DE69812771T2

DE69812771T2 - Selbstzündende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69812771T2
Application number: DE69812771T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Yanagihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: DE69812771D1; EP0887525B1; US5979398A; JPH1172039A; EP0887525A3; ES2191224T3; JP4010046B2; EP0887525A2

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen selbstzündenden Motor.

2. Beschreibung der einschlägigen Technik

Bei selbstzündenden Motoren hat der Grad der Verteilung des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs eine Hauptwirkung auf die Verbrennung. Wenn eine Verteilung des Kraftstoffs in der ganzen Brennkammer veranlasst wird, wird die pro Einheitsvolumen erzeugte Wärmemenge niedriger, so dass die Verbrennungstemperatur niedriger wird und eine sanfte Verbrennung ohne die Erzeugung von NOx erzielt wird. Da es des Weiteren ausreichend Luft gibt, die in der Umgebung der Kraftstoffpartikel vorhanden ist, wird auch kein Ruß erzeugt. Deshalb ist in der Technik ein selbstzündender Motor bekannt, der so gestaltet ist, dass Kraftstoff während dem Kompressionshub 60 Grad vor dem oberen Totpunkt eingespritzt wird (siehe ungeprüfte Japanische Patentanmeldung mit Offenlegungsnummer 7-317588 (KOKAI)).
Das heißt, wenn der Druck in der Brennkammer hoch wird, wird der Luftwiderstand größer, so dass der eingespritzte Kraftstoff sich schwer in der gesamten Brennkammer verteilen kann. Deshalb wurde dieser selbstzündender Motor so gestaltet, dass der Kraftstoff 60 Grad vor dem oberen Totpunkt in dem Kompressionshub eingespritzt wird, wenn der Druck in der Brennkammer niedrig ist.
Wenn die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs in der gesamten Brennkammer auf diese Weise veranlasst wird, wird eine sanfte Verbrennung ohne die Erzeugung von NOx oder Kohlenwasserstoffen erzielt, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge klein ist. Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge größer wird, selbst wenn versucht wird, den eingespritzten Kraftstoff in der gesamten Brennkammer zu verteilen, beginnt jedoch der Kraftstoff früher zu zünden. Sobald der Kraftstoff früh zündet, steigt die Temperatur in der Brennkammer an, so dass der Kraftstoff früher zündet. In Folge dessen wird die Verbrennung graduell intensiver und es tritt nicht nur ein Klopfen (Nageln) auf, sondern es werden auch große Mengen an NOx und Ruß erzeugt.
Auf diese Weise kann der Zündzeitpunkt des vorstehenden selbstzündenden Motors nicht länger bei dem Zündzeitpunkt gesteuert werden, der eine sanfte Verbrennung ergibt, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge groß wird. Wenn es möglich wäre, den Zündzeitpunkt bei dem Zündzeitpunkt zu steuern, der eine sanfte Verbrennung dabei ergibt, würde es möglich sein, eine sanfte Verbrennung mit geringer Erzeugung an NOx und Ruß zu erzielen.
Des Weiteren wird auf das Dokument US-A-4543930 Bezug genommen, das einen selbstzündenden Motor offenbart, der gestaltet ist, um eine kleine Kraftstoffmenge vor der Haupteinspritzung einzuspritzen, das heißt um eine Piloteinspritzung durchzuführen. Eine Piloteinspritzung von 5% wird erfolgreich verwendet bei 40, 60, 80 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) bei 62% und 100% Ratengeschwindigkeit zum Kompressionszünden der Pilotladung bei einer geeigneten Zeit in dem Zyklus, und um die Ladung bei einer ausreichend hohen Rate zu verbrennen, um die Hauptladung zu zünden.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines selbstzündenden Motors, der den Zündzeitpunkt steuern kann bei einem Zündzeitpunkt, der eine sanfte Verbrennung erzielt.
Erfindungsgemäß wird ein selbstzündender Motor nach Anspruch 1 geschaffen, wobei die abhängigen Ansprüche Weiterentwicklungen der Erfindung anführen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung vollständig verständlich, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen angeführt ist.
Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht eines selbstzündenden Motors.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Ausgangssignals eines Luftkraftstoffverhältnissensors.
Fig. 3a und 3b und Fig. 4a und 4b zeigen Ansichten unterschiedlicher Einspritzzeitgebungsbereiche.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht der Änderungen des Drucks in der Brennkammer.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht des Bereichs des Kompressionsverhältnisses eines Motors.
Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Betriebsbereiche eines Motors.
Fig. 8a und 8b zeigen Ansichten der Einspritzzeitgebung.
Fig. 9a bis 9c zeigen Kennfelder der gesamten Kraftstoffeinspritzmenge Q etc.
Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm der Einspritzsteuerung.
Fig. 11 zeigt eine Ansicht der Einspritzzeitgebung etc..
Fig. 12 zeigt eine Ansicht eines Kennfelds eines Grundöffnungsgrads Gθ2 eins EGR-Steuerventils.
Fig. 13a und 13b zeigen Ansichten von Kennfeldern von Soll-Luftüberschussraten etc..
Fig. 14 zeigt ein Ablaufdiagramm der Einspritzsteuerung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motorkörper, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 eine Brennkammer, 6 eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzeinrichtung, 7 ein Einlassventil, 8 einen Einlassanschluss, 9 ein Auslassventil und 10 einen Auslassanschluss. Der Einlassanschluss 8 ist über eine entsprechende Einlassleitung 11 mit einem Windkessel 12 verbunden. Der Windkessel 12 ist mit einem Kompressor 15 eines Abgasturboladers 14 verbunden über eine Ansaugröhre 13. Andererseits ist der Auslassanschluss 10 über eine Abgaskrümmer 16 und eine Abgasleitung 17 mit einer Abgasturbine 18 eines Abgasturboladers 14 verbunden. Der Auslass der Abgasturbine 18 ist mit einem Katalysator 20 verbunden, in dem ein Dreiwegekatalysator 19 untergebracht ist. Des Weiteren ist ein Luftkraftstoffverhältnissensor 21 in dem Abgaskrümmer 16 angeordnet.
Der Abgaskrümmer 16 und der Windkessel 12 sind miteinander verbunden über einen Abgasrückführkanal 22 (der nachfolgend als ein EGR-Kanal bezeichnet wird). In dem EGR-Kanal 22 ist ein elektrisch gesteuertes EGR-Steuerventil 23 angeordnet. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 6 sind über Kraftstoffzufuhrleitungen 24 mit einem Kraftstoffbehälter verbunden, das heißt einer sogenannten Common-Rail 25. Die Common-Rail 25 wird mit Kraftstoff versorgt von einer elektrisch gesteuerten variablen Abgabekraftstoffpumpe 26. Der Kraftstoff, der zu der Common-Rail 25 zugeführt wird, wird über die Kraftstoffleitungen 24 zu den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 6 zugeführt. Die Common-Rail 25 ist mit einem Kraftstoffdrucksensor 27 versehen zum Erfassen des Kraftstoffdrucks in der Common-Rail 25. Das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 27 wird verwendet zum Steuern der Abgabe der Kraftstoffpumpe 26, so dass der Kraftstoffdruck in der Common-Rail 25 der Sollkraftstoffdruck wird.
Eine elektronische Steuereinheit 30 hat einen Digitalcomputer und ist mit einem Nur-Lesespeicher (ROM 32), einem flüchtigen Zugriffsspeicher (RAM 33), einem Mikroprozessor (CPU 34), einem Eingangsanschluss 35 und einem Ausgangsanschluss 36 versehen, die über einen bidirektionalen Bus 31 miteinander verbunden sind. Das Ausgangssignal des Luftkraftstoffverhältnissensors 21 wird über einen entsprechenden Analogdigitalumwandler 37 in den Eingangsanschluss 35 eingespeist. Des Weiteren wird das Ausgangssignal des Kraftstoffdrucksensors 27 über einen entsprechenden Analogdigitalumwandler 37 in den Eingangsanschluss 35 eingespeist. Ein Gaspedal 40 ist mit einem Lastsensor 41 verbunden zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die proportional zu dem Niederdruckungsbetrag L des Gaspedals 40 ist. Die Ausgangsspannung des Lastsensors 41 wird über einen entsprechenden Analogdigitalumwandler 37 in den Eingangsanschluss 35 eingespeist. Des Weiteren ist der Eingangsanschluss 35 mit einem Kurbelwinkelsensor 42 verbunden, der einen Ausgangsimpuls beispielsweise alle 30 Grad Drehung der Kurbelwelle erzeugt. Andererseits ist der Ausgangsanschluss 36 über einen entsprechenden Treiberschaltkreis 38 mit den Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 6, den EGR-Steuerventil 23 und der Kraftstoffpumpe 26 verbunden.
Fig. 2 zeigt den Abgabestrom I des Luftkraftstoffverhältnissensor 21. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, erzeugt der Luftkraftstoffverhältnissensor 21 einen Ausgangsstrom I in Übereinstimmung mit dem Luftüberschussverhältnis γ, das heißt dem Luftkraftstoffverhältnis, deshalb ist es möglich, das Luftkraftstoffverhältnis aus dem Ausgangsstrom I des Luftkraftstoffverhältnissensor 21 herauszufinden. Der Ausgangsstrom I wird in eine Spannung umgewandelt und in den entsprechenden Analogdigitalumwandler 37 eingespeist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Düse mit einer großen Anzahl an Düsenöffnungen, um den eingespritzen Kraftstoff so gleichförmig wie möglich in der Brennkammer 5 zu verteilen. Wenn eine derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 verwendet wird, um den eingespritzten Kraftstoff in der Brennkammer zu verteilen, wurde gelernt, dass in Abhängigkeit von der Einspritzmenge und der Einspritzzeitgebung der eingespritzte Kraftstoff brennen würde oder der eingespritzte Kraftstoff nicht brennen würde. Deshalb wird dies zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B und 4A und 4B erläutert.
In Fig. 3A und 3B und 4A und 4B deutete die Ordinate den Kurbelwinkel an, während die Abszisse die Motordrehzahl N andeutet. Des Weiteren zeigt Fig. 3A den Fall der Einspritzung einer Kraftstoffmenge von 5% der maximalen Einspritzmenge, Fig. 3B zeigt den Fall der Kraftstoffeinspritzung mit einer Menge von 10% der maximalen Einspritzmenge, Fig. 4A zeigt den Fall der Kraftstoffeinspritzung mit einer Menge von 20% der maximalen Einspritzmenge und Fig. 4B zeigt den Fall der Kraftstoffeinspritzung mit einer Menge von mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge.
Des Weiteren deutet in Fig. 3A und 3B und 4A und 4B der Buchstabe I einen Einspritzzeitgebungsbereich an, in dem eine normale Verbrennung auftritt wie in der Vergangenheit, wenn Kraftstoff mit einer Einspritzzeitgebung in dem Bereich eingespritzt wird, II zeigt einen Einspritzzeitgebungsbereich, bei dem keine Verbrennung stattfindet, wenn Kraftstoff mit einer Einspritzzeitgebung in dem Bereich eingespritzt wird, und III zeigt einen Einspritzzeitgebungsbereich, wenn fast kein NOx oder Ruß erzeugt wird beim Einspritzen von Kraftstoff mit einer Einspritzzeitgebung in dem Bereich.
Ob der eingespritzte Kraftstoff brennt oder nicht hängt von der Dichte der Kraftstoffpartikel und der Temperatur der Kraftstoffpartikel ab. Einfach gesprochen wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel relativ niedrig ist, tritt eine Verbrennung auf, wenn die Temperatur der Kraftstoffpartikel hoch ist und tritt nicht auf, wenn die Temperatur der Kraftstoffpartikel niedrig ist. Wenn im Gegensatz hierzu die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, tritt eine Verbrennung auf ungeachtet der Temperatur der Kraftstoffpartikel.
Auf diese Weise tritt die Verbrennung auf ungeachtet der Temperatur der Kraftstoffpartikel, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, aber die Verbrennung ist dabei explosiv und erzeugt eine große Menge an NOx und eine große Menge an Ruß. Das heißt, der eingespritzte Kraftstoff erfährt eine chemische Reaktion, wenn die Temperatur in der Brennkammer höher als 700ºK ist. In etwa vor 30º vor dem oberen Totpunkt ist die Temperatur in der Brennkammer 5 geringer als 700ºK, wenn der Kraftstoff vor 30º vor dem oberen Totpunkt eingespritzt wird, verteilt sich deshalb der eingespritzte Kraftstoff in der Brennkammer 5 ohne dass er eine chemische Reaktion eingeht. Wenn der Kolben 4 ansteigt und die Temperatur in der Brennkammer 5 höher als eine gewisse Temperatur wird, bindet sich als nächstes der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung der Kraftstoffpartikel mit Sauerstoff. Wenn dies detaillierter erläutert wird, werden die endständigen Kohlenstoffe der geradkettigen Kohlenwasserstoffe durch die Sauerstoffradikale angegriffen, die zu einer Bildung von Aldehydgruppen bei den Enden der geradkettigen Kohlenwasserstoffe führen, dann werden die Aldehydgruppen zu Hydroxidgruppen.
Wenn die Kraftstoffpartikel enger zusammentreten dabei, das heißt wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, empfangen die Kraftstoffpartikel die Wärme der Oxidation des verdampften Kraftstoffs der umgebenden Kraftstoffpartikel und erhalten eine hohe Temperatur. In Folge dessen werden die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffpartikeln in Wasserstoffmolekühle H&sub2; und Kohlenstoff C aufgebrochen. Die Wasserstoffmolekühle H&sub2;, die durch diese thermisch Zersetzung erzeugt werden, brennen explosionsartig und erzeugen eine hohe Temperatur, deshalb werden NOx erzeugt. Wenn andererseits Kohlenstoff C erzeugt wird durch die thermische Zersetzung, binden sich die Kohlenstoffatome miteinander und ein Teil dieser wird als Ruß abgegeben. Wenn auf diese Weise die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, selbst wenn die Kraftstoffpartikel in der Brennkammer 5 verteilt werden können ohne eine chemische Reaktion einzugehen, werden NOx und Ruß erzeugt auf Grund der thermischen Zersetzung der Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffpartikeln.
Wenn andererseits der Kraftstoff in etwa nach 30º vor dem oberen Totpunkt eingespritzt wird, erfährt der eingespritzte Kraftstoff sofort eine chemische Reaktion und die Kohlenwasserstoffe in den Kraftstoffpartikeln werden durch die Wärme aufgebrochen. In Folge dessen werden NOx und Ruß erzeugt. Das heißt wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch ist, in anderen Worten wenn es eine große eingespritzte Kraftstoffmenge gibt, werden NOx und Ruß erzeugt unabhängig davon, wann der Kraftstoff eingespritzt wird.
Wenn im Gegensatz hierzu die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig ist, ist die Situation vollständig anders. Deshalb wird als nächstes die Verbrennung erläutert, wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig ist, das heißt wenn die Menge der Kraftstoffeinspritzung geringer als 30% der maximalen Einspritzmenge ist und die Kraftstoffpartikel zu einer Verteilung veranlasst werden, das heißt wenn der Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III von Fig. 3A, 3B, 4A, 4B eingespritzt wird.
Die Kurve in Fig. 5 zeigt die Änderung des Drucks P in der Brennkammer 5 auf Grund der Kompressionsarbeit des Kolbens 4. Wie aus Fig. 5 verständlich ist, steigt der Druck P in der Brennkammer 5 schnell an, wenn etwa 60º vor dem oberen Totpunkt überschritten werden. Das heißt ungeachtet der Zeitgebung der Öffnung des Einlassventils 7. Der Druck P in der Brennkammer 5 ändert sich, wie in Fig. 5 gezeigt ist bei allen Arten von Hubkolbenbrennkraftmaschinen. Wenn der Druck P in der Brennkammer 5 hoch wird, wird der Luftwiderstand groß, so dass der eingespritzte Kraftstoff sich nicht über einen breiten Bereich verteilen kann. Um den eingespritzten Kraftstoff über einen breiten Bereich zu verteilen, ist es notwendig, den Kraftstoff einzuspritzen, wenn der Druck P in der Brennkammer 5 niedrig ist.
Wie in Fig. 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt ist, liegt der Einspritzzeitgebungsbereich III in etwa bei 50º vor dem oberen Totpunkt. Wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III eingespritzt wird, verteilen sich deshalb die Kraftstoffpartikel über einen breiten Bereich. Da des Weiteren die eingespritzte Kraftstoffmenge geringer als 30% der maximalen Einspritzmenge ist, wird die Dichte der Kraftstoffpartikel in der Brennkammer sehr niedrig.
Wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig ist, wird der Raum zwischen den Kraftstoffpartikeln größer. Wenn der verdampfte Kraftstoff in der Umgebung der Kraftstoffpartikel sich mit Sauerstoff bindet, empfangen deshalb die Kraftstoffpartikel nicht viel Oxidationswärme des verdampften Kraftstoffs der umgebenden Kraftstoffpartikel und deshalb brechen die Kraftstoffpartikel bei der Wärme nicht auf. In Folge dessen werden fast keine Wasserstoffmolekühle H&sub2; oder Kohlenstoff C erzeugt. Wenn als nächstes der Kompressionshub sich fortsetzt und die Temperatur der Kraftstoffpartikel höher wird, beginnt der verdampfte Kraftstoff der Kraftstoffpartikel im Wesentlichen gleichzeitig zu brennen.
Wenn der verdampfte Kraftstoff der Kraftstoffpartikel im Wesentlichen gleichzeitig auf diese Weise zu brennen beginnt, gibt es keine lokal hohen Temperaturen. Da des Weiteren die Kraftstoffpartikel verteilt werden, nimmt die erzeugte Wärmemenge pro Einheitsvolumen ab. In Folge dessen nimmt die Verbrennungstemperatur als ein Ganzes ab und deshalb wird eine sanfte Verbrennung ohne das Erzeugen von NOx erhalten. Da des Weiteren ausreichend Luft in der Umgebung der Kraftstoffpartikel vorhanden ist, wird Ruß nicht länger erzeugt.
Wie vorstehend erläutert ist, zeigen die Fig. 3A, 3B und 4A die Einspritzung von Kraftstoffmengen gleich 5%, 10% und 20% der maximalen Kraftstoffeinspritzmenge. Wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III dabei eingespritzt wird, wird eine sanfte Verbrennung ohne die Erzeugung von NOx oder Ruß erhalten. Des Weiteren zeigt Fig. 4B die Einspritzung der Kraftstoffmenge von mehr als 30% der maximalen Kraftstoffeinspritzmenge. Wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III eingespritzt wird, kann eine sanfte Verbrennung ohne die Erzeugung von NOx und Ruß erhalten werden bis zu einer Kraftstoffeinspritzmenge von etwa 50% der maximalen Einspritzmenge. Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge etwa 50% der maximalen Einspritzmenge überschreitet, ist die Dichte der Kraftstoffpartikel hoch, selbst wenn die Kraftstoffpartikel verteilt werden, so dass NOx und Ruß erzeugt werden.
Wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge geringer als etwa 50% der maximalen Einspritzmenge ist, kann deshalb die sanfte Verbrennung ohne die Erzeugung der NOx und Ruß erhalten werden, wenn der Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III eingespritzt wird.
Wie in den Fig. 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt ist, ist die letzte Einspritzzeitgebung des Einspritzzeitgebungsbereichs III, das heißt in den Fig. 3A, 3B und 4A die Grenze Y zwischen dem Einspritzzeitgebungsbereich III und dem Einspritzzeitgebungsbereich II und in Fig. 4B die Grenze XY zwischen der Einspritzzeitgebungsperiode III und der Einspritzzeitgebungsperiode I im Wesentlichen die selbe ungeachtet der Einspritzmenge. Das heißt, dass die Grenzen Y und XY nahe 50º vor oberem Totpunkt liegen, wenn die Motordrehzahl N gleich 600 min/&supmin;¹ ist. Je höher die Motordrehzahl N wird, um so mehr werden sie zu dem unteren Totpunkt des Kompressionshubs verschoben. Wenn die Motordrehzahl N gleich 4000/min&supmin;¹ beträgt, werden sie etwa 90º vor dem oberen Totpunkt. Das heißt, dass es eine Zeit braucht für die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs, um den eingespritzten Kraftstoff zu verteilen, um die Dichte der Kraftstoffpartikel niedrig einzurichten, ist es deshalb notwendig, die Einspritzzeitgebung früher durchzuführen, je höher die Motordrehzahl N ist. Des Weiteren ist die Zeit zum Erwärmen der Kraftstoffpartikel um so kürzer, je höher die Motordrehzahl N ist, um den Kraftstoffpartikeln ausreichend Wärme zu erteilen, die erforderlich ist zum Zünden der Kraftstoffpartikel, ist es deshalb notwendig, die Einspritzzeitgebung früher einzurichten, wenn die Motordrehzahl N höher ist. Wie in den Fig. 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt ist, verschieben sich deshalb die Grenzen X und XY in Richtung auf den unteren Totpunkt des Kompressionshubs, wenn die Motordrehzahl N ansteigt.
Es soll beachtet werden, dass die Grenzen X und XY in der Praxis nicht so deutlich wie in Fig. 3A, 3B, 4A und 4B erscheinen, deshalb drücken die Grenzen X und XY die genäherten Zeitgebungen der letzten Einspritzzeitgebung in dem Einspritzzeitgebungsbereich III aus.
Als nächstes wird der Einspritzzeitgebungsbereich II erläutert. Wie früher erläutert ist, tritt keine Verbrennung auf, wenn Kraftstoff geringer als etwas 30% der maximalen Einspritzmenge eingespritzt wird in dem Einspritzzeitgebungsbereich II.
Das heißt, wie vorstehend erläutert ist, ist die Temperatur in der Brennkammer 5 vor etwa 30º vor dem oberen Totpunkt geringer als 700ºK, deshalb tritt keine chemische Reaktion auf, wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzt wird. Da des Weiteren der Druck P in der Brennkammer 5 in dem Einspritzzeitgebungsbereich II höher ist als in dem Einspritzzeitgebungsbereich III, ist der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel niedriger als in dem Einspritzzeitgebungsbereich III. Da die eingespritzte Kraftstoffmenge geringer als 30% der maximalen Einspritzmenge ist, ist die Dichte der Kraftstoffpartikel jedoch relativ klein, selbst wenn der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel etwas fällt. Wenn die Dichte der Kraftstoffpartikel auf diese Weise niedrig ist, wird der Raum zwischen den Kraftstoffpartikeln größer und deshalb erhalten die Kraftstoffpartikel, wie vorstehend erläutert ist, nicht viel Oxidationswärme des verdampften Kraftstoffs der umgebenden Kraftstoffpartikel und brechen nicht auf durch die Wärme. Deshalb tritt keine Explosionsverbrennung auf.
Wenn andererseits, wie vorstehend erwähnt ist, verdampfter Kraftstoff der Kraftstoffpartikel eine Oxidationsreaktion erfährt, werden Hydroxidgruppen erzeugt bei den Enden der geradkettigen Kohlenwasserstoffe. Wenn der Kolben 4 das nächste Mal ansteigt, erhöht sich leicht die Menge der geradkettigen Kohlenwasserstoffe mit Hydroxidgruppen, das heißt die Menge der Sauerstoff enthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffe. Der Einspritzzeitgebungsbereich II ist jedoch später bei der Einspritzzeitgebung als der Einspritzzeitgebungsbereich III, deshalb steigt die Temperatur der in dem Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzten Kraftstoffpartikeln nicht zu dem Ausmaß der Zündung. Deshalb startet die Verbrennung nicht, selbst wenn die Menge der Sauerstoff enthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffe sich erhöht.
Als nächstes wird bei diesem Zustand der obere Totpunkt des Kompressionshubs erreicht, das heißt bei dem Zustand mit einer Erhöhung der Menge der Sauerstoff enthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffe ohne eine Verbrennung. Wenn nichts getan wird, wird der Kraftstoff nicht zünden, was zu einer Fehlzündung führt.
Wie in den Fig. 3A, 3B und 4A gezeigt ist, ist die letzte Einspritzzeitgebung in dem Einspritzzeitgebungsbereich II , das heißt die Grenze X zwischen dem Einspritzzeitgebungsbereich II und dem Einspritzzeitgebungsbereich I im Wesentlichen parallel zu der Grenze Y. Das heißt, dass die Breite des Einspritzzeitgebungsbereichs II, in anderen Worten die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y im Wesentlichen konstant ist ungeachtet der Motordrehzahl N. Wie des Weiteren in den Fig. 3A, 3B und 4A gezeigt ist, wird die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y kleiner, je größer das Verhältnis der Einspritzmenge zu der maximalen Einspritzmenge wird. Wenn wie in Fig. 4B gezeigt ist, die Einspritzmenge mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge wird, verschwindet der Einspritzzeitgebungsbereich II .
Das heißt, wenn die Einspritzmenge gleich 5% der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 3A gezeigt ist, liegt die Grenze X, wenn die Motordrehzahl N gleich 600 min&supmin;¹ beträgt, bei etwa 20º vor dem oberen Totpunkt und die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y erhöht sich von etwa 30º Kurbelwinkel nach etwa 40º Kurbelwinkel. Wenn die Einspritzmenge gleich 10% der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 3B gezeigt ist, beträgt die Grenze X bei einer Motordrehzahl N von 600 min&supmin;¹ etwa 30º vor dem oberen Totpunkt und die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y erhöht sich von etwa 20º Kurbelwinkel nach etwa 30º Kurbelwinkel. Wenn die Einspritzmenge gleich 20º der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 4A gezeigt ist, liegt die Grenze X bei der Motordrehzahl N von 600 min&supmin;¹ bei etwa 40º vor dem oberen Totpunkt und die Breite zwischen der Grenze X und der Grenze Y erhöht sich von etwa 10º Kurbelwinkel nach etwa 15º Kurbelwinkel. Wenn die Einspritzmenge über 30º der maximalen Einspritzmenge beträgt, wie in Fig. 4B gezeigt ist, verschwindet der Einspritzzeitgebungsbereich II.
Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge sich erhöht, wird die Dichte der Kraftstoffpartikel größer, deshalb muss der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel bei der Erhöhung der Kraftstoffeinspritzung erhöht werden oder es tritt eine Verbrennung auf. Der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel wird höher, je früher die Einspritzzeitgebung liegt, deshalb wird die Breite des Einspritzzeitgebungsbereichs II kleiner, je größer die Einspritzmenge ist.
Des Weiteren verschiebt sich der Einspritzzeitgebungsbereich II zu der Niederlastseite, je höher die Motordrehzahl N ist. Das heißt, wie vorstehend erläutert ist, es dauert eine Zeit für die Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs. Wenn die Einspritzzeitgebung nicht früher eingerichtet wird, je höher die Motordrehzahl N ist, wird der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel nicht kleiner. Deshalb verschiebt sich der Einspritzzeitgebungsbereich II zu der Niederlastseite, je höher die Motordrehzahl N ist. Es sollte beachtet werden, dass die Grenze X klarer ausgedrückt wird als die Grenzen Y und XY.
Wenn andererseits Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich I eingespritzt wird, tritt eine normale Verbrennung wie in der Vergangenheit auf. Das heißt, da in dem Einspritzzeitgebungsbereich I der Druck P in der Brennkammer 5 (Fig. 5) hoch ist und deshalb der eingespritzte Kraftstoff nicht ausreichend verteilt wird, wird die Dichte der Kraftstoffpartikel höher. In Folge dessen brechen die Kraftstoffpartikel auf durch die Wärme, wodurch eine Explosionsverbrennung veranlasst wird und große Mengen an NOx und Ruß erzeugt werden.
Wenn wie vorstehend erläutert ist, die Kraftstoffeinspritzmenge geringer als 30% der maximalen Einspritzmenge beträgt, tritt keine Verbrennung auf, wenn Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzt wird. Im Gegensatz hierzu, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge höher als 30% der maximalen Einspritzmenge wird, wird der eingespritzte Kraftstoff verbrennen ungeachtet des Einspritzzeitgebungsbereich. Wie dabei in Fig. 4B gezeigt ist, gibt es nur die Einspritzzeitgebungsbereiche I und III.
Wenn der eingespritzte Kraftstoff auf diese Weise verteilt wird, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge geringer als 30% der maximalen Einspritzmenge ist, kann der Einspritzzeitgebungsbereich in den Einspritzzeitgebungsbereich I, in dem eine Explosionsverbrennung auftritt, den Einspritzzeitgebungsbereich III, in dem eine sanfte Verbrennung auftritt ohne Erzeugen von NOx und Ruß und den Einspritzzeitgebungsbereich II aufgeteilt werden, in dem keine Verbrennung auftritt zwischen den Einspritzzeitgebungsbereichen I und III. Wenn andererseits die Kraftstoffeinspritzmenge über 30% der maximalen Einspritzmenge liegt und geringer als etwa 50%, kann der Einspritzzeitgebungsbereich in den Einspritzzeitgebungsbereich 1 und den Einspritzzeitgebungsbereich 3 aufgeteilt werden. Wenn die Kraftstoffeinspritzmenge mehr als etwa 50% beträgt, tritt eine normale Verbrennung wie in der Vergangenheit auf über den gesamten Einspritzzeitgebungsbereich.
Es soll beachtet werden, dass der in den Fig. 3A, 3B und 4A gezeigte Einspritzzeitgebungsbereich II durch das Kompressionsverhältnis und die EGR-Rate beeinflusst wird (= Menge des EGR-Gases/(Menge der Ansaugluft + Menge des EGR- Gases)). Das heißt, wenn das Motorkompressionsverhältnis höher wird in dem in den Fig. 3A, 3B und 4A gezeigten Einspritzzeitgebungsbereich II, wird der Druck in der Brennkammer 5 höher, sodass die Kraftstoffpartikel sich schlechter verteilen und die Temperatur des Gases in der Brennkammer 5 auch ansteigt. Wenn demgemäß Kraftstoff in dem in den Fig. 3A, 3B und 4A gezeigten Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzt wird, brechen die Kraftstoffpartikel auf auf Grund der Wärme und zünden deshalb. Wenn das Motorkompressionsverhältnis ansteigt, verschwindet deshalb der Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt.
Wenn andererseits die EGR-Rate größer eingerichtet wird, wird die Dichte des Säuerstoffs in der Umgebung der Kraftstoffpartikel kleiner und in Folge dessen wird die Oxidationswärme des verdampften Kraftstoffs von den Kraftstoffpartikeln niedriger, so dass, selbst wenn der Verteilungsgrad der Kraftstoffpartikel kleiner wird in einem gewissen Ausmaß, die Kraftstoffpartikel nicht länger aufbrechen durch die Wärme. Deshalb gibt es einen Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, selbst wenn das Motorkompressionsverhältnis etwas höher eingerichtet wird, wenn das EGR-Verhältnis hoch ist.
Die durchgezogene Linie E in Fig. 6 zeigt die obere Grenze des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, wie in den Fig. 3A, 38 und 4A gezeigt ist. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wenn die EGR-Rate gleich 0 ist, beträgt die obere Grenze E des Motorkrompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, etwa 16,0. Wenn das Motorkompressionsverhältnis größer als etwa 16,0 wird, gibt es nicht länger einen Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt.
Andererseits wird die obere Grenze E des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, höher, wenn die EGR-Rate höher wird. Um eine Kompressionszündung zu veranlassen, muss des Weiteren das Motorkompressionsverhältnis bei zumindest etwa 12,0 eingerichtet werden. Deshalb wird der Bereich des Motorkompressionsverhältnisses in dem Einspritzzeitgebungsbereich II, in dem keine Verbrennung auftritt, der Bereich, der durch die Schraffur in Fig. 6 gezeigt ist.
Wie früher erläutert ist, wenn Kraftstoff in einer Menge von weniger als 30% der maximalen Einspritzmenge in dem Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzt wird, wird eine beträchtliche Menge an Sauerstoff enthaltenden leicht brennbaren Kohlenwasserstoffen in der Brennkammer nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs erzeugt. Keine Verbrennung tritt dabei auf, wenn Kraftstoff wieder dabei eingespritzt wird, werden deshalb die Kraftstoffpartikel in der Brennkammer 5 ohne Verbrennung verteilt. Wenn die Temperatur ansteigt, brechen die Kraftstoffpartikel auf durch die Wärme bei allen Stellen. Wenn die Kraftstoffpartikel aufbrechen durch die Wärme, brennen die erzeugten Wasserstoffmolekühle H&sub2; und in Folge dessen steigt der Druck in der Brennkammer 5 insgesamt an, so dass die Temperatur in der Brennkammer 5 insgesamt ansteigt.
Wenn die Temperatur in der Brennkammer 5 insgesamt ansteigt, beginnen die Sauerstoff enthaltenden leicht brennbaren in der Brennkammer 5 verteilten Kohlenwasserstoffe insgesamt gleichzeitig zu brennen, wodurch die zum zweiten Mal eingespritzten Kraftstoffpartikel verbrannt werden können. Wenn die Verbrennung gleichzeitig gestartet wird in der gesamten Brennkammer 5 auf diese Weise, gibt es keinen lokalen Anstieg der Verbrennungstemperatur und die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer 5 wird insgesamt niedriger, so dass die Erzeugung der NOx unterdrückt wird. Da des Weiteren der zum zweiten Mal eingespritzte Kraftstoff nach der Verteilung verbrannt werden kann, gibt es ausreichend Luft, die in der Umgebung der Kraftstoffpartikel vorhanden ist und deshalb wird die Erzeugung von Ruß auch unterdrückt.
Wenn zunächst eine Kraftstoffmenge von nicht mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge in dem Einspritzzeitgebungsbereich 2 eingespritzt wird und dann zweiter Kraftstoff im Wesentlichen beim oberen Totpunkt des Kompressionshubs eingespritzt wird oder nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs, ist es möglich eine sanfte Verbrennung mit einer geringen Erzeugung an NOx und Ruß zu erhalten.
Wie vorstehend erläutert ist, wenn jedoch Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III eingespritzt wird, wird fast kein NOx oder Ruß erzeugt. Die Menge der erzeugten NOx und Ruß wird kleiner beim Einspritzen von Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III als beim Einspritzen von Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich II und dann Einspritzen von Kraftstoff im Wesentlichen bei dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs. Deshalb wird vorzugsweise Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III soviel wie möglich eingespritzt. Wenn wie vorstehend erläutert ist, jedoch Kraftstoff in dem Einspritzzeitgebungsbereich III eingespritzt wird, werden fast keine NOx oder Ruß erzeugt, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge geringer als etwa 50 Prozent der maximalen Einspritzmenge beträgt.
Deshalb ist bei der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 7 gezeigt ist, der Motorbetriebsbereich in einem ersten Betriebsbereich F bei der Niederlastseite und einen zweiten Betriebsbereich G bei einer Hochlastseite geteilt. Wenn der Motor sich in dem Betriebsbereich F befindet, wird Kraftstoff zumindest einmal in dem Einspritzzeitgebungsbereich III eingespritzt, während wenn der Motor sich in dem Betriebsbereich G befindet, zu erst Kraftstoff von nicht mehr als 30 Prozent der maximalen Einspritzmenge in dem Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzt wird, dann wird der zweite Kraftstoff im Wesentlichen bei dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs eingespritzt.
Es soll beachtet werden, dass in der Vergangenheit selbstzündende Motoren so gestaltet waren, dass eine kleine Kraftstoffmenge vor der Haupteinspritzung eingespritzt wurde, dass heißt eine Piloteinspritzung durchgeführt wurde. Diese Piloteinspritzung wird gewöhnlich durchgeführt in dem in den Fig. 3a, 3b und 4a gezeigten Einspritzzeitgebungsbereich I. Deshalb zündet der eingespritzte Pilotkraftstoff von selbst. Im Gegensatz hierzu zündet bei der vorliegenden Erfindung der in dem Einspritzzeitgebungsbereich II eingespritzte Kraftstoff nicht selbst. Demgemäß kann die Einspritzaktion in dem Einspritzzeitgebungsbereich II und die herkömmliche Piloteinspritzaktion deutlich voneinander unterschieden werden. Es soll beachtet werden, dass in Fig. 7 die Ordinate die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge zeigt, während die Abscisse N die Motordrehzahl zeigt.
Fig. 8A zeigt die Einspritzzeitgebungen der Kraftstoffeinspritzung I bei dem Betriebsbereich F und die erste Kraftstoffeinspritzung I&sub1; und die zweite Kraftstoffeinspritzung I&sub1; bei dem Betriebsbereich G bei einer spezifischen Motordrehzahl N von beispielsweise 1500 min&supmin;¹. Fig. 8B zeigt die Einspritzzeitgebung der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; bei dem Betriebsbereich G. Es soll beachtet werden, dass die Abscisse Q in Fig. 8A die gesamte Kraftstoffeinspritzmenge Q zeigt, während die Abscisse N von Fig. 8B die Motordrehzahl zeigt.
Des Weiteren zeigen in Fig. 8A und 8B die θS und θE in dem Betriebsbereich F die Einspritzstartzeitgebung und die Einspitzendzeitgebung der Kraftstoffeinspritzung I, θS1 und θE1 in dem Betriebsbereich G zeigen die Einspritzstartzeitgebung und die Einspritzendzeitgebung der ersten Kraftstoffeinspritzung I1, während θS2 und θE2 in dem ,Betriebsbereich G die Einspritzstartzeitgebung und die Einspritzendzeitgebung der zweiten Kraftstoffeinspritzung 12 zeigen. Des Weiteren zeigen Fig. 8A und 8B den Fall, bei dem die Common Rail 25 bei einem gewissen konstanten Druck gehalten wird. Deshalb ist in Fig. 8A und 8B die Kraftstoffeinspritzmenge proportional zu der Einspritzzeitgebung.
Wie in Fig. 8A gezeigt ist, ist bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Einspritzendzeitgebung 6E der Kraftstoffeinspritzung I im wesentlichen auf 70 Grad vor dem oberen Totpunkt fixiert, deshalb wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine einzelne Kraftstoffeinspritzung in der Nähe von 70 Grad vor dem oberen Totpunkt durchgeführt. Dabei ist es natürlich auch möglich, die Kraftstoffeinspritzung I in zwei zu teilen.
Andererseits, wie in Fig. 8B gezeigt ist, wird die erste Kraftstoffeinspritzung I&sub1; in dem Betriebsbereich G bei einer Zeitgebung nahe der relativen Grenze X in dem Einspritzzeitgebungsbereich II durchgeführt, deshalb wird die Zeitgebung der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; früher eingerichtet je höher die Motordrehzahl N ist. Es soll beachtet werden, dass bei dem in den Fig. 8A und 8B gezeigten Ausführungsbeispiel die Einspritzmenge der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; 10 Prozent der maximalen Einspritzmenge beträgt. Des Weiteren ist bei dem in den Fig. 8A und 8B gezeigten Ausführungsbeispiel die Einspritzstartzeitgebung θS2 der zweiten Kraftstoffeinspritzung 12 bei dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs (OT) fixiert.
In Fig. 8A ist die Gesamteinspritzmenge Q eine Funktion des Niederdrückungsbetrags L des Gaspedals 40 und der Motordrehzahl N. Die Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q wird im Voraus in dem Rom 32 in der Gestalt des in Fig. 9A gezeigten Kennfelds gespeichert. Andererseits ist die Einspritzmenge Q1 der ersten Kraftstoffeinspritzung II eine Funktion der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q und der Motordrehzahl N. Die Einspritzmenge Q1 wird auch im Voraus in dem Rom 32 gespeichert in der Gestalt des in Fig. 9B gezeigten Kennfelds. Des Weiteren ist die Einspritzstartzeitgebung θS1 der ersten Kraftstoffeinspritzung II auch eine Funktion der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q und der Motordrehzahl N. Die Einspritzstartzeitgebung θS1 wird auch im Voraus in dem Rom 32 gespeichert in der Gestalt des in Fig. 9C gezeigten Kennfelds.
Fig. 10 zeigt die Einspritzsteuerroutine. Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird zunächst beim Schritt 50 die Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q berechnet aus dem in Fig. 9A gezeigten Kennfeld. Als nächstes wird beim Schritt 51 beurteilt, ob der Betriebszustand des Motors sich in dem Betriebsbereich F von Fig. 7 befindet oder nicht. Wenn der Motorbetriebszustand sich in dem Betriebsbereich F befindet, schreitet die Routine zum Schritt 52 fort, bei dem die Einspritzstartzeitgebung θS der Kraftstoffeinspritzung I berechnet wird auf der Grundlage der Gesamtkraftstoffeinspritzmenge Q. Wenn im Gegensatz hierzu der Motorbetriebszustand sich nicht in dem Betriebsbereich F befindet, das heißt in dem Betriebsbereich G von Fig. 7, schreitet die Routine zum Schritt 53 fort, bei dem die Einspritzmenge Q1 der ersten Kraftstoffeinspritzung II aus dem in Fig. 9B gezeigten Kennfeld berechnet wird. Als nächstes beim Schritt 54 wird die Einspritzstartzeitgebung θS1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; berechnet aus dem in Fig. 9C gezeigten Kennfeld. Als nächstes beim Schritt 55 wird die Einspritzendzeitgebung θE1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; berechnet auf der Grundlage der Einspritzmenge Q1 und der Einspritzstartzeitgebung θS1. Als nächstes beim Schritt 56 wird die Einspritzendzeitgebung θE2 der zweiten Kraftstoffeinspritzung I&sub2; berechnet auf der Grundlage der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q und der Kraftstoffeinspritzung Q1 etc.
Fig. 11 bis 14 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel. Wie vorstehend erläutert ist, werden fast keine NOx oder Ruß in den Betriebsbereich F erzeugt. Andererseits in dem Betriebsbereich G werden einige NOx und Ruß erzeugt, während die Menge der erzeugten NOx und Ruß klein ist. Um bei diesem Ausführungsbeispiel eine große Menge an NOx und Ruß zu verhindern, das heißt Kohlenwasserstoffe, die in die Atmosphäre freigegeben werden in dem Betriebsbereich G, wird die Luftüberschussrate λ auf 1,0 gesteuert, wie durch λ2 in Fig. 11 gezeigt ist. Das heißt, dass das Luftkraftstoffverhältnis bei dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis gesteuert wird. Wenn das Luftkraftstoffverhältnis bei dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis gesteuert wird, können die NOx und Kohlenwasserstoffe durch den Drei-Wege- Katalysator 19 gut beseitigt werden und deshalb kann die Freigabe der NOx und Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre verhindert werden.
Andererseits wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Menge des EGR-Gases gesteuert, um das Luftkraftstoffverhältnis bei dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis zu steuern. Der Grundöffnungsgrad Gθ2 des EGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist zum Einrichten des Luftkraftstoffverhältnisses bei dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis, wird eine Funktion der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q und der Motordrehzahl N. Dieser Grundöffnungsgrad Gθ2 wird im Voraus in dem Rom 32 gespeichert in der Gestalt des in Fig. 12 gezeigten Kennfelds.
Bei einem gewöhnlichen selbstzündenden Motor ist es nicht möglich, die Menge des EGR-Gases zu steuern, um das Luftkraftstoffverhältnis bei dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis zu halten. In dem Betriebsbereich G der vorliegenden Erfindung werden jedoch, wie vorstehend erläutert ist, Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffe durch die erste Kraftstoffeinspritzung I&sub1; im Wesentlichen nahe dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs erzeugt. Selbst wenn die Menge des EGR-Gases gesteuert wird, um das Luftkraftstoffverhältnis bei dem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis zu halten, zündet deshalb der Kraftstoff und brennt gut, wenn die zweite Kraftstoffeinspritzung I&sub1; gestartet wird, da die Kohlenwasserstoffe selbst Sauerstoff enthalten.
Des Weiteren Wird bei diesem Ausführungsbeispiel in dem Betriebsbereich F die Luftüberschussrate λ auf einen größeren Wert als 1,0 gesteuert, wie durch λ1 in Fig. 11 gezeigt ist. Des Weiteren wird die Luftüberschussrate λ vermindert, je größer die Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q ist. Die Soll-Luftüberschussrate λ1 in dem Betriebsbereich F ist tatsächlich eine Funktion der Kraftstoffeinspritzmenge Q und der Motordrehzahl. Die Soll-Luftüberschussrate λ1 wird im Voraus in dem Rom 32 gespeichert in der Gestalt des in Fig. 13A gezeigten Kennfelds. Des Weiteren ist der Grund- Öffnungsgrad G91 des EGR-Steuerventils 23, der erforderlich ist zu Einrichten der Luftüberschussrate λ bei der Soll- Luftüberschussrate λ1, eine Funktion der Kraftstoffeinspritzmenge Q und der Motordrehzahl N. Dieser Grundöffnungsgrad Gθ2 wird auch im Voraus in dem Rom 32 gespeichert in der Gestalt des in Fig. 13B gezeigten Kennfelds.
Fig. 14 zeigt eine Routine für die Einspritzsteuerung. Unter Bezugnahme auf Fig. 14 wird zunächst beim Schritt 60 die Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q berechnet aus dem in Fig. 9A gezeigten Kennfelds. Als nächstes wird beim Schritt 61 beurteilt, ob der Betriebszustand des Motors sich in dem Betriebsbereich F von Fig. 7 befindet oder nicht. Wenn der Motorbetriebszustand sich in dem Betriebsbereich F befindet, schreitet die Routine zum Schritt 62 fort.
Beim Schritt 62 wird die Einspritzstartzeitgebung θS berechnet auf der Grundlage der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q. Als nächstes wird beim Schritt 63 die Soll-Luftüberschussrate λ1 berechnet aus dem in Fig. 13A gezeigten Kennfeld, dann beim Schritt 64 wird der Grundöffnungsgrad Gθ1 des EGR-Steuerventils 23 berechnet aus dem in Fig. 13B gezeigten Kennfeld. Als nächstes beim Schritt 65 wird beurteilt, ob die Luftüberschussrate λ, die durch den Luftkraftstoffverhältnissensor 21 erfasst wird, größer ist als die Soll-Luftüberschussrate λ1 oder nicht. Wenn λ > λ1 gilt, schreitet die Routine zum Schritt 66 fort, bei dem ein konstanter Wert α zu dem Korrekturwert Δθ1 addiert wird, dann schreitet die Routine zum Schritt 68 fort. Wenn im Gegensatz hierzu λ < λ1 gilt, schreitet die Routine zum. Schritt 67 fort, bei dem der konstante Wert α von dem Korrekturwert Δθ1 subtrahiert wird, dann schreitet die Routine zum Schritt 68 fort. Beim Schritt 68 wird der Korrekturwert Δθ1 zu dem Grundöffnungsgrad Gθ1 addiert, um den endgültigen Öffnungsgrad Gθ des EGR-Steuerventils 23 zu berechnen.
Wenn andererseits beim Schritt 61 beurteilt wird, dass der Motorbetriebszustand sich nicht in dem Betriebszustand F befindet, das heißt der Motorbetriebszustand in dem Betriebsbereich G liegt, schreitet die Routine zum Schritt 69 fort, bei dem die Einspritzmenge Q1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; berechnet wird aus dem in Fig. 98 gezeigten Kennfeld. Als nächstes beim Schritt 70 wird die Einspritzstartzeitgebung θS1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; berechnet aus dem in Fig. 9C gezeigten Kennfeld. Als nächstes beim Schritt 71 wird die Einspritzendzeitgebung θE1 der ersten Kraftstoffeinspritzung I&sub1; berechnet auf der Grundlage der Einspritzmenge Q1 und der Einspritzstartzeitgebung θS1. Als nächstes beim Schritt 72 wird die Einspritzendzeitgebung θE2 der zweiten Kraftstoffeinspritzung I&sub2; berechnet auf der Grundlage der Gesamtmenge der Kraftstoffeinspritzung Q und der Kraftstoffeinspritzung Q1 etc.
Als nächstes beim Schritt 73 wird der Grundöffnungsgrad Gθ2 des EGR-Steuerventils 23 berechnet aus dem in Fig. 12 gezeigten Kennfeld. Als nächstes beim Schritt 74 wird beurteilt, ob die durch den Luftkraftstoffverhältnissensor 21 erfasste Luftüberschussrate λ größer als 1,0 ist oder nicht. Wenn λ > 1,0 gilt, schreitet die Routine zum Schritt 75 fort, bei dem ein konstanter Wert β zu dem Korrekturwert Δθ2 addiert wird, dann schreitet die Routine zum Schritt 77 fort. Wenn im Gegensatz hierzu λ > 1,0 gilt, schreitet die Routine zum Schritt 76 fort, bei dem der konstante Wert β vom Korrekturwert Δθ2 subtrahiert wird, dann schreitet die Routine zum Schritt 77 fort. Beim Schritt 77 wird der Korrekturwert Δθ2 zu dem Grundöffnungsgrad Gθ2 addiert, um den endgültigen Öffnungsgrad Gθ des EGR-Steuerventils 23 zu berechnen.
Erfindungsgemäß ist es, wie vorstehend erwähnt ist, möglich, die Erzeugung der NOx und Ruß über den gesamten Betriebsbereich des Motors zu unterdrücken.
Während die Erfindung beschrieben ist unter Bezugnahme auf ihre spezifischen Ausführungsbeispiele, die zwecks der Darstellung ausgewählt sind, sollte es ersichtlich sein, dass viele Änderungen durch den Fachmann durchgeführt werden können ohne von dem Grundkonzept und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Selbstzündende Brennkraftmaschine mit:

einer Brennkammer (5);

einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (6), die Kraftstoff einspritzt in Richtung auf das Innere der Brennkammer (5), wobei ein Betriebsbereich des Motors in einen ersten Betriebsbereich einer Niedriglastseite und einen zweiten Betriebsbereich einer Hochlastseite geteilt ist;

einer Einspritzsteuereinrichtung (30), die eine Einspritzung von Kraftstoff veranlasst zumindest einmal 50º vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs, um eine Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs zu veranlassen, wenn ein Betriebszustand des Motors sich in dem ersten Betriebsbereich befindet, wobei die Einspritzsteuereinrichtung (30) eine erste Kraftstoffmenge einspritzt in einer Weise und einer Menge, so dass die Verbrennung nicht auftritt, selbst wenn eingespritzt wird, in einem vorgegebenen Einspritzzeitbereich einer letzten Hälfte eines Kompressionshubs, wenn die Verbrennung nicht auftritt, selbst wenn eingespritzt wird, und eine Einspritzung einer zweiten Kraftstoffmenge veranlasst bei einem Zeitpunkt später als dem vorgegebenen Einspritzzeitbereich, um eine Verbrennung der ersten Kraftstoffmenge und der zweiten Kraftstoffmenge zu veranlassen, wenn der Betriebszustand des Motors sich in dem zweiten Betriebsbereich befindet.

2. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Menge des ersten Kraftstoffs, bei dem die Verbrennung nicht auftritt, selbst wenn eingespritzt wird, wenn der Betriebszustand sich bei dem zweiten Betriebsbereich befindet, nicht mehr als 30% der maximalen Einspritzmenge beträgt.

3. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Einspritzzeitbereich von 90º vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs bis etwa 20º vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs liegt.

4. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei die früheste Einspritzzeitgebung in dem vorgegebenen Einspritzzeitbereich verschoben wird in Richtung auf den unteren Totpunkt des Kompressionshubs je höher die Motordrehzahl ist, und die letzte Einspritzzeitgebung in dem vorgegebenen Einspritzzeitbereich verschoben wird in Richtung auf den unteren Totpunkt des Kompressionshubs, je höher die Motordrehzahl ist.

5. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei die früheste Einspritzzeitgebung nahe 50º vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs liegt, wenn die Motordrehzahl gleich 600 min.&supmin;¹ beträgt und nahe 90º vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs liegt, wenn die Motordrehzahl 4000 min.&supmin;¹ beträgt.

6. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei die späteste Einspritzzeitgebung in Richtung auf den unteren Totpunkt des Kompressionshubs verschoben wird, je größer das Verhältnis der ersten Kraftstoffeinspritzmenge ist gegenüber der maximalen Einspritzmenge und die Differenz zwischen der frühesten Einspritzzeitgebung und der spätesten Einspritzzeitgebung bei der selben Motordrehzahl kleiner wird, je größer das Verhältnis ist.

7. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei, wenn die Menge der ersten Kraftstoffeinspritzung 5% der maximalen Einspritzmenge beträgt und die Motordrehzahl 600 min.&supmin;¹ beträgt, die späteste Einspritzzeitgebung etwa 20º vor dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs beträgt und die Differenz der Einspritzzeitgebungen von etwa 30º Kurbelwinkel bis 40º Kurbelwinkel beträgt.

8. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei, wenn die Menge der ersten Kraftstoffeinspritzung gleich 10% der maximalen Einspritzmenge beträgt und die Motordrehzahl gleich 600 min.&supmin;¹ beträgt, die späteste Einspritzzeitgebung etwa 30º vor oberem Totpunkt des Kompressionshubs beträgt und die Differenz der Einspritzzeitgebungen von etwa 20º Kurbelwinkel bis etwa 30º Kurbelwinkel beträgt.

9. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei, wenn die Menge der ersten Kraftstoffeinspritzung gleich 20% der maximalen Einspritzmenge beträgt und die Motordrehzahl gleich 600 min.&supmin;¹ beträgt, die späteste Einspritzzeitgebung etwa 40º vor oberem Totpunkt des Kompressionshubs beträgt und die Differenz der Einspritzzeitgebungen von etwa 10º Kurbelwinkel bis etwa 15º Kurbelwinkel beträgt.

10. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die erste Kraftstoffeinspritzzeitgebung früher eingerichtet wird, je höher die Motordrehzahl ist, wenn der Betriebszustand des Motors sich in dem zweiten Betriebsbereich befindet.

11. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die zweite Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird im Wesentlichen bei dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs oder nach dem oberen Totpunkt des Kompressionshubs, wenn der Betriebszustand des Motors in dem zweiten Betriebsbereich liegt.

12. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Luftkraftstoffverhältnisregeleinrichtung aufweist zum Regeln des Luftkraftstoffverhältnisses bei einem vorgegebenen Soll-Luftkraftstoffverhältnis.

13. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, wobei das Soll-Luftkraftstoffverhältnis bei einem mageren Luftkraftstoffverhältnis eingerichtet wird, wenn der Betriebszustand des Motors in dem ersten Betriebsbereich liegt.

14. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, wobei das Soll-Luftkraftstoffverhältnis bei dem stöichiometrischen Luftkraftstoffverhältnis eingerichtet wird, wenn der Betriebszustand des Motors in dem zweiten Betriebsbereich liegt.

15. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, wobei die Luftkraftstoffverhältnisregeleinrichtung die Menge der Abgasrückführung steuert, um das Luftkraftstoffverhältnis auf das Soll-Luftkraftstoffverhältnis zu regeln.

16. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei ein Dreiwegekatalysator in einem Motorabgaskanal angeordnet ist.