt, die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y desto kleiner, je größer das Verhältnis der Einspritzmenge zu der maximalen Einspritzmenge wird. Wie in Fig. 3B gezeigt, verschwindet, wenn die Einspritzmenge größer als 30% der maximalen Einspritzmenge wird, der Einspritzzeitpunktbereich II.
Das heißt, dass, wenn die Einspritzmenge 5% der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 2A gezeigt, die Grenze X, wenn die Motordrehzahl N 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, ungefähr 20 Grad BTDC beträgt und die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y von ungefähr 30 Grad Kurbelwinkel auf ungefähr 40 Grad Kurbelwinkel steigt. Wenn die Einspritzmenge 10% der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 2B gezeigt, beträgt die Grenze X, wenn die Motordrehzahl N 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, ungefähr 30 Grad BTDC, wobei die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y von ungefähr 20 Grad Kurbelwinkel auf ungefähr 30 Grad Kurbelwinkel steigt. Wenn die Einspritzmenge 20% der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 3A gezeigt, beträgt die Grenze X, wenn die Motordrehzahl N 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, ungefähr 40 Grad BTDC, wobei die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y von ungefähr 10 Grad Kurbelwinkel auf ungefähr 15 Grad Kurbelwinkel steigt. Wenn die Einspritzmenge über 30% der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 3B gezeigt, verschwindet der Einspritzzeitpunktbereich II.
Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge gestiegen ist, wird die Dichte der Kraftstoffpartikel größer, wobei daher, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht ist, der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel erhöht werden muss oder weitere Verbrennung auftreten wird. Der Grad der Verteilung der Kraftstoffpartikel wird desto höher je früher der Einspritzzeitpunkt ist, wobei daher die Breite des Einspritzzeitpunktbereichs II kleiner wird, je größer die Einspritzmenge wird.
Des Weiteren wird der Einspritzzeitpunktbereich II desto mehr zu der niedrigen Lastseite der höheren Motordrehzahl N versetzt. Das heißt, wie vorstehend erläutert, dass es für den eingespritzten Kraftstoff Zeit erfordert, sich zu verteilen. Wenn der Einspritzzeitpunkt nicht desto früher erzeugt wird, je höher die Motordrehzahl N ist, wird der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel nicht kleiner werden. Daher wird der Einspritzzeitpunktbereich II desto mehr zu der niedrigen Lastseite versetzt, je höher die Motordrehzahl N ist. Es ist anzumerken, dass die Grenze X deutlicher ausgedrückt werden kann, als die Grenzen Y und XY.
Auf der anderen Seite, wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich I eingespritzt wird, wird normale Verbrennung wie in der Vergangenheit auftreten. Das heißt, dass, wenn der Druck P in der Verbrennungskammer 5 (Fig. 4) hoch ist und daher der eingespritzte Kraftstoff nicht ausreichend verteilt wird, in dem Einspritzzeitpunktbereich I die Dichte der Kraftstoffpartikel größer wird. Folglich werden die Kraftstoffpartikel durch die Wärme aufgespalten, wobei explosive Verbrennung und die Erzeugung großer Mengen an NOx und Ruß verursacht wird.
Wie vorstehend erläutert, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge weniger als 30% der maximalen Einspritzmenge ist, wird keine Verbrennung auftreten, wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitpunktbereich II eingespritzt wird. Dem gegenüberliegend, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge wird, wird der eingespritzte Kraftstoff unabhängig von dem Einspritzzeitpunktbereich verbrennen. In diesem Fall, wie in Fig. 3B gezeigt, gibt es nur die Einspritzzeitpunktbereiche I und III.
Wenn der eingespritzte Kraftstoff auf diese Weise verteilt wird, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge weniger als 30% der maximalen Einspritzmenge beträgt, kann der Einspritzzeitpunktbereich in den Einspritzzeitpunktbereich I, in dem explosive Verbrennung auftritt, den Einspritzzeitpunktbereich III, in dem weiche Verbrennung ohne die Erzeugung von NOx und Ruß auftritt, und den Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung zwischen den Einspritzzeitpunktbereichen I und III auftritt, untergliedert werden. Auf der anderen Seite, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge über 30% der maximalen Einspritzmenge und weniger als 50% beträgt, kann der Einspritzzeitpunktbereich in den Einspritzzeitpunktbereich I und den Einspritzzeitpunktbereich III untergliedert werden. Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge mehr als über 50% beträgt, tritt normale Verbrennung wie in der Vergangenheit über den gesamten Einspritzzeitpunktbereich auf.
Es ist anzumerken, dass der Einspritzzeitpunktbereich II, der in Fig. 2A, 2B und 3A gezeigt wird, durch das Kompressionsverhältnis und die EGR-Rate (= Menge an EGR-Gas/(Menge an Eingangsluft + Menge an EGR-Gas)) beeinflusst wird. Das heißt, wenn das Motorkompressionsverhältnis größer wird, dass der Druck in dem Einspritzzeitpunktbereich II, der in Fig. 2A, 2B und 3A gezeigt wird, in der Verbrennungskammer höher wird, so dass die Kraftstoffpartikel schwieriger verteilt werden und die Temperatur des Gases in der Verbrennungskammer 5 ferner steigt. Dementsprechend werden, wenn Kraftstoff in dem in Fig. 2A, 2B und 3A gezeigten Einspritzzeitpunktbereich II eingespritzt wird, die Kraftstoffpartikel durch die Wärme aufgespalten und zünden daher. Daher verschwindet, wenn das Motorkompressionsverhältnis steigt, der Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt.
Auf der anderen Seite wird, wenn das EGR-Verhältnis vergrößert wird, die Dichte des Sauerstoffs um den Kraftstoffpartikeln kleiner, wobei folglich die Oxidationswärme des verdampften Kraftstoffes von den Kraftstoffpartikeln niedriger wird, so dass, sogar wenn der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel sich auf ein bestimmtes Maß verkleinert, die Kraftstoffpartikel nicht länger durch die Wärme aufgespalten werden. Daher gibt es einen Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung auftreten wird, sogar wenn das Motorkompressionsverhältnis ein bisschen erhöht wird, wenn das EGR-Verhältnis hoch ist.
Die durchgezogene Linie E in Fig. 5 zeigt die obere Grenze des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, wie in Fig. 2A, 2B und 3A gezeigt. Wie in Fig. 5 gezeigt, wenn die EGR-Rate 0 ist, ist die obere Grenze E des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, ungefähr 16,0. Wenn das Motorkompressionsverhältnis größer als 16,0 wird, gibt es keinen Einspritzzeitpunktbereich II mehr, in dem keine Verbrennung auftritt.
Auf der anderen Seite wird die obere Grenze E des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, desto höher je höher die EGR-Rate wird. Des Weiteren muss, um Kompressionszündung zu bewirken, das Motorkompressionsverhältnis auf mindestens ungefähr 12,0 gebracht werden. Daher wird der Bereich des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitpunktbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, der Bereich, der durch die Schraffur in Fig. 5 gezeigt wird.
Wie vorstehend erläutert wird, wenn Kraftstoff in einer Menge von weniger als 30% der maximalen Einspritzmenge in dem Einspritzzeitpunktbereich II eingespritzt wird, eine beträchtliche Menge an sauerstoffenthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffen in der Verbrennungskammer nahe des oberen Totpunkts des Kompressionshubs erzeugt. Es tritt keine Verbrennung zu diesem Zeitpunkt auf, wobei daher, wenn Kraftstoff wieder zu diesem Zeitpunkt eingespritzt wird, die Kraftstoffpartikel in der Verbrennungskammer 5 ohne zu verbrennen verteilt werden. Wenn die Temperatur steigt, werden die Kraftstoffpartikel durch die Wärme an allen Stellen aufgespalten. Wenn die Kraftstoffpartikel durch die Wärme aufgespalten werden, brennen die erzeugten Wasserstoffmoleküle H&sub2;, wobei folglich der Druck in der Verbrennungskammer 5 als Ganzes steigt, so dass die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 als Ganzes steigt.
Wenn die Temperatur in der Verbrennungskammer 5 als Ganzes steigt, beginnen die sauerstoffenthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffe, die in der Verbrennungskammer 5 verteilt sind, als ein Ganzes gleichzeitig zu verbrennen, wodurch die zum zweiten Zeitpunkt eingespritzten Kraftstoffpartikel verbrannt werden können. Wenn Verbrennung gleichzeitig über die Verbrennungskammer 5 auf diese Weise gestartet wird, gibt es keinen lokalen Anstieg der Verbrennungstemperatur, wobei die Verbrennungstemperatur in der Verbrennungskammer 5 als Ganzes niedriger wird, so dass die Erzeugung von NOx unterdrückt wird. Des Weiteren, da der zum zweiten Zeitpunkt eingespritzte Kraftstoff nach dem Verteilen verbrannt werden kann, ist ausreichend Luft um den Kraftstoffpartikeln vorhanden, wobei dadurch die Erzeugung von Ruß ebenso unterdrückt wird.
Daher wird in der vorliegenden Erfindung die erste Kraftstoffeinspritzung auf nicht mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge in dem Einspritzzeitpunktbereich II ausgeführt, wobei dann die zweite Kraftstoffeinspritzung im Wesentlichen beim oberen Totpunkt des Kompressionshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ausgeführt wird.
Es ist anzumerken, dass in der Vergangenheit Motoren mit Kompressionszündung konstruiert worden sind, um eine kleine Menge an Kraftstoff vor der Haupteinspritzung einzuspritzen, das heißt, um eine Voreinspritzung auszuführen. Diese Voreinspritzung wird gewöhnlich in dem in den Fig. 2A, 2B und 3A gezeigtem Einspritzzeitpunktbereich I ausgeführt. Daher zündet der voreingespritzte Kraftstoff selber. Im Gegensatz dazu zündet in der vorliegenden Erfindung der in dem Einspritzzeitpunktbereich II eingespritzte Kraftstoff nicht selber. Dementsprechend können die Einspritzung in dem Einspritzzeitpunktbereich II und die herkömmliche Voreinspritzung klar voneinander unterschieden werden.
Fig. 6B zeigen den Einspritzzeitpunktbereich der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1;, wogegen 6A den Einspritzzeitpunktbereich der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; und die zweite Kraftstoff I&sub2; bei einer bestimmten Motordrehzahl N zeigt, z. B. 1500 Umdrehungen pro Minute. Es ist anzumerken, dass die Abszisse in Fig. 6A die Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q zeigt, wogegen die Ordinate N in Fig. 6B die Motordrehzahl zeigt.
Des Weiteren zeigen Fig. 6A und 6B, ΘS1 und ΘE1 den Einspritzstartzeitpunkt und den Einspritzendzeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1;, wogegen ΘS2 und ΘE2 den Einspritzstartzeitpunkt und Einspritzendzeitpunkt der zweiten Kraftstoffeinspritzung I&sub2; zeigen. Des Weiteren zeigen Fig. 6A und 6B den Fall, in dem der Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Leitung 22 auf einem bestimmten konstanten Druck gehalten wird. Daher ist in Fig. 6A und 6B die Kraftstoffeinspritzmenge proportional zum Einspritzzeitpunkt.
Wie in Fig. 6B gezeigt, wird die erste Kraftstoffeinspritzung I&sub1; zu einem Zeitpunkt nahe der relativen Grenze X in dem Einspritzzeitpunktbereich II ausgeführt, wodurch der Zeitpunkt der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; desto früher ausgeführt wird je höher die Motordrehzahl N ist. Es ist anzumerken, dass in dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiel die Einspritzmenge der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; auf 10% der maximalen Einspritzmenge eingestellt ist. Des Weiteren ist in dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiel der Einspritzstartzeitpunkt ΘS2 der zweiten Kraftstoffeinspritzung I&sub2; auf den oberen Totpunkt des Kompressionshubs (TDC) festgelegt.
In Fig. 6A ist die Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q eine Funktion der Höhe der Stellung L des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl N. Die Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q ist im Vornherein in der ROM 32 in der Form des in Fig. 7A gezeigten Plans gespeichert. Auf der anderen Seite ist die Einspritzmenge Q1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; eine Funktion der Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q und der Motordrehzahl N. Die Einspritzmenge Q&sub1; wird ebenso im Vornherein von der ROM 32 in der Form des in Fig. 7B gezeigten Plans gespeichert. Des Weiteren ist der Einspritzstartzeitpunkt ΘS1 der Ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; ebenso eine Funktion der Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q und der Motordrehzahl N. Der Einspritzstartzeitpunkt ΘS1 ist ebenso im Vornherein in der ROM 32 in der Form des in Fig. 7C gezeigten Plans gespeichert.
Fig. 8 zeigt die Einspritzsteuerroutine. Bezugnehmend auf Fig. 8 wird als Erstes bei Schritt 50 die Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q bei dem in Fig. 7A gezeigten Plan berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 51 die Einspritzmenge Q&sub1; der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; des in Fig. 7B gezeigten Plan berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 52 der Einspritzstartzeitpunkt ΘS1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I bei dem in Fig. 7C gezeigten Plan berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 53 der Einspritzendzeitpunkt ΘE1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; basierend auf der Einspritzmenge Q&sub1; und dem Einspritzstartzeitpunkt ΘS1 berechnet. Als nächstes wird bei Schritt 54 der Einspritzendzeitpunkt ΘE2 der zweiten Kraftstoffeinspritzung I&sub2; basierend auf der Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q und der Kraftstoffeinspritzung Q&sub1; usw. berechnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, wie vorstehend erwähnt, möglich, die Erzeugung von NOx und Ruß über dem gesamten Betriebsbereich des Motors zu unterdrücken.
Während die Erfindung in Bezug auf die speziellen Ausführungsbeispiele, die zum Zwecke der Veranschaulichung ausgewählt wurden, beschrieben worden ist, sollte es ersichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen ausgeführt werden könnten.
Ein Motor mit Kompressionszündung, in den erster Kraftstoff bei einer Menge von nicht mehr als 30% der maximalen Kraftstoffmenge in einem Einspritzzeitpunktbereich von ungefähr 90 Grad bis ungefähr 20 Grad bevor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubes eingespritzt wird, so dass der eingespritzte Kraftstoff nicht durch Wärme aufgespalten wird oder verbrennt bis der obere Totpunkt des Kompressionshubs im wesentlichen erreicht ist, sondern eine Oxidationsreaktion durchläuft. Als nächstes wird zweiter Kraftstoff im Wesentlichen bei dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs eingespritzt, um die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes zu starten.

Claims

1. Motor mit Kompressionszündung mit:

einer Verbrennungskammer;

einer Kraftstoffeinspritzung, die Kraftstoff in das Innere der Verbrennungskammer einspritzt; und

einer Einspritzsteuereinrichtung, die eine erste Kraftstoffmenge in einer solchen Weise und Menge, dass keine Verbrennung auftritt, sogar wenn eingespritzt wird, sowie in einem vorgegebenen Einspritzzeitpunktbereich einer letzteren Hälfte eines Kompressionshubs einspritzt, in dem keine Verbrennung auftritt, sogar wenn eingespritzt wird, und die eine Einspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge zu einem Zeitpunkt später als dem vorgegebenen Einspritzeitpunktbereich bewirkt, um eine Verbrennung des ersten Kraftstoffes und des zweiten Kraftstoffes zu bewirken.

2. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, wobei die erste Kraftstoffeinspritzmenge, bei der keine Verbrennung sogar mit Einspritzung auftritt, nicht mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge beträgt.

3. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Einspritzzeitpunktbereich von ungefähr 90 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs bis ungefähr 20 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs verläuft.

4. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 3, wobei der früheste Einspritzzeitpunkt in dem vorgegebenen Einspritzzeitpunktbereich desto mehr zu dem unteren Totpunkt des Kompressionshubs versetzt ist, je höher die Motordrehzahl ist, wobei der späteste Einspritzzeitpunkt in dem vorgegebenen Einspritzzeitpunktbereich desto mehr zu dem unteren Totpunkt des Kompressionshubs versetzt ist, je höher die Motordrehzahl ist.

5. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 4, wobei der früheste Einspritzzeitpunkt nahe 50 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ist, wenn die Motordrehzahl 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, und nahe 90 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ist, wenn die Motordrehzahl 4000 Umdrehungen pro Minute beträgt.

6. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 4, wobei der späteste Einspritzzeitpunkt desto mehr zu dem unteren Totpunkt des Kompressionshubs versetzt ist, je größer das Verhältnis der ersten Kraftstoffeinspritzmenge zu der maximalen Einspritzmenge ist, wobei der Unterschied zwischen dem frühesten Einspritzzeitpunkt und dem spätesten Einspritzzeitpunkt bei der gleichen Motordrehzahl desto kleiner ist, je größer das Verhältnis ist.

7. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 6, wobei, wenn die erste Kraftstoffeinspritzmenge 5% der maximalen Einspritzmenge beträgt und die Motordrehzahl 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, der späteste Einspritzzeitpunkt ungefähr 20 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ist und der Unterschied der Einspritzzeitpunkte ungefähr von 30 Grad Kurbelwinkel bis 40 Grad Kurbelwinkel beträgt.

8. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 6, wobei, wenn die erste Kraftstoffeinspritzmenge 10% der maximalen Einspritzmenge beträgt und die Motordrehzahl 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, der späteste Einspritzzeitpunkt ungefähr 30 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ist und der Unterschied der Einspritzzeitpunkte ungefähr 20 Grad Kurbelwinkel bis 30 Grad Kurbelwinkel beträgt.

9. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 6, wobei, wenn die erste Kraftstoffeinspritzmenge 20% der maximalen Einspritzmenge beträgt und die Motordrehzahl 600 Umdrehungen pro Minute beträgt, der späteste Einspritzzeitpunkt ungefähr 40 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ist und der Unterschied der Einspritzzeitpunkte von ungefähr 10 Grad Kurbelwinkel bis 15 Grad Kurbelwinkel beträgt.

10. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, wobei der erste Kraftstoffeinspritzzeitpunkt desto früher gesetzt ist, je höher die Motordrehzahl ist.

11. Motor mit Kompressionszündung nach Anspruch 1, wobei die zweite Kraftstoffeinspritzung hauptsächlich am oberen Totpunkt des Kompressionshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs ausgeführt ist.